【《天空开阔度SVF计算方法及严寒地区城市广场特征分析综述》3800字】

天空开阔度SVF计算方法及严寒地区城市广场特征分析综述目录TOC\o"1-3"\h\u22274天空开阔度SVF计算方法及严寒地区城市广场特征分析 1240061.1SVF计算方法 113261.1.1SVF计算方法选择 198691.1.2SVF计算方法校正 4234511.2严寒地区城市广场现状与特征分析 443861.1.1严寒地区气候特征 4209691.1.2严寒地区城市广场基础调研 633761.1.3严寒地区城市广场现状分析 91.1SVF计算方法1.1.1SVF计算方法选择在城市气候研究中，SVF被广泛的当做一个关键参数，在过去几十年中，学者们对计算SVF的方式做了大量的研究，目前天空开阔度的计算方法有几何分析法、鱼眼拍摄实测法、全球定位系统（GPS）计算方法、三维建模分析法和使用街景地图的大数据处理法[59]。几何方法是根据从平面表面到周围建筑物顶部的角度计算SVF，这种方法是通过规则的街道峡谷的纵横比来估算SVF的。Oke[60]将街道抽象为两面无限长的街墙与地面限定的空间形态，SVF估算点位于地面中心点，根据街道峡谷的高宽比得出SVF（图2-1），表达式为：SVF=cosθ1+cosθ2其中，街道宽W，街墙高度为H，估算点至街墙高度的角度为θ。图2-1Oke对街道形态SVF算法的表达[60]Johnson和Watson[61]提出了墙视角因子的表达式，根据SVF估算点与街墙两端的方位角γ1和γ2以及仰角β提出了一定长度的街墙围合的街道中心线上的SVF表达式（图2-2）。它是用1减去街墙遮挡天空的视因子（ViewFacor，用VFwall表示）得到的值[62]，单侧街墙的视因子表达式为：VFwall=12πγ1设街墙的数量为n，这时的表达式为：SVF=1−i=1nVFwalli鱼眼拍摄法是使用鱼眼镜头，在需要估算SVF的测点处垂直向上拍摄二维照片，使该点处遮挡天空的建筑物、构筑物或绿化等遮蔽处的轮廓线显示在一张圆形照片上。后期将照片内天空的部分处理为白色图像，遮蔽物的部分处理为黑色图像，通过计算黑白图像的占比，得出测点处SVF。图2-2单一建筑物有限长度非对称峡谷SVF估计模型[61]Anderson[63]首次利用鱼眼照片计算SVF，并用于森林冠层阳光分布的研究，之后由Steyn[64]将其引入城市气候学研究，Steyn提出的等角投影法将照片划分为若干宽度相等的同心圆，然后统计每个环中未被阻塞的部分(ψsky)，表达式为：ψsky随着计算程序的发展，鱼眼拍摄法渐渐成为一种快捷方便的SVF计算方式，这种方式的优点在于能够真实地覆盖场地内遮蔽物的信息，计算精度非常高，且能够记录不同时间相同空间的SVF。但当要收集城市内大量SVF数据时，这种方式是相对繁琐、可行性较低的[34,65-67]。GPS计算法是基于多颗可见卫星的数据、精度因子（DOP）和卫星信号强度等多个回归方程式的运算得到估算点的SVF，这种方式对于在城市内估算SVF产生了显著影响，这种方式可以估算整个城市街道沿线的SVF。但由于植被多样性增加了图像复杂度，在农村的应用较差[59]。Chapman和Thornes[68]将鱼眼照片引入了GPS的运算方法之中，实现了SVF实时计算。三维建模分析法是通过软件仿真方法估算SVF，能够方便快捷的通过城市形态建模及几何分析技术快速分析区域内各处SVF，但在处理复杂的城市环境时，会在精度上受到一定的影响。目前有3Dskyview、ArcViewSVFextension、SOLWEIG、SkyHelios、SVFEngine等很多软件，极大的提升了SVF运算速度。为了配合大数据的应用，城市环境研究现在也使用街景图像估算SVF[69,70]。这种方法可以较为高速的模拟较大尺度环境内SVF，且数据源开放易于获得。