基于BIM的地表建筑太阳辐射估算方法技术

本发明专利技术提出了一种基于BIM的地表建筑太阳辐射估算方法，具体步骤包括：1）多尺度精细地表曲面模型构建与优化；2）基于BIM的城镇建筑信息空间规划与表达；3）基于BIM的城镇建筑基本天然采光评估；4）太阳辐射空间曲面模拟预测模型的构建；5）基于BIM的太阳辐射时空分布定量评估；6）基于BIM的建筑表皮响应设计策略。优点：1）提出基于高分遥感影像的数字地表模型分区、分尺度构建与优化方法；2）有效解决建成区已有建筑和规划建筑中的太阳辐射定量估算问题；3）科学指导城镇微观尺度生态环境要素的模拟与仿真；4）为城镇区域太阳辐射能的利用开发提供理论基础和技术支撑；5）拓展城镇微观尺度生态环境多学科交叉融合的理论基础和技术方法。

【技术实现步骤摘要】
基于BIM的地表建筑太阳辐射估算方法
本专利技术是一种基于BIM的地表建筑太阳辐射估算方法，属于环境监测与保护

技术介绍
在新型城镇化建设战略进程的推进下，城镇化与生态环境的时空耦合问题日益得到社会各界的重视和关注。城镇化和生态环境之间存在着极其复杂的相互作用、交互耦合和相互依赖关系。从城镇化对生态环境的胁迫作用层面出发，城镇人口集聚、城镇空间扩张、经济规模增加、社会经济急速上升等均对生态环境产生影响和压力，造成生态服务功能下降；同时，随着社会科技进步、产业结构调整、人口城镇化发展质量提升、价值观念转变、生活方式改善等第三地理本性的完善，将在一定程度上促进生态环境保护政策与措施的实施。从生态环境对城镇化的限制和约束作用层面出发，生态环境是城镇化发展的根基，其水资源、土地资源、气候资源、生物资源、能源资源、矿产资源等存在着有一定的承载能力，甚至个别资源的过度开发和利用具有不可逆性的特点，势必造成大气污染、水环境恶化、土壤质量退化、生态系统退化等环境问题。故生态环境通过反馈作用对后续城镇化发展产生限制和约束作用。城镇是人类在改造和适应自然环境过程中所建立起的“自然-经济-社会”的复合生态系统。城镇扩张是城市格局在空间尺度上的蔓延，是人类社会经济活动最聚集、土地利用开发强度最高的空间地表区域，是城镇化过程中土地利用/覆被变化最为直观的表现形式。据中国土地利用/覆被遥感调查与监测结果可知，1980-2015年中国城乡建设用地面积增加了约8.0×104km2，尤其是在2000年以后，中国建成区面积增加了5.22×104km2，建设强度和速度呈现快速递增的趋势。从宏观尺度上，城市空间不断的扩张与重构导致了诸多的生态环境问题，如生态绿地破坏、热岛效应、环境污染等，给城市规划与管理带来多重挑战。从微观尺度上，长期粗放式的土地利用造成城镇内部微环境发生了显著变化，如风、热、光、声和污染物等微环境日益恶化，严重影响了城镇人居环境的提升。因此，不同时空尺度下城镇环境质量保护与建设研究是实现城镇可持续发展的理论基础和技术保障，对于提升中国生态文明建设有着至关重要作用。城镇环境是人类活动改变生态环境的重要体现，是城镇居民赖以生存的物质基础、城镇社会可持续发展的客观基础，是区域生态环境的重要组成部分。目前，城镇生态环境在不同的时空范围内呈现出一系列的问题，如水体污染、噪声污染、光污染、固体废弃物污染、土壤污染和基础设施缺乏等，所引起的社会问题层出不穷，在宏观尺度和微观尺度上“城市病”现象日益突出。同时，城镇建成区和大型建筑工程与设施微观环境所涉及的内容包含风环境、污染物环境、热环境、光环境、声环境等，上述这些不同的微观生态要素在区域宏观地理环境、地质环境和生态环境的基础上能够得到切实、有效的提升和改善，对于区域城镇规划、大型基础设施与工程建设、新城建设和旧城改造改建有着重要的意义。因此，从微观尺度上来定量地评估城镇生态环境要素及其生态环境效应是解决城镇化与生态环境协调发展、改善城镇适宜度和提升人居环境质量的有效途径和技术手段。太阳辐射是地球生态系统物理过程和生物过程的能量源泉和基本动力，也是城市生态系统保护与重建所考虑的重要因素之一。在开展城镇化建设过程中，绿地景观格局与系统、建筑区规划布局、单体建筑设计和建筑表皮与细部构造等的局部设计均需要考虑与太阳辐射的相互作用，以提升对太阳辐射能的利用和开发强度。