面向交通环境污染模拟的城市三维建筑物快速建模方法技术

面向交通环境污染模拟的城市三维建筑物快速建模方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤1通过数字化城市软件导出模拟区域的建筑物数据；步骤2通过程序语言软件对建筑物数据进行编程读取，并对建筑物外形数据特征进行优化，使其在保证建筑物主要形状特征的前提下，利于获取质量更好的数值计算网格；步骤3根据建筑物外形数据以及计算流动力学模拟的边界条件，设计数值模拟的计算区域；步骤4通过建模软件脚本语言，生成对应的建筑物、计算域的建模脚本；优点是，解决了真实城市场景大气污染扩散模拟过程中快速生成建筑几何模型的难题，提高了城市三维建筑建模的效率和准确度，简化城市大气污染扩散模拟的前处理过程。

Fast Modeling Method of Urban Three-dimensional Buildings for Traffic Environmental Pollution Simulation

The characteristics of a fast modeling method for urban three-dimensional buildings facing traffic environmental pollution simulation are as follows: Step 1 derives building data in the simulation area by digital city software; Step 2 reads building data by programming language software, and optimizes building shape data features to ensure the main shape characteristics of buildings. On the premise, it is advantageous to obtain better quality numerical computational grids; Step 3 designs the computational area of numerical simulation according to the shape data of buildings and the boundary conditions of computational fluid dynamics simulation; Step 4 generates the corresponding building and computational area modeling scripts through the modeling software script language; The advantage is that it solves the problem of air pollution diffusion simulation in real urban scenes. The difficulty of building geometric model quickly improves the efficiency and accuracy of urban three-dimensional building modeling, and simplifies the pretreatment process of urban air pollution diffusion simulation.

