本发明专利技术公开了一种城市尺度下树木花粉浓度预测方法及装置，包括下述步骤：采集目标城市的数据，模拟建立不均匀风场数据库；对目标城市的全部树木进行离散化，得到花粉扩散源列表，从不均匀风场数据库中获取每个花粉扩散源的风速矢量；根据高斯烟羽模型，得到每一个花粉扩散源对每一个空间点位的花粉浓度贡献值；对目标城市区域进行三维空间离散化，得到花粉接收点列表；叠加计算每一个花粉扩散源对每一个花粉接收点所处空间点位的花粉浓度贡献值，得到目标城市的三维空间花粉浓度分布。本发明专利技术用于具有复杂建成环境的城市对象的树木花粉浓度预测，可以考虑城市复杂建成环境下不均匀风场和建筑群遮挡效应对于树木花粉扩散的影响。响。响。
【技术实现步骤摘要】
一种城市尺度下树木花粉浓度预测方法及装置
[0001]本专利技术涉及花粉浓度分析
，特别涉及一种城市尺度下树木花粉浓度预测方法及装置。
技术介绍
[0002]一般而言，城市花粉主要来源有树木花粉和草花粉。对于大多数城市而言，树木花粉的浓度和危险性要远远高于草花粉。因此，构建城市树木花粉浓度分布的预测方法，对于城市绿化方案的合理规划和设计具备指导意义。
[0003]然而，既有城市树木花粉浓度预测方法多局限于经验模型或机器学习方法，一方面依赖历史统计数据，不具有通用性；另一方面仅能给出城市日均花粉浓度总体水平的估计值，无法给出城市空间内不同区域的高分辨率预测结果。
[0004]高斯烟羽模型（Gaussian plume model）常用来模拟污染物的扩散过程，不依赖历史统计数据，因此可以用于实现城市尺度树木花粉浓度分布的高分辨率预测。然而，传统高斯烟羽模型难以应用于具有复杂建成环境的城市对象。一方面，城市复杂建成环境会生成不均匀风场，从而影响树木花粉扩散过程；另一方面，复杂的建筑群分布会对部分花粉的传播造成遮挡效应，影响区域内花粉浓度的整体分布特征。传统高斯烟羽模型无法有效考虑上述复杂影响。综上，目前并没有适用于城市复杂建成环境的、对于不同城市区域具有通用性的城市尺度树木花粉浓度分布的科学预测方法
技术实现思路
[0005]本申请旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一，本专利技术实施例提供了一种城市尺度下树木花粉浓度预测方法及装置，技术方案如下：一种城市尺度下树木花粉浓度预测方法，包括下述步骤：采集目标城市的建筑数据和树木数据，模拟建立目标气象条件下所述目标城市的不均匀风场数据库；对所述目标城市的全部树木进行离散化，得到每一棵树木的花粉扩散源列表，从所述不均匀风场数据库中获取所述花粉扩散源列表中每个花粉扩散源的风速矢量；根据高斯烟羽模型，得到每一个花粉扩散源对每一个空间点位的花粉浓度贡献值；对所述目标城市的区域进行三维空间离散化，得到花粉接收点列表；分别叠加计算每一个花粉扩散源对所述花粉接收点列表中的每一个花粉接收点所处空间点位的花粉浓度贡献值，得到目标城市的三维空间花粉浓度分布。
[0006]优选的，所述采集目标城市的建筑数据和树木数据，模拟建立目标气象条件下所述目标城市的不均匀风场数据库包括：S101、获取目标城市的建筑数据和树木数据，其中，所述建筑数据包括建筑底面多边形每个角点的坐标数据和建筑高度数据，所述树木数据包括树木高度、树冠深度、树冠宽
度和树种信息；S102、根据所述建筑数据和所述树木数据建立所述目标城市的计算流体力学模型；S103、在所述目标城市的计算流体力学模型中，模拟树木对于城市风场的影响得到修正后的计算流体力学模型；S104、通过所述修正后的计算流体力学模型，建立目标气象条件下的不均匀风场数据库，其中，所述不均匀风场数据库包括所述目标城市的空间点位在空间直角坐标系下的风速矢量。
[0007]优选的，所述S102的根据所述建筑数据和所述树木数据建立所述目标城市的计算流体力学模型包括：在所述目标城市建立空间直角坐标系，设置Z方向为竖直方向；所述S103在所述目标城市的计算流体力学模型中，模拟树木对于城市风场的影响得到修正后的计算流体力学模型包括：对于树木占据的流域空间的雷诺平均方程中的动量守恒方程添加修正项，根据公式（1）计算：
