基于三維GIS的室外風(fēng)環(huán)境的研究與應(yīng)用

摘 要 高層建筑的密集化現(xiàn)象在香港已經(jīng)引起了一系列自然環(huán)境問題，其中室外風(fēng)環(huán)境的惡化已困擾市民多時。利用三維GIS技術(shù)對城市區(qū)域進(jìn)行三維建模，并以數(shù)字正射影像和數(shù)字高程模型為基礎(chǔ)構(gòu)建精確地形模擬，三維建筑模型與地形信息結(jié)合構(gòu)建三維可視化場景，最后對研究區(qū)域的風(fēng)環(huán)境進(jìn)行數(shù)值模擬與分析;與以往的研究相比，在建筑模型的基礎(chǔ)上增加了地形信息，并利用三維GIS技術(shù)將建筑空間、屬性信息引入三維模型中，以便在數(shù)值模擬中獲得更為科學(xué)、精確的結(jié)果，具有傳統(tǒng)手段不可比擬的優(yōu)勢，可為城市的規(guī)劃與發(fā)展提供有益參考。

關(guān)鍵詞 室外風(fēng)環(huán)境;三維GIS;三維可視化;數(shù)值模擬

前言

香港作為全球人口最為密集的城市之一，因?yàn)槌鞘型恋孛娣e的限制，為了盡可能地在有限的面積內(nèi)容納足夠多的居民，香港建筑通常呈現(xiàn)出樓密且高的狀態(tài)。近年來，各大城市的高層建筑密集化發(fā)展已經(jīng)產(chǎn)生了一系列城市環(huán)境問題，包括自然通風(fēng)問題、城市噪音、日照問題等。而香港在改革開放后的飛速發(fā)展中，大量的尾氣、廢棄也被排放并聚集在空氣中，更為嚴(yán)重的是，由于過去缺乏科學(xué)合理的城市規(guī)劃和建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，香港城區(qū)的空氣環(huán)境質(zhì)量日趨惡劣。

室外空氣環(huán)境在城市的微氣候中有著重要的作用。不同方向的流通空氣在城區(qū)聚集將會嚴(yán)重影響我們?nèi)粘Ｉ睢６L(fēng)速過小，易造成廢棄廢熱在不通風(fēng)的地方堆積污染。人們已經(jīng)意識到室外空氣環(huán)境對于日常生活的重要影響，香港政府如今也將建筑室外空氣環(huán)境作為一個重要因子應(yīng)用于城市規(guī)劃中。

1三維建模

近年來，隨著傳統(tǒng)二維（2D）數(shù)據(jù)的擴(kuò)展，三維（3D）模型變得非常流行。3D模型可提供更好的可視化效果并提供3D信息。但是，由于數(shù)據(jù)收集的限制，3D模型在建立和更新方面需要做更多的工作。由于數(shù)據(jù)采集的巨大投資和技術(shù)要求，城市三維模型的應(yīng)用被束縛。一般來說，選擇哪種數(shù)據(jù)或建模方法取決于數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，項(xiàng)目預(yù)算和建模時間。

City Engine：由Esri R&D Center Zurich（以前稱為Procedural Inc.）開發(fā)的3D建模軟件City Engine，以過程建模方法在電影、建筑物和視頻游戲的城市場景創(chuàng)建中的應(yīng)用而聞名。City Engine根據(jù)可理解規(guī)則的一組層次結(jié)構(gòu)從頭開始創(chuàng)建城市環(huán)境，這些規(guī)則可以根據(jù)用戶的需求進(jìn)行擴(kuò)展[1]。這種方法可以在較短的時間內(nèi)有效地創(chuàng)建詳細(xì)的大型3D城市模型。City Engine提供了從不同數(shù)據(jù)集中提取、使用和管理地理信息的方法，包括文件地理數(shù)據(jù)庫格式和shape file。此外，它允許執(zhí)行多個GIS任務(wù)，例如數(shù)據(jù)編輯、地圖繪制、空間分析、數(shù)據(jù)管理和在線信息共享。City Engine的主要優(yōu)勢是基于現(xiàn)有GIS數(shù)據(jù)創(chuàng)建3D城市模型?？紤]到這一點(diǎn)，本研究采用City Engine軟件進(jìn)行3D建模。