在旧城老建改造、大型基础设施与工程（如太阳能发电站、太阳能化工基地等）中也需考虑上述问题。同时，随着时间和空间的变化，太阳辐射对上述要素作用的持续时间和作用强度也会随之发生改变。另外，除考虑上述因素外，居民生理、心理和行为的健康需求也不能被忽视，这也是新时期新型城镇化建设“以人为本”理念的基本要求。因此，太阳辐射的定量模拟与估算是城镇规划与建设所需解决的重要问题之一。随着空间信息技术的发展，建筑信息模型（BuildingInformationModeling，BIM）应运而生，尤其是在大数据、“互联网+”和分布式计算等技术的推动下，其应用也逐步从传统的建设项目设计、实施、运行和维护向城镇规划、环境评估、生态建筑和智慧城市等方面转变。建筑信息化技术朝着数字化、网络化、智能化的轨道发展，更加具备了学习提升和产生知识的能力，为城镇微尺度生态环境及其生态因子时空模型提供了强大的理论支撑和技术手段。上世纪90年代以来，“生态城市”、“绿色城市”的提出，微观尺度城镇生态环境规划与建设日益得到人们的认可，良好的城镇适宜度和居住环境舒适度已成为城镇居民的追求。为有效地解决城镇生态环境要素在微观尺度上的评估与模拟，BIM技术、生态学、地理学等学科日益融合，不同生态环境因素（如太阳辐射、降水量、等）的定量模拟与科学评估成为当前城镇生态信息模型研究的热点问题。
技术实现思路
本专利技术提出的是一种基于BIM的地表建筑太阳辐射估算方法，其目的是开展建筑太阳辐射量的定量评估方法的研究，充分结合BIM模型、数字地表模型和太阳辐射估算模型，依托大比例数字高程模型数据，构建城镇建成区建筑空间信息模型和规划建设区建筑空间设计模型，继而根据建筑信息模型空间位置与空间特征，构建太阳辐射空间曲面模拟预测模型，结合数字地表分析方法（如坡度坡向分析、视域分析等），实现地表建筑太阳辐射的定量估算，解决已有建筑改造和新建建筑规划中太阳辐射定量估算的问题，以有效地指导城镇微观尺度生态环境要素的模拟与仿真，为城镇区域太阳辐射能的利用与开发提供科学的理论基础和技术支撑。本专利技术的技术解决方案：基于BIM的地表建筑太阳辐射估算方法，包括如下步骤：（1）多尺度精细地表曲面模型构建与优化；（2）基于BIM的城镇建筑信息空间规划与表达；（3）基于BIM的城镇建筑基本天然采光评估；（4）太阳辐射空间曲面模拟预测模型的构建；（5）基于BIM的太阳辐射时空分布定量评估；（6）基于BIM的建筑表皮响应设计策略。本专利技术的有益效果：1）提出一种完整、科学、有效地基于BIM的地表建筑太阳辐射估算方法，在空间信息技术的支持下，以城镇建成区改造建筑或规划区建筑为研究对象，以保障建筑采光和提高居民舒适度为目标，构建数字地表模型和建筑信息模型，完成建筑信息的精细表达与规划，进而结合太阳辐射估算模型和目标区域太阳辐射时空分布特征，构建太阳辐射空间曲面模型，开展地表建筑及其附属绿地景观太阳辐射的定量评估，最终针对太阳辐射的时空差异特征，提出建筑表皮设计的响应策略和措施。2）进一步拓展了空间信息技术在地表建筑微观生态环境模拟与评估中的应用，丰富了地理学、生态学、大气学和建筑学等多学科在城镇微观生态环境研究中交叉融合的理论与方法。附图说明附图1是基于BIM的地表建筑太阳辐射估算的基本步骤与技术思路。附图2是站心坐标系中建筑室内太阳直接辐射范围分析。附图3是站心坐标系中室内的采光分析。附图4是站心坐标系中太阳的运行轨迹。图中101、102、103、104、105、106为步骤。具体实施方式基于BIM的地表建筑太阳辐射估算方法，包括如下步骤：（1）多尺度精细地表曲面模型构建与优化；（2）基于BIM的城镇建筑信息空间规划与表达；（3）基于BIM的城镇建筑基本天然采光评估；（4）太阳辐射空间曲面模拟预测模型的构建；（5本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于BIM的地表建筑太阳辐射估算方法，其特征在于包括如下步骤：（1）多尺度精细地表曲面模型构建与优化；（2）基于BIM的城镇建筑信息空间规划与表达；（3）基于BIM的城镇建筑基本天然采光评估；（4）太阳辐射空间曲面模拟预测模型的构建；（5）基于BIM的太阳辐射时空分布定量评估；（6）基于BIM的建筑表皮响应设计策略。