[0008]对于树木占据的流域空间的雷诺平均方程中的湍动能输运方程添加修正项，根据公式（2）计算修正项：
[0009]对于树木占据的流域空间的雷诺平均方程中的湍动能耗散率输运方程添加修正项，根据公式（3）计算修正项：
[0010]其中，是风速向量在方向的分量；是机械阻力系数；LAD表示树木的叶面积密度；|U|是风速矢量的模；k为湍动能；为湍动能耗散率；为与修正项相关的常数，取值为1.50；为与修正项相关的常数，取值为1.50；为与修正项和修正项相关的常数，取值为1.00；为与修正项和修正项相关的常数，取值为4.00。
[0011]优选的，所述对所述目标城市的全部树木进行离散化，得到每一棵树木的花粉扩散源列表，从所述不均匀风场数据库中获取所述花粉扩散源列表中每个花粉扩散源的风速矢量包括：S201、根据树种信息对所述目标城市的全部树木的树冠进行三维形状简化，简化为三维几何体；S202、将所述三维几何体的质心作为花粉扩散源，得到花粉扩散源列表；
S203、根据所述不均匀风场数据库筛选出与当前选定花粉扩散源距离最近的空间点位，将所述空间点位的风速矢量作为当前选定花粉扩散源的风速矢量。
[0012]优选的，所述S201的根据树种信息对所述目标城市的全部树木的树冠进行三维形状简化包括：在每一树冠的高度方向上，以一定距离分别对每一个树冠的三维形状进行三维形状离散化，所述三维形状离散化的结果为圆锥或圆台；其中，所述一定距离取值为0.1m，所述树冠的三维形状包括：圆锥和双锥体。
[0013]优选的，所述根据高斯烟羽模型，得到每一个花粉扩散源对每一个空间点位的花粉浓度贡献值包括：S301、对每一个花粉扩散源与选定空间点位的空间关系进行是否存在建筑遮挡效应的判断；S302、根据建筑遮挡效应的判断结果和树木是否释放敏感性花粉的情况对高斯烟羽模型进行修正；S303、根据所述修正后的高斯烟羽模型计算每一个花粉扩散源对每一个空间点位的花粉浓度贡献值。
[0014]优选的，所述S301的对每一个花粉扩散源与选定空间点位的空间关系进行是否存在建筑遮挡效应的判断：对每一个花粉扩散源和所述目标城市的全部空间点位进行连线；当连线形成的线段与所述目标城市内的建筑群体外轮廓存在相交时，确定所述线段一端的花粉扩散源和所述线段另一端的空间点位存在建筑遮挡效应；当连线形成的线段与所述目标城市内的建筑群体外轮廓不存在相交时，确定所述线段一端的花粉扩散源和所述线段另一端的空间点位不存在建筑遮挡效应；所述S302的根据建筑遮挡效应的判断结果和树木是否释放敏感性花粉的情况对高斯烟羽模型进行修正包括：当树木会释放敏感性花粉且目标花粉扩散源与目标点位不存在建筑遮挡效应时，根据下述公式（4）对高斯烟羽模型进行修正：
[0015]其中，所述目标花粉扩散源为当前选定待分析的花粉扩散源，目标点位为当前选定待分析是否存在建筑遮挡效应的空间点位；当树木会释放敏感性花粉且目标花粉扩散源与目标点位存在建筑遮挡效应时，或，当树木不释放敏感性花粉时，根据下述公式（5）对高斯烟羽模型进行修正：
[0016]其中，为第棵树木的第个花粉扩散源对第个空间点位的花粉浓度贡献值；为第棵树木的第个花粉扩散源位置的高度；分别为第个空间点位在以第棵树木的第个花粉扩散源所在空间位置为点、羽流中线方向为X方向、竖直方向为Z
方向的空间直角坐标系下的三维空间坐标，羽流中线方向为所述目标花粉扩散源的风速矢量的方向；Q为花粉扩散源的花粉释放速率；U为花粉扩散源的风速矢量的模；为高斯分布的标准差，是坐标和日照强度相关的函数。