这种方法不需要现场操作，但是通过这种方法计算出的SVF值会受到植被季节变化的影响，并且街景图像的高度有一定限制[59,69,71]。由于本研究是通过实地测试与理想模型的数值模拟相结合来分析天空开阔度对城市广场热环境的影响，需要对实测地点进行实景SVF计算和理想模型SVF计算，故分别选择鱼眼拍摄实测法和与三维建模分析法来计算实测广场与理想模型的SVF。采用索尼ILCE-7M3相机、永诺EF-EII转接头搭载佳能EF8-15MM鱼眼镜头，距地面1.5米处拍摄。鱼眼照片拍摄仪器见图2-3，拍摄的鱼眼照片通过RayMan计算SVF[72,73]。三维建模法则通过RayMan创建障碍物文件（ObstaclesFiles），由SkyHelios计算得出[74]。图2-3鱼眼照片拍摄仪器1.1.2SVF计算方法校正本研究中，为校准鱼眼照片估算的SVF与使用三维建模软件估算的理想模型SVF间的误差，本研究选取了哈尔滨市两处围合界面为建筑的广场进行鱼眼照片拍摄与模型建立，计算并比对了鱼眼照片SVF与三维模型SVF的差值（见表2-1），验证了居住建筑层高为3m时，每个测点的鱼眼照片SVF值与三维模型SVF值之间的误差均小于5%。后续建模将基于验证结果对理想模型进行校准，确保理想模型的有效性。表2-1SVF计算方法误差校正地点鱼眼照片SVF鱼眼RayManSkyHeliosSVF模型误差1观江国际0.2950.3364.1%2老会堂音乐厅0.5920.6263.4%1.2严寒地区城市广场现状与特征分析1.1.1严寒地区气候特征哈尔滨地处中国东北地区，位于东经125°42′~130°10′，北纬44°04′~46°40′，海拔180~200米。温带季风性气候，属中国热工分区中的严寒地区（图2-4），对建筑的保温防寒能力要求极高。哈尔滨四季分明，冬长夏短，春季与秋季均属过渡季节。春季回暖较快，降水较少，夏季炎热但短暂，降水量大，秋季凉爽，冷暖多变，昼夜温差大，冬季漫长寒冷，有时会出现暴雪天气。图2-4中国建筑热工区划图[75]图2-5显示了1981~2010年哈尔滨累年月平均气温（数据来自中国气象数据网，50953号哈尔滨气象站），气温变化非常明显。监测数据表明，哈尔滨在7月份达到月平均最高温度值27.8℃，在1月份达到月平均最低温度值-21.9℃，全年最高温与最低温温差约70℃。冬季的低温对室外热环境非常不利，也对人体热舒适产生很大影响。图2-51981~2010年哈尔滨累年月平均气温（数据来源：中国气象数据网）图2-6显示了1981~2010年哈尔滨累年月平均相对湿度，哈尔滨全年平均湿度约为64%，在8月达到相对湿度最大值78%，在4月达到相对湿度最低值48%。由于夏季降雨集中，相对湿度较大，7月和8月的降水量占全年降水量50.3%，冬季的降水以降雪形式为主，春季与秋季降雨较少，相对湿度较低。图2-61981~2010年哈尔滨累年月平均相对湿度（数据来源：中国气象数据网）哈尔滨市季风气候明显，图2-7显示了1981~2010年哈尔滨累年月平均风速，哈尔滨市全年平均风速1.9m/s，最高可达到3.7m/s，最低仅1.4m/s。受海陆气团等因素影响，全年盛行西南风，春季风速较大，冬季风速较小。图2-71981~2010年哈尔滨累年月平均风速（数据来源：中国气象数据网）1.1.2严寒地区城市广场基础调研本研究以哈尔滨城市广场为研究对象，目的是在控制广场空间形态的前提下，建立不同SVF范围内的城市广场模型，分析SVF对热环境的影响。为了建立符合哈尔滨城市广场特征的理想模型，本研究首先对哈尔滨城市广场进行了调研。本次调研筛选了哈尔滨市主城区内所有符合本次研究目标的城市广场，共计81个，统计结果见表2-2。