用现场实测数据的建筑平均高度计算与地貌类别判定方法

摘要

本发明涉及了用现场实测数据的建筑平均高度计算与地貌类别判定方法。方法包括利用航空遥感测绘获得待评估区域内所有建筑的高度和建筑轮廓点坐标，对建筑平面进行四边形正则化切分处理以获得初始面域，将待评估区域进行网格划分成网格单元，并将初始面域对应的高度赋值给网格单元的高度，在待评估区域内部取扇形的风向影响区域，利用风向影响区域内的网格单元的高度获得建筑平均高度，通过建筑平均高度获得待评估区域的地面粗糙度类别。本发明提出定量判断地貌粗糙度类别的方法，该方法适用于建筑高度不均、场地类别各异的现场场地的地貌粗糙度判断，弥补了荷载规范中对地貌粗糙度类别采用定性方法描述导致难以判断的不足。

说明书

技术领域

本发明属于风工程领域的地貌类别判定方法，尤其是涉及了一种用现场实测数据的建筑平均高度计算与地貌类别判定方法。

背景技术

建筑结构的风荷载取决于多种因素，其中地貌粗糙度类型起着很重要的作用。在《建筑结构荷载规范》GB 50009-2012上将地面粗糙度分为A、B、C、D四类，分类的适用对象分别为：A类(近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区)、B类(田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇)、C类(有密集建筑群的城市市区)、D类(有密集建筑群且房屋较高的城市市区)，从而可据此进行结构抗风分析。但由于采用了定性的文字描述，因此在确定地貌粗糙度类别时，容易出现模棱两可情况，缺乏定量的判断方法。同时《建筑结构荷载规范》GB50009-2012附录中还提出了地貌粗糙度与平均高度的近似关系，在迎风半圆2km范围内建筑物的平均高度小于9m为B类，当平均高度大于9m但小于18m是C类，大于18m为D类。同样该表达由于无法准确去计算平均高度而导致无法判定，同时不同风向容易存在不同的地貌特征。

对于地面粗糙度系数，以往的研究通常都是基于均匀布置的房屋，对于当前复杂建筑环境的适用性有一定的局限。现有技术中，美国ASCE规范采用形态测量法对地貌类别进行研究，尽管这是国际上最受广泛认可的方法，但该方法是基于均匀布置房屋的结果。

但是实际情况中的房屋分布情况错综复杂，一般有超高层、高层、平房、绿地和水系等，以上的形态测量法就不再适用。即目前国内外城市和乡村的地貌情况复杂，通常为多种地貌和多种建筑类别的组合，导致地貌类别较难判断。现有技术缺少一种新的定量判断地貌粗糙度类别的方法，用于判断现场场地地貌情况，如建筑高度何场地类别复杂变化的情况。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种用现场实测数据的建筑平均高度计算与地貌类别判定方法，为基于遥感技术结合城市地图计算建筑物平均高度的方法，该方法适用于建筑高度不均、场地类别各异的现场场地的地貌粗糙度判断，弥补了荷载规范中对地貌粗糙度类别采用定性方法描述导致难以判断的不足。

本发明采用的技术方案是：

用现场实测数据的建筑平均高度计算与地貌类别判定方法，包括以下步骤：

步骤1：首先利用航空遥感测绘获得待评估区域内所有建筑的基本信息，然后通过每个建筑的基本信息获得该建筑的建筑平面，将建筑平面进行四边形正则化切分处理以得到每个建筑的初始面域，并确定每个初始面域对应的建筑高度；

步骤2：根据预设的网格单元的尺寸将待评估区域进行网格划分，以形成若干个网格单元，每个网格单元对应一个高度，将每个初始面域对应的高度赋值给位于该初始面域内部的网格单位对应的高度，初始面域之外的网格单元对应的高度为零；

步骤3：对网格单位的高度进行修正：将初始面域以自身高度为延伸距离在初始面域上向外延伸以形成新的面域并作为模拟面域，每个模拟面域对应的高度为未向外延伸之前的初始面域对应的高度，然后利用每个模拟面域对应的高度对各个网格单位对应的高度进行重新赋值；

步骤4：以预设的圆心角在待评估区域内取任意位置的扇形作为风向影响区域，所述的风向影响区域的顶点和半径分别为待评估区域的圆心和半径，风向影响区域的风向与风向影响区域圆弧的外切线垂直，取风向影响区域内的网格单位高度的平均值作为该风向影响区域对应风向下的建筑平均高度；

步骤5：重复多次步骤4，获得不同风向下的建筑平均高度，基于所有风向下建筑平均高度的最小值判定待评估区域的地面粗糙度类别，地面粗糙度类别为A类地面粗糙度类别、B类地面粗糙度类别、C类地面粗糙度类别或D类地面粗糙度类别，并利用不同的地面粗糙度类别计算建筑的风荷载，进而实现风荷载的定量计算；