2室外風(fēng)環(huán)境模擬分析

CFD解決了一些偏量守恒方程（Navier-Stokes方程）、能量、質(zhì)量、化學(xué)物質(zhì)濃度和湍流守恒。它提供了室內(nèi)和室外空間的空氣速度、壓力、溫度和湍流參數(shù)的場分布。盡管模型仍然存在一些不確定性并且需要高性能計算機(jī)，但CFD在通風(fēng)模擬和評估中越來越受歡迎。

2.1 數(shù)值模型

當(dāng)前的數(shù)值模擬是基于控制方程的解，該方程描述了建筑物周圍和內(nèi)部空氣運(yùn)動產(chǎn)生的流場，即傳質(zhì)的連續(xù)性方程以及動量和湍流建模方程式。CFD解決方案技術(shù)采用迭代或重復(fù)過程來不斷重復(fù)解決方案，直到達(dá)到收斂為止。在穩(wěn)定模擬狀態(tài)下，當(dāng)收斂線趨于平行且斜率變?yōu)榱銜r，則認(rèn)為解決方案已收斂。計算后，通過使用獨(dú)立或內(nèi)置的后處理程序獲得的結(jié)果，可以同時提供定量和定性的輸出。

2.2 評估標(biāo)準(zhǔn)

對于風(fēng)環(huán)境的評估標(biāo)準(zhǔn)有很多種，可以通過建筑物周圍強(qiáng)氣流的出現(xiàn)來評估環(huán)境影響。僅考慮風(fēng)速的風(fēng)力尺度具有局限性，因?yàn)轱L(fēng)對人的影響不僅取決于風(fēng)速作為影響因素，還取決于頻率、瞬時強(qiáng)風(fēng)等。此后，Penwarden提出了新的風(fēng)環(huán)境評估標(biāo)準(zhǔn)，即如果風(fēng)速超過5m/s的頻率小于0.2%，則風(fēng)速是可以接受的。在本研究中，我們將風(fēng)速超過5m/s的區(qū)域視為“不舒適區(qū)域”。

2.3 模擬軟件

如今，各種CFD軟件包可用于市區(qū)的室外風(fēng)流模擬。但是，由于缺乏對適用性、準(zhǔn)確性和標(biāo)準(zhǔn)化方面的系統(tǒng)和全面研究，CFD軟件包需要進(jìn)一步發(fā)展。常用的仿真工具有Airpak、Phoenics、WindPerfect、Star-CD和Fluent等。本研究根據(jù)研究區(qū)域所在建筑群特征，根據(jù)軟件的普適性、多模型選擇性、網(wǎng)格劃分的易用性、計算的高效性及結(jié)果穩(wěn)定性選用CFD-Phoenics進(jìn)行室外風(fēng)環(huán)境的模擬。

3項(xiàng)目實(shí)施

3.1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

紅磡地區(qū)擁有高密度建筑和人口。它可以看作是長期受室外風(fēng)環(huán)境問題影響的整個城市的縮影。因此，本文選取香港紅磡地區(qū)的黃埔花園建筑群作為研究區(qū)域。

基本地圖數(shù)據(jù)包含數(shù)字地形模型（DTM），數(shù)字正射影像（DOM）和2D GIS數(shù)據(jù)。為了精確建模，所有比例為1∶1000的原始數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)都是從香港地政總署測繪處獲取的。在將數(shù)據(jù)導(dǎo)入City Engine之前，必須將特定屬性添加到GIS數(shù)據(jù)中。由于原始數(shù)據(jù)中的屬性丟失或不足，因此必須在ArcGIS中對其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以增加屬性以用于之后的建模工作。