【技术实现步骤摘要】
面向交通环境污染模拟的城市三维建筑物快速建模方法
本专利技术涉及道路交通与环境领域，具体为面向交通环境污染模拟的城市三维建筑物快速建模方法。
技术介绍
我国城市机动车尾气污染问题日益突出，严重影响城市空气质量。随着对工业源和生活源污染控制工作的有效开展，机动车将成为城市完成空气质量考核及改善人居环境的重要治理对象。在城市街道内部产生的交通排放受到城市建筑布局及交通流变化等因素的影响，容易在路边形成高浓度污染，且暴露人群多，时间长，直接危害人们健康。因此，准确评估城市街区内交通排放污染程度、分布范围、演变机理、控制研究是当前交通环境空气领域内的热点和前沿问题。受交通源移动排放、以及受随机多变复杂的交通路况等因素的影响，相比于其他空气质量模型，计算流体力学方法能精细分辨污染源及建筑几何结构，细致描述街区的气流运动，获得高时空分辨率的浓度分布，更加适用于微尺度大气环境(街区或道路场景)污染扩散问题的研究。但是目前实际街区交通尾气污染扩散的CFD模拟由于城市建筑的布局复杂、结构不规则，构建场景的几何模型并生成计算网格需要花费大量时间和精力，同时过于复杂的建筑物结构容易导致生成的计算网格质量太差、甚至无法生成网格，最终导致实际街区交通尾气污染扩散的CFD模拟效率低下，计算精度差，容易发散。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服上述现有技术的缺点，提供一种面向交通环境污染模拟的城市三维建筑物快速建模方法，该方法解决了真实城市场景大气污染扩散模拟过程中快速生成建筑几何模型的难题，提高了城市三维建筑建模的效率和准确度，简化城市大气污染扩散模拟的前处理过程。本专利技术是通过以下技术方案来实现的：面向交通环境污染模拟的城市三维建筑物快速建模方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤1通过数字化城市软件导出模拟区域的建筑物数据；步骤2通过程序语言软件对建筑物数据进行编程读取，并对建筑物外形数据特征进行优化，使其在保证建筑物主要形状特征的前提下，利于获取质量更好的数值计算网格；步骤3根据建筑物外形数据以及计算流动力学模拟的边界条件，设计数值模拟的计算区域；步骤4通过建模软件脚本语言，生成对应的建筑物、计算域的建模脚本；步骤5在建模软件中运行建模脚本，生成建筑几何模型。作为上述方案的改进，步骤1中所述的数字化城市软件为ArcGIS，其获取模拟区域的建筑物数据的过程是：确定数值模拟区域的范围，根据模拟区域范围从ArcGIS等数字地图软件中选择范围内的建筑物，利用ArcGIS自带工具将经纬度坐标变换为平面坐标，导出选定建筑物的几何数据到文本文件，包括建筑物编号、底面轮廓的坐标点以及建筑物高度等；对数据进行初步处理，设置新的坐标原点：由经纬度直接变换过来的平面坐标需要重新设置坐标原点，因此选定模拟区域底面内一个点作为参考点，并将所有建筑物的底面坐标减去参考点的值，即可得到以参考点为坐标原点的建筑物坐标数据。作为上述方案的改进，步骤2中的程序语言软件为C++，其读取建筑物数据的过程是：编写建筑物数据接口模块，在C++程序中读取建筑物的几何数据，按建筑物编号构建建筑物对象集；每个建筑物对象包含组成建筑物轮廓的点、边以及面等元素，并按顺序给这些元素命名。作为上述方案的改进，所述的步骤S2中建筑物数据的优化主要是针对建筑物底面进行简化或修正处理，具体过程如下：步骤2.1：合并底面多边形相连且平行的边：对于底面的任一个内角θi(i＝0，1，2，...，n-1；底面为n边形)，如果|θi-180°|≤Θ0，删除该内角对应的顶点，其中Θ0为自定义的角度参数；步骤2.2：进一步合并交点到两边端点连线距离足够小的相连边：对于底面的任一个顶点pi，如果pi到pi-1和pi+1连线的最小距离di＜D0，则删除顶点pi，其中D0为自定义的距离参数，且p-1＝pn-1，pn＝p0；步骤2.3：底面为凹多边形时，对部分凹入部分进行填充：当底面多边形内角θj为大于180度的优角时，分别沿顶点编号递减和递增方向找到两个与之最近的非优角θi和θk(j＝0，1，2，...，n-1；k＝0，1，2，...，n-1；i≠k)，如果这两个顶点pi、pk之间的距离小于给定参数D1，则移除pi、pk之间所有内角为优角的顶点；步骤2.4：调整建筑物底面顶点到附近建筑物底面的距离：判断建筑物底面多边形的顶点到相邻建筑物底边多边形的最小距离，若最小距离小于给定参数D2，则按一定规则移动该顶点，使之偏离相邻的建筑物；步骤2.5：重复步骤2.1-步骤2.4，进行多次优化。作为上述方案的改进，所述的步骤2.1的具体过程是：对建筑物底面多边形的顶点进行遍历，计算顶点对应的内角；计算方法为：假设当前点pi(i＝0，1，2...，n-1)在x-y平面的坐标为(xi，yi)，前后一个点pi-1、pi+1的坐标分别为(xi-1，yi-1)与(xi+1，yi+1)，那么矢量pipi-1与矢量pipi+1分别为(xi-1-xi，yi-1-yi)和(xi+1-xi，yi+1-yi)；它们与x轴正方向的夹角θi，i-1与θi，i+1可用以下公式计算，其中，矢量pipi-1与矢量pipi+1的角度差θi＝θi，i+1-θi，i-1即为顶点pi对应的内角θi，如果|θi-180°|≤Θ0，则删除该内角对应的顶点，通过调节参数Θ0可以控制优化的力度。作为上述方案的改进，所述的步骤2.2的具体过程是：对于建筑物底面多边形的任一个顶点pi，其相邻顶点为pi-1和pi+1；假设矢量pi-1pi与pi-1pi+1的夹角为α，pi-1pi的长度为li-1，i，则pi到pi-1pi+1的最小距离计算公式为di＝|li-1，i*sin(α)|；如果di＜D0，则删除顶点pi。作为上述方案的改进，所述步骤2.4的具体过程是：对于任意不相同的两个建筑物bi和bj(i＜j)，对建筑物bi的底面多边形的顶点进行循环，判断这些顶点到建筑物bj底面多边形每条边的最小距离；若距离小于设定的间距参数D2，则按照设定的规则移动该顶点，直到该顶点到建筑物bj的距离不小于间距参数D2；判断顶点pi到线段lj的最小距离步骤为：首先分别计算点pi到线段lj所在直线的垂直距离d0以及到两个端点pj1、pj2的距离d1、d2，然后判断pi到lj的垂线是否与lj相交；方法为以线段lj的端点pj1为原点，pj1pj2方向为x′轴正方向，建立新的直角坐标系x’-y’，并通过平面直角坐标变换公式得到pi、pj1、pj2在新坐标系下的坐标p′i(x′i，y′i)、p′j1(x′j1，y′j1)、p′j2(x′j2，y′j2)，若满足x′i≤min(x′j1，xj2′)或者x′i≥max(x′j1，xj2′)，则pi到lj的垂线与lj不相交，pi到线段lj的最小距离为min(d1，d2)，lj上离pi最近的点pj0为pj1或pj2，否则最小距离为d0，最近的点为pi到lj的垂点pj0′(x′i，0)，再用平面坐标变换公式反变换即可得到x-y坐标系下的垂点pj0；x＝x′cosθ-y′sinθ+x0，y＝x′sinθ+y′cosθ+y0.移动顶点的步骤为：由前一个步骤可得到顶点pi偏移建筑物bj最快的方向pj0pi；为了避免pi的移动影响建筑物bi与其它建筑物的距离，需要强制将本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.面向交通环境污染模拟的城市三维建筑物快速建模方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤1 通过数字化城市软件导出模拟区域的建筑物数据；步骤2 通过程序语言软件对建筑物数据进行编程读取，并对建筑物外形数据特征进行优化，使其在保证建筑物主要形状特征的前提下，利于获取质量更好的数值计算网格；步骤3 根据建筑物外形数据以及计算流动力学模拟的边界条件，设计数值模拟的计算区域；步骤4 通过建模软件脚本语言，生成对应的建筑物、计算域的建模脚本；步骤5 在建模软件中运行建模脚本，生成建筑几何模型。