地面粗糙度类别根据待评估区域的建筑密集程度和建筑高度来判定，D类地面粗糙度类别表征了待评估区域的建筑分布较密集且建筑高度较高，A类地面粗糙度类别表征了待评估区域的建筑分布较为稀疏且建筑高度较低。

所述的步骤1具体为：首先利用航空遥感测绘拍摄出待评估区域的卫星遥感图，同时通过航空遥感测绘获取待评估区域范围内所有建筑的基本信息，每个建筑的基本信息包括建筑高度和建筑外轮廓线上若干个轮廓点的水平坐标，利用轮廓点的水平坐标定位在待评估区域内的每个建筑的位置，由建筑的所有轮廓点围成该建筑的建筑平面，然后对每个建筑平面进行四边形正则化切分处理以得到每个建筑的初始面域，每个初始面域对应一个高度，将每个建筑的建筑高度赋值给该建筑的初始面域对应的高度；

取各个初始面域的顶点作为数据点绘制出待评估区域的热点图，将卫星遥感图和热点图进行对比，复查初始面域的准确性：

若热点图上各个数据点的位置和卫星遥感图相匹配，则初始面域准确，利用初始面域进行下一步处理；

若热点图上各个数据点的位置和卫星遥感图不匹配，则初始面域不准确，自步骤1重新利用航空遥感测绘进行下一次建筑基础信息的获取。

所述步骤1中的四边形正则化切分处理具体为：首先将建筑的建筑平面切分成若干个平面单元，然后用每个平面单元的最小外接矩形替代原有的平面单元，将形成的新的矩形的各个平面单元的并集作为该建筑在建筑平面上的初始面域；

所述的平面单元选自矩形、三角形、圆和其他规则形状。

所述的步骤3中，利用每个模拟面域对应的高度对各个网格单位对应的高度进行重新赋值的具体操作为：

若不同高度的模拟面域未出现相重叠的情况时，将每个模拟面域的高度赋值给位于该模拟面域内部的网格单位对应的高度；

若不同高度的模拟面域出现相重叠的情况时，重叠区域内的网格单元对应的高度为被重叠的若干个模拟面域对应的高度最大值。

所述的步骤5中，基于所有风向下建筑平均高度的最小值判断定待评估区域的地面粗糙度类别，具体判断方法为：

当建筑平均高度的最小值为9m～18m时，则待评估区域的地面粗糙度类别判断为C类地面粗糙度类别；

若建筑平均高度的最小值小于9m时，则待评估区域的地面粗糙度类别判断为A类地面粗糙度类别或B类地面粗糙度类别；且在建筑平均高度的最小值小于9m的情况下：

当待评估区域为河面、海面、湖面、沙漠时，待评估区域的地面粗糙度类别判断为A类地面粗糙度类别；

否则，均判断为B类地面粗糙度类别。

所述待评估区域的半径为待评估区域内最大建筑高度的20倍和2km之间的较大值。

所述的风向影响区域的中心角为180°、30°或45°。

所述的建筑为建筑物、构筑物或山体。

本发明的有益效果为：

1、本发明提出了一种新的定量判断地貌粗糙度类别的方法，用于判断现场场地地貌情况，如建筑高度何场地类别复杂变化的情况，弥补了荷载规范中对地貌粗糙度类别采用定性方法描述导致难以判断的不足。

2、本发明适用于建筑高度不均、场地类别各异的现场场地的地貌粗糙度判断，方法简单，便于操作。

附图说明

图1是本方法的流程图。

图2是依照处理完的数据所生成的建筑位置热点图。

图3是数据规则化示意图。

图4是面域重叠取值示意图。

图5是典型面域重叠覆盖情况示意图

图6是某典型项目在常用风向角下的平均高度计算结果，对照取值均为C类地貌。

具体实施方式

为了更清楚的说明本发明实施的技术方案，下面将对实施例的附图作简单的介绍。

一种用现场实测数据的建筑平均高度计算与地貌类别判定方，包括以下步骤，如图1所示：

步骤1：首先利用航空遥感测绘获得待评估区域内所有建筑的基本信息，然后通过每个建筑的基本信息获得该建筑的建筑平面，将建筑平面进行四边形正则化切分处理以得到每个建筑的初始面域，并确定每个初始面域对应的建筑高度；

步骤2：根据预设的网格单元的尺寸将待评估区域进行网格划分，以形成若干个网格单元，获取待评估区域中心点的水平坐标，将初始面域四个角点的水平坐标减去中心点的水平坐标，进行归一化处理使得角点由世界坐标系改为相对坐标系，经过归一化处理后角点的水平坐标数值大小较处理前更小，方便后期计算，每个网格单元对应一个高度，将每个初始面域对应的高度赋值给位于该初始面域内部的网格单位对应的高度，初始面域之外的网格单元对应的高度为零；

步骤3：基于高度影响原则对网格单位的高度进行修正，高度影响原则为建筑高度会对地貌类别的判断产生影响：将初始面域以自身高度为延伸距离在初始面域上向外延伸以形成新的面域并作为模拟面域，初始面域的延伸方式如图4所示，每个模拟面域对应的高度为未向外延伸之前的初始面域对应的高度，然后利用每个模拟面域对应的高度对各个网格单位对应的高度进行重新赋值；