表2-2哈尔滨市城市广场统计结果广场名称广场平面形态广场面积（m2）边长比索菲亚广场正方形100001.00凯旋城购物广场矩形40000.63红星广场矩形120000.83哈一百广场矩形60750.33群力南岸文化广场正方形100001.00绿之梦广场正方形12251.00阳光休闲广场正方形16001.00红博会展广场矩形600000.67哈尔滨市志愿者广场异型7000果园星城广场矩形42001.17哈尔滨开发区景观广场矩形60001.67省委广场矩形44001.75巴黎广场矩形130500.62南岗松雷广场异型1980天主堂前广场矩形36001.54吾悦广场异型4500凯德广场矩形88001.38江畔路广场矩形32002青年广场矩形70001.43防洪纪念塔广场异型10000人民广场矩形135000.60冰雪艺术广场矩形30550.72中华巴洛克广场矩形39600.51通江街轮渡售票处广场矩形27281.40霁红广场异型7200九站码头广场矩形22620.67老年人文娱健身广场矩形18360.71啤酒文化广场矩形19251.57哈尔滨新音乐厅广场正方形105600.87银泰城购物中心广场矩形53360.63上和置地广场矩形30001.2纪检委前广场正方形29161承德广场异型1862老会堂音乐厅广场矩形31501.56靖宇公园东南广场矩形40810.69景阳广场圆形4900青年宫前广场矩形33670.41红河新区广场矩形50631.36太平公园中心广场圆形1785太平大街广场矩形27900.73维也纳音乐广场矩形4481.75动力广场正方形17941.00哈平社区广场异型6600和兴辅路广场正方形8101.00松溪公园中心广场矩形48480.59丁香公园西南广场矩形96570.79丁香公园东南广场异型8190哈尔滨开发区景观广场矩形63001.29雨阳公园东北广场正方形16001.00颐养花园北广场正方形25001.00群力健康生态园广场矩形31080.57金河公园广场异型31500香格里拉亲水广场矩形154000.39火车头广场矩形42350.71运华广场矩形44200.61火车主题广场矩形209565.45远东广场正方形51841.00中兴大道万达广场正方形36001.00母亲广场异型6500丁香园广场正方形28561.00廉洁文化主题公园广场矩形50400.79劳动公园广场正方形54601.00松乐公园北广场异型3482三大动力路凯旋广场矩形38071.72少年宫广场矩形34401.08圣阿列克谢耶夫教堂广场矩形57000.63圣伊维尔教堂广场异型3500尚志公园北门广场正方形19361.00尚志公园西门广场矩形30001.20空中日月广场矩形105001.40阿拉伯广场正方形25001.00香埠商业广场矩形35000.35轩辕东路广场异型5400时代广场矩形82401.31香清园公园广场矩形73001.37人民健身广场矩形14003.50哈尔滨市图书馆前广场正方形49001.00西城红厂广场正方形49001.00泰海花园小区广场正方形100001.001.1.3严寒地区城市广场现状分析本研究将81个城市广场的数据统计分析后，得到哈尔滨城市广场现状如表2-3所示。表2-3(a)哈尔滨市城市广场平面形态统计表广场平面形状个数占比矩形4553.6%正方形1921.6%异型2023.8%表2-3(b)哈尔滨市城市广场面积统计表广场面积（m2）个数占比<100021.4%1000~40003339.3%4000~70002529.8%7000~100001517.8%>10000910.7%表2-3(c)哈尔滨市规则形态城市广场长宽比统计表广场平面两边比个数占比>1:2914.1%1:21523.4%2:32131.8%11929.7%根据统计结果，可以发现在严寒地区，城市广场的面积集中在1000m2~4000m2与4000m2~