【技术特征摘要】
1.面向交通环境污染模拟的城市三维建筑物快速建模方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤1通过数字化城市软件导出模拟区域的建筑物数据；步骤2通过程序语言软件对建筑物数据进行编程读取，并对建筑物外形数据特征进行优化，使其在保证建筑物主要形状特征的前提下，利于获取质量更好的数值计算网格；步骤3根据建筑物外形数据以及计算流动力学模拟的边界条件，设计数值模拟的计算区域；步骤4通过建模软件脚本语言，生成对应的建筑物、计算域的建模脚本；步骤5在建模软件中运行建模脚本，生成建筑几何模型。2.根据权利要求1所述的面向交通环境污染模拟的城市三维建筑物快速建模方法，其特征在于，步骤1中所述的数字化城市软件为ArcGIS，其获取模拟区域的建筑物数据的过程是：确定数值模拟区域的范围，根据模拟区域范围从ArcGIS等数字地图软件中选择范围内的建筑物，利用ArcGIS自带工具将经纬度坐标变换为平面坐标，导出选定建筑物的几何数据到文本文件，包括建筑物编号、底面轮廓的坐标点以及建筑物高度等；对数据进行初步处理，设置新的坐标原点：由经纬度直接变换过来的平面坐标需要重新设置坐标原点，因此选定模拟区域底面内一个点作为参考点，并将所有建筑物的底面坐标减去参考点的值，即可得到以参考点为坐标原点的建筑物坐标数据。3.根据权利要求1所述的面向交通环境污染模拟的城市三维建筑物快速建模方法，其特征在于，步骤2中的程序语言软件为C++，其读取建筑物数据的过程是：编写建筑物数据接口模块，在C++程序中读取建筑物的几何数据，按建筑物编号构建建筑物对象集；每个建筑物对象包含组成建筑物轮廓的点、边以及面等元素，并按顺序给这些元素命名。4.根据权利要求1所述的面向交通环境污染模拟的城市三维建筑物快速建模方法，其特征在于，所述的步骤S2中建筑物数据的优化主要是针对建筑物底面进行简化或修正处理，具体过程如下：步骤2.1：合并底面多边形相连且平行的边：对于底面的任一个内角θi(i＝0，1，2，...，n-1；底面为n边形)，如果|θi-180°|≤Θ0，删除该内角对应的顶点，其中Θ0为自定义的角度参数；步骤2.2：进一步合并交点到两边端点连线距离足够小的相连边：对于底面的任一个顶点pi，如果pi到pi-1和pi+1连线的最小距离di＜D0，则删除顶点pi，其中D0为自定义的距离参数，且p-1＝pn-1，pn＝p0；步骤2.3：底面为凹多边形时，对部分凹入部分进行填充：当底面多边形内角θj为大于180度的优角时，分别沿顶点编号递减和递增方向找到两个与之最近的非优角θi和θk(j＝0，1，2，...，n-1；k＝0，1，2，...，n-1；i≠k)，如果这两个顶点pi、pk之间的距离小于给定参数D1，则移除pi、pk之间所有内角为优角的顶点；步骤2.4：调整建筑物底面顶点到附近建筑物底面的距离：判断建筑物底面多边形的顶点到相邻建筑物底边多边形的最小距离，若最小距离小于给定参数D2，则按一定规则移动该顶点，使之偏离相邻的建筑物；步骤2.5：重复步骤2.1-步骤2.4，进行多次优化。5.根据权利要求4所述的面向交通环境污染模拟的城市三维建筑物快速建模方法，其特征在于，所述的步骤2.1的具体过程是：对建筑物底面多边形的顶点进行遍历，计算顶点对应的内角；计算方法为：假设当前点pi(i＝0，1，2...，n-1)在x-y平面的坐标为(xi，yi)，前后一个点pi-1、pi+1的坐标分别为(xi-1，yi-1)与(xi+1，yi+1)，那么矢量pipi-1与矢量pipi+1分别为(xi-1-xi，yi-1-yi)和(xi+1-xi，yi+1-yi)；它们与x轴正方向的夹角θi，i-1与θi.i+1可用以下公式计算，其中，矢量pipi-1与矢量pipi+1的角度差θi＝θi，i+1...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈进财，刘永红，罗银萍，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：广东,44