3.2 三維建模

在建模階段，只需將DTM和DOM數(shù)據(jù)導(dǎo)入City Engine。該軟件將DTM和DOM分別視為地形和紋理底圖。同時，在導(dǎo)入數(shù)據(jù)時可以顯示DTM的最大和最小高程信息。接下來，將建筑物數(shù)據(jù)導(dǎo)入City Engine。由于建筑物地圖沒有高程值，因此建筑物GIS底圖數(shù)據(jù)被地形底圖覆蓋?？梢赃M(jìn)行“將形狀與地形對齊”和“將地形與形狀對齊”的操作來解決此問題。但是，某些建筑物形狀可能仍在地形下，可以在City Engine中手動進(jìn)行。如前所述，當(dāng)將GIS數(shù)據(jù)引入City Engine時，我們可以同時看到對象屬性。根據(jù)建筑物高度的屬性，只需使用拉伸操作即可創(chuàng)建CGA規(guī)則。然后，將創(chuàng)建的CGA規(guī)則應(yīng)用于建筑物形狀，然后快速生成整個研究區(qū)域中的建筑物模型（如圖1）。

3.3 數(shù)值模擬與分析

本部分旨在分析黃埔花園所在的紅磡區(qū)黃埔花園建筑群室外的典型風(fēng)況。盡管風(fēng)在速度和方向上處于不穩(wěn)定狀態(tài)，但夏季或冬季存在明顯的風(fēng)向。因此，在分析期間討論了一種盛行風(fēng)的情況并使用CFD-Phoenics軟件進(jìn)行數(shù)值模擬。

模擬區(qū)域大?。簠^(qū)域的大小會影響仿真精度和計算結(jié)果。因此，正確設(shè)置域大小至關(guān)重要。在這種情況下，x，y和z軸的長度分別設(shè)置為1200、1200和700m。網(wǎng)格生成：計算網(wǎng)格是CFD中的關(guān)鍵元素，因?yàn)樗_定了流場的分辨率級別。如果太大，則無法獲得精確的氣流分布計算;另一方面，如果太大，則分析將花費(fèi)大量時間。因此，在這種情況下，已應(yīng)用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并分別為x，y和z軸設(shè)置了180、180和120個網(wǎng)格。夏季盛行風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)，風(fēng)速為3 m/s。湍流模型：標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。

在行人高度1.5m處，氣流以3 m/s的速度從東南方向流入。從速度等高線的結(jié)果可以看出，大部分區(qū)域的氣流速度低于2.5 m/s，有些地方甚至成為無風(fēng)區(qū)域。這是因?yàn)榻ㄖY(jié)構(gòu)過于密集，無法保持氣流交換。受密集的建筑群影響，建筑物周圍某些區(qū)域的氣流速度幾乎為零（如圖2a所示，用紅色圓圈表示）。這表明夏季的風(fēng)況對空氣流通極為不利。這可能會導(dǎo)致污染物收集和該地區(qū)不舒適的風(fēng)環(huán)境。此外，結(jié)果還顯示了計算區(qū)域中的最小和最大速度，最小速度出現(xiàn)在北部區(qū)域兩座建筑物之間的狹窄廊道中。

氣流經(jīng)過建筑群時，傳入的風(fēng)將改變方向。在建筑的一角，氣流速度迅速增加（如圖2b所示）。在圖中帶有紅色圓圈的位置，速度范圍介于3m/s和5m/s之間。根據(jù)Penwarden的風(fēng)力評估標(biāo)準(zhǔn)，風(fēng)速為1.5m/s至5m/s的位置適合在夏季體驗(yàn)舒適的戶外風(fēng)環(huán)境。

