城市建筑群室外热环境数字图像分析

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1、城市建筑群室外热环境数字图像分析罗庆1李楠1姚润明2李百战11：重庆大学“三峡库区生态环境”教育部重点实验室；2：英国剑桥大学马丁建筑与城市研究中心摘要：本文针对国内城市化过程中出现的室外热环境问题，以城市建筑群室外热环境为研究对象，结合数字图像处理技术，分析了建筑群中不同区域空气温度、地面温度的分布情况，为城市建筑群室外热环境的前期规划工作提供参考。关键词：城市建筑群；室外热环境；数字图像；1前言室外环境包括自然界本身所具有的自然状态和人类利用各种自然资源创造的人工状态，由于室外环境强烈地受到人为活动的影响，室外环境与其他环境相比，具有明显的复杂性、整体性和

2、动态性等特点。所以说，室外环境是一个自然环境和社会环境密切联系、相互协调的复杂系统工程，是人为活动对自然环境干预最强烈、最集中的场所。城市建筑室外热环境是城市建筑室外环境研究的重要组成部分，它以建筑、地面、室外空气、植被等为研究对象，研究包括空气温度、空气湿度、下垫面温度、太阳辐射、气流速度等参数。随着中国城市化进程的加速，城市建筑室外热环境也在发生着重大的改变。在城市化过程中，城市下垫面性质的改变最为突出。城市中除少量绿化地带外，绝大部分为人工铺砌的道路、广场、建筑物等，这样城市地面的导热率和热容量都比郊区大，这种下垫面材料热物理性质的城郊差异，导致城市地面

3、的储热量显著高于郊区。城区下垫面不透水面积远比郊区大，降雨后雨水很快从排水管道流失，因此在城市中可供蒸腾的水分比郊区少，其获得的净辐射用于蒸发的潜热源比郊区少，所以用于城市地面和空气增温的热量比郊区多。城市中的建筑群构成的城市“街谷”中的壁体与壁体之间、壁体与地面之间，在太阳直射下，会产生多次的反射和吸收现象，在其他条件相同的情况下，能够比郊区获得更多的太阳辐射。同时，高层建筑和街道所构成的“城市峡谷”中的风速减小，也减少了向外界的散热。另外，在城市化过程中，促使许多城市以平面发展为主，向以平面扩展和立体发展并存的城市化方式转变，从而引发城市更高的建筑容积率，

4、使城市采集的热量不易扩散，加剧了城市室外热环境的恶化。此外，人口和产业在城市区域的高度聚积，人为生产、生活的能量释放不断加大。人为热的产生主要表现在三方面：①工矿企业的高耗能产热；②城市人体散发出来的热量；③高速增长的城市机动车数量和家电，如电视、冰箱等，增加了生活能耗，加速了城市空间人为热的释放。356针对城市建筑室外热环境问题，本文建立了建筑群室外热环境数学模型，并结合数字图像处理技术，分析了建筑群内不同区域空气温度和地面温度的分布情况。2数字图像在建筑热环境中的应用2.1数字图像数据存储方式数字图像分析是使用计算机对图像进行加工和处理的过程[1]。数字图

5、像有多种分析工具，本文采用了第四代计算机语言MATLAB。MATLAB中的数字图像是由一个或多个矩阵表示的。在MATLAB中，图像是按像素存储的，即矩阵的每个元素代表一个像素，例如一幅200行300列的图像，在MATLAB中存储为200×300大小的矩阵。2.2建筑群数字模型（BuildingsDigitalModel－BDM）本文的研究建立在建筑群数字模型基础上（BDM），它将城市建筑群的布局、高度、形状信息存储在矩阵之中，通过灰度图像的形式表达出来。图1是重庆地区某实体建筑群的数字模型，实体建筑群模型采用200×200的像素表达，每个像素代表的实际下垫面面

6、积为1×1m2，每个像素中用来储存相应的与热环境相关的信息。图中不同的灰色区域代表不同建筑高度，它形象地表达了建筑群的分布信息，如果要对建筑群中某个建筑进行调整，只需要对矩阵中的数值进行调整，这就大大简化了城市建筑群的分析过程。图2是实体建筑群对应数学矩阵的一部分。图1城市建筑群数字模型图2建筑群数字模型中对应矩阵的一部分2.3与建筑群室外热环境相关的信息处理建立了建筑群数字模型后，只是得到了建筑群的最基本的信息，在建筑群热环境规划过程中还需要知道不同建筑材料的热物理性质参数，包括密度、导热系数、比热等，并将它们以数字信息的形式储存在图像中（图3－图4），做成

7、各自的数据文件，作为建筑群室外热环境计算分析过程的相关信息，便于在数学模型中统一调用。356图3地面和屋顶不同材料的导热系数分布图4地面和屋顶不同材料的比热分布由于太阳辐射是建筑群室外热环境的主要影响因素，太阳直射分布，直接影响到建筑群室外热环境质量。针对建筑群数字模型，求解出每个时刻的建筑阴影。图5列出了2005年7月22日两个典型时刻的建筑阴影，当求解这些信息后，对应的太阳直射辐射能量分布也就清楚了，并将这些信息储存在图像中，对每个像素而言，就表现为得到直射和没有得到直射两种情况。在计算各个时刻热参数时，主程序就会调用已经储存在对应时刻的图像中的太阳直射数

8、字信息。12:0014:00图5建筑群