步骤4：以预设的圆心角在待评估区域内取任意位置的扇形作为风向影响区域，风向影响区域的顶点和半径分别为待评估区域的圆心和半径，风向影响区域的风向与风向影响区域圆弧的外切线垂直，取风向影响区域内的网格单位高度的平均值作为该风向影响区域对应风向下的建筑平均高度，如图6所示；

步骤5：重复多次步骤4，获得不同风向下的建筑平均高度，基于所有风向下建筑平均高度的最小值判定待评估区域的地面粗糙度类别，地面粗糙度类别为A类地面粗糙度类别、B类地面粗糙度类别、C类地面粗糙度类别或D类地面粗糙度类别，并利用不同的地面粗糙度类别计算建筑的风荷载，进而实现风荷载的定量计算；

地面粗糙度类别根据待评估区域的建筑密集程度和建筑高度来判定，D类地面粗糙度类别表征了待评估区域的建筑分布较密集且建筑高度较高，A类地面粗糙度类别表征了待评估区域的建筑分布较为稀疏且建筑高度较低。

步骤1具体为：首先利用航空遥感测绘拍摄出待评估区域的卫星遥感图，同时通过航空遥感测绘结合全站仪、水准仪、卷尺等测量工具获取待评估区域范围内所有建筑的基本信息，每个建筑的基本信息包括建筑高度和建筑外轮廓线上若干个轮廓点的水平坐标，利用轮廓点的水平坐标定位在待评估区域内的每个建筑的位置，由建筑的所有轮廓点围成该建筑的建筑平面，然后对每个建筑平面进行四边形正则化切分处理以得到每个建筑的初始面域，如图3所示，每个初始面域对应一个高度，将每个建筑的建筑高度赋值给该建筑的初始面域对应的高度；

取各个初始面域的顶点作为数据点绘制出待评估区域的热点图，如图2所示，热点图由若干个已知水平坐标的数据点组成，将卫星遥感图和热点图进行对比，复查热点图中各个数据点的准确性、初始面域的准确性，以确保四边形正则化处理后数据点的可用性：

若热点图上各个数据点的位置和卫星遥感图相匹配，则初始面域准确，利用初始面域进行下一步处理；

若热点图上各个数据点的位置和卫星遥感图不匹配，则初始面域不准确，自步骤1重新利用航空遥感测绘进行下一次建筑基础信息的获取；

步骤1中的四边形正则化切分处理具体为：首先将建筑的建筑平面切分成若干个平面单元，然后用每个平面单元的最小外接矩形替代原有的平面单元，将形成的新的矩形的各个平面单元的并集作为该建筑在建筑平面上的初始面域；

平面单元选自矩形、三角形、圆和其他规则形状。

四边形正则化切分处理使得建筑在建筑平面上被划分成若干个规则的矩形，对原先建筑平面外轮廓线上的轮廓点进行了适当的增减，以便于后续程序化读取和使用。四边形正则化切分处理的建筑平面与实际建筑平面相比，四边形正则化切分处理后的建筑平面面积与实际建筑面积的差异不大于实际建筑面积的四分之一，以减少因四边形正则化切分处理对建筑面积大小造成的影响。

步骤3中，利用每个模拟面域对应的高度对各个网格单位对应的高度进行重新赋值的具体操作为：

若不同高度的模拟面域未出现相重叠的情况时，将每个模拟面域的高度赋值给位于该模拟面域内部的网格单位对应的高度；

若不同高度的模拟面域出现相重叠的情况时，重叠区域内的网格单元对应的高度为被重叠的若干个模拟面域对应的高度最大值，如图5所示；

步骤5中，基于所有风向下建筑平均高度的最小值判断定待评估区域的地面粗糙度类别，具体判断方法为：

当建筑平均高度的最小值为9m～18m时，则待评估区域的地面粗糙度类别判断为C类地面粗糙度类别；

若建筑平均高度的最小值小于9m时，则待评估区域的地面粗糙度类别判断为A类地面粗糙度类别或B类地面粗糙度类别；且在建筑平均高度的最小值小于9m的情况下：

当待评估区域为河面、海面、湖面、沙漠等地貌时，待评估区域的地面粗糙度类别判断为A类地面粗糙度类别；

否则，均判断为B类地面粗糙度类别，如图6所示。

待评估区域的半径为待评估区域内最大建筑高度的20倍和2km之间的较大值。

风向影响区域的中心角为180°、30°或45°等。

建筑为建筑物、构筑物或山体，在待评估区域内的建筑物、构筑物和山体等都可以利用该方法计算建筑平均高度。

预设的网格单元的尺寸大小为5m*5m，网格单元尺寸越小，获得的建筑平均高度越精确，因此网格单元尺寸的不应超过10m*10m。

上述具体实施方式用来说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求保护范围内，对本发明作出的任何修改和变更，都落入本发明的保护范围。