夏季，盛行風(fēng)來自東南，對迎風(fēng)建筑立面的壓力很高。圖2c顯示，在行人水平處，壓力達(dá)到上風(fēng)建筑立面的6 Pa，而在另一側(cè)，壓力值保持為負(fù)。由圖可知，迎風(fēng)建筑物的前后壓力差較大。在行人級別，其余所有建筑物的壓力在所有立面中均保持為負(fù)，并且前后側(cè)之間的壓差保持在1到5Pa。這種風(fēng)壓下，它為打開窗戶通風(fēng)提供了良好的風(fēng)力條件。

在50米的高度處，壓力輪廓線指示建筑迎風(fēng)面承受的壓力高于1.5米處的水平。隨著建筑物高度的增加，壓力差越來越大。在建筑群的高層，由于氣流壓力差大，人們在打開窗戶時可能會感到不適。根據(jù)模擬結(jié)果，在本研究區(qū)域，夏季室外通風(fēng)環(huán)境不足以使市區(qū)降溫，該區(qū)域遠(yuǎn)離海邊，處于高溫環(huán)境。

從模擬結(jié)果來看，風(fēng)環(huán)境問題主要出現(xiàn)在高層建筑旁邊，這導(dǎo)致建筑物間隙廊道的高風(fēng)速產(chǎn)生，而由于該建筑群樓宇過高、過密導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)相當(dāng)多的無風(fēng)區(qū)產(chǎn)生。過大和不足的氣流速度嚴(yán)重影響了居民生活的舒適和健康。

4結(jié)束語

本文提出了一種將3D GIS與CFD相結(jié)合的預(yù)測和分析室外風(fēng)環(huán)境的方法。首先，介紹了在City Engine軟件中基于3D GIS的3D建模方法。其次，一旦獲得研究區(qū)域三維模型，建筑模型的選定部分將被導(dǎo)入到CFD-Phoenics中以進(jìn)行數(shù)值模擬。最后，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，對通風(fēng)環(huán)境進(jìn)行了分析和預(yù)測。結(jié)果表明，紅磡區(qū)黃埔花園區(qū)域，由于建筑物的密集化、高度化等缺乏科學(xué)合理的建筑結(jié)構(gòu)導(dǎo)致紅磡黃埔花園居民區(qū)出現(xiàn)大量無風(fēng)區(qū)，并將導(dǎo)致大量廢氣廢熱的聚集，且不利于室內(nèi)空氣交換流通，進(jìn)而在該區(qū)域產(chǎn)生不健康的居住環(huán)境。

事實(shí)證明，室外通風(fēng)在人們的日?；顒又袑ψ匀画h(huán)境起著重要作用。過去，由于對室外風(fēng)的了解不足，人們忽視或較少關(guān)注高層建筑和密集建筑物導(dǎo)致的通風(fēng)不良。對于城市規(guī)劃師和建筑設(shè)計師而言，創(chuàng)建綠色建筑和舒適的環(huán)境始終被視為至關(guān)重要的問題。因此，在規(guī)劃和設(shè)計之初，應(yīng)充分注意風(fēng)環(huán)境，以考慮建筑群的影響。盡管過去幾十年來在香港建造了大量的高層建筑，但是相應(yīng)的風(fēng)環(huán)境評估標(biāo)準(zhǔn)仍然缺乏經(jīng)驗(yàn)。幸運(yùn)的是，近年來人們已經(jīng)意識到戶外通風(fēng)的重要性?？梢灶A(yù)見，越來越多的研究工作將集中在室外風(fēng)環(huán)境問題上。

參考文獻(xiàn)

[1] Pascal Müller， Peter Wonka， Simon Haegler， et al. Procedural modeling of buildings[J].ACM Transactions on Graphics（TOG），2006，25（3）：614-623.

作者簡介

鄭翮（1989-），男：學(xué)歷：碩士研究生，職稱：助教;現(xiàn)就職單位：江西應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院，研究方向：攝影測量與遙感。