[0017]优选的，所述对所述目标本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种城市尺度下树木花粉浓度预测方法，其特征在于，包括下述步骤：采集目标城市的建筑数据和树木数据，模拟建立目标气象条件下所述目标城市的不均匀风场数据库；对所述目标城市的全部树木进行离散化，得到每一棵树木的花粉扩散源列表，从所述不均匀风场数据库中获取所述花粉扩散源列表中每个花粉扩散源的风速矢量；根据高斯烟羽模型，得到每一个花粉扩散源对每一个空间点位的花粉浓度贡献值；对所述目标城市的区域进行三维空间离散化，得到花粉接收点列表；分别叠加计算每一个花粉扩散源对所述花粉接收点列表中的每一个花粉接收点所处空间点位的花粉浓度贡献值，得到目标城市的三维空间花粉浓度分布。2.根据权利要求1所述的城市尺度下树木花粉浓度预测方法，其特征在于，所述采集目标城市的建筑数据和树木数据，模拟建立目标气象条件下所述目标城市的不均匀风场数据库包括：S101、获取目标城市的建筑数据和树木数据，其中，所述建筑数据包括建筑底面多边形每个角点的坐标数据和建筑高度数据，所述树木数据包括树木高度、树冠深度、树冠宽度和树种信息；S102、根据所述建筑数据和所述树木数据建立所述目标城市的计算流体力学模型；S103、在所述目标城市的计算流体力学模型中，模拟树木对于城市风场的影响得到修正后的计算流体力学模型；S104、通过所述修正后的计算流体力学模型，建立目标气象条件下的不均匀风场数据库，其中，所述不均匀风场数据库包括所述目标城市的空间点位在空间直角坐标系下的风速矢量。3.根据权利要求2所述的城市尺度下树木花粉浓度预测方法，其特征在于，所述S102的根据所述建筑数据和所述树木数据建立所述目标城市的计算流体力学模型包括：在所述目标城市建立空间直角坐标系，设置Z方向为竖直方向；所述S103在所述目标城市的计算流体力学模型中，模拟树木对于城市风场的影响得到修正后的计算流体力学模型包括：对于树木占据的流域空间的雷诺平均方程中的动量守恒方程添加修正项，根据公式（1）计算：对于树木占据的流域空间的雷诺平均方程中的湍动能输运方程添加修正项，根据公式（2）计算修正项：对于树木占据的流域空间的雷诺平均方程中的湍动能耗散率输运方程添加修正项，根据公式（3）计算修正项：
其中，是风速向量在方向的分量；是机械阻力系数；LAD表示树木的叶面积密度；|U|是风速矢量的模；k为湍动能；为湍动能耗散率；为与修正项相关的常数，取值为1.50；为与修正项相关的常数，取值为1.50；为与修正项和修正项相关的常数，取值为1.00；为与修正项和修正项相关的常数，取值为4.00。4.根据权利要求1所述的城市尺度下树木花粉浓度预测方法，其特征在于，所述对所述目标城市的全部树木进行离散化，得到每一棵树木的花粉扩散源列表，从所述不均匀风场数据库中获取所述花粉扩散源列表中每个花粉扩散源的风速矢量包括：S201、根据树种信息对所述目标城市的全部树木的树冠进行三维形状简化，简化为三维几何体；S202、将所述三维几何体的质心作为花粉扩散源，得到花粉扩散源列表；S203、根据所述不均匀风场数据库筛选出与当前选定花粉扩散源距离最近的空间点位，将所述空间点位的风速矢量作为当前选定花粉扩散源的风速矢量。5.根据权利要求4所述的城市尺度下树木花粉浓度预测方法，其特征在于，所述S201的根据树种信息对所述目标城市的全部树木的树冠进行三维形状简化，简化为三维几何体，包括：在每一树冠的高度方向上，以一定距离分别对每一个树冠的三维形状进行三维形状离散化，三维形状离散化的结果为圆锥或圆台；其中，所述一定距离取值为0.1m，所述树冠的三维形状包括：圆锥和双锥体。6.根据权利要求1所述的城市尺度下树木花粉浓度预测方法，其特征在于，所述根据高斯烟羽模型，得到每一个花粉扩散源对每一个空间点位的花粉浓度贡献值包括：...
【专利技术属性】
技术研发人员：顾栋炼，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：
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