【技术特征摘要】
1.基于BIM的地表建筑太阳辐射估算方法，其特征在于包括如下步骤：（1）多尺度精细地表曲面模型构建与优化；（2）基于BIM的城镇建筑信息空间规划与表达；（3）基于BIM的城镇建筑基本天然采光评估；（4）太阳辐射空间曲面模拟预测模型的构建；（5）基于BIM的太阳辐射时空分布定量评估；（6）基于BIM的建筑表皮响应设计策略。2.根据权利要求1所述多尺度精细地表曲面模型构建与优化，其特征在于：所述步骤（1）多尺度精细地表曲面模型构建与优化：以建筑物空间分布的矢量界线为限制边界EOD，依据建筑特征点和重要拐点的高程信息与工作区数字高程模型数据，采用薄板样条算法对除建筑物以外的数字高程模型数据进行空间插值和数据优化，同时利用BIM模型构建建筑空间模型，对非建筑区数字地表模型和建筑区BIM模型进行分区、分块管理，实现多尺度精细地表曲面模型的构建与优化。3.根据权利要求1所述基于BIM的城镇建筑信息空间规划与表达，其特征在于：所述步骤（2）基于BIM的城镇建筑信息空间规划与表达：在VisualStudio平台基础上通过搭建ArcGISEngine、BIMAPI运行环境，构建地理实体与BIM模型中图组、图元等建筑要素信息之间的数据关联，且采用IndustryFoundationClasses标准格式，通过调用语义特征所对应的空间属性信息和BIMAPI控件，实现在特定地理框架下BIM模型的多尺度、多层次管理和空间分析。4.根据权利要求1所述基于BIM的城镇建筑基本天然采光评估，其特征在于：所述步骤（3）基于BIM的城镇建筑基本天然采光评估：针对独栋建筑和建筑群的顶部采光和侧面采光，计算目标建筑与周围建筑间的最大遮挡角度，计算目标建筑室内不同季节的采光空间范围，确定目标建筑内部太阳直射的最大覆盖空间范围，计算建筑物内部所获取的太阳辐射能量总和。5.根据权利要求1所述太阳辐射空间曲面模拟预测模型的构建，其特征在于：所述步骤（4）太阳辐射空间曲面模拟预测模型的构建：以地物目标为原点，以过该原点的法线和切线为坐标起算位置，构建站心坐标系，分析太阳在一年内的运行轨迹根据日地距离、太阳天顶角和方位角的时空变化规律，构建以站心坐标原点为中心的太阳辐射半球曲面模型，继而转换成IAG75椭球体上不同空间位置的太阳辐射空间曲面。6.根据权利要求1所述基于BIM的太阳辐射时空分布定量评估，其特征在于：所述步骤（5）基于BIM的太阳辐射时空分布定量评估：分别从太阳直接辐射和太阳散射辐射出发，结合太阳高度角和方位角，构建太阳直接辐射和太阳散射模辐射型，同时进一步修正模型中所使用的日地距离，从而提高地表空间范围上任何建筑物和建筑附属景观太阳辐射量估算的精度。7.根据权利要求1所述基于BIM的建筑表皮响应设计策略，其特征在于：所述步骤（6）基于BIM的建筑表皮响应设计策略：从太阳辐射空间分布特征出发，开展基于BIM的建筑表皮响应设计策略，关注建筑内外能量循环与平衡、减少建筑表皮空间配置对环境的干扰、提高人类的舒适度、改善和优化生态环境结构与功能。8.根据权利要求2所述基于BIM的建筑表皮响应设计策略，其特征在于：所述步骤（1）多尺度精细地表曲面模型构建与优化具体为：在构建城镇建成区或规划建设区的数字地表模型时，结合工作区高分遥感影像或无人机影像上不同地物的光谱特征、形状特征、纹理特征和空间位置特征信息，确定地理对象分割的异质度因子和最合适分割尺度，建立不同地物目标的判别规则，进而利用多尺度分割算法对遥感影像数据进行图像分割，提取城镇建设区建筑的空间分布信息，同时基于Douglas-Peucker算法提取建筑物特征点和重要拐点信息；以工作区大...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨强，郑加柱，陈动，陈红华，何立恒，陈健，何龙江，周权平，姜月华，张洁，蔡逸涛，刘林，
申请(专利权)人：南京林业大学，中国地质调查局南京地质调查中心，
类型：发明
国别省市：江苏,32