本文選題：機載LiDAR　切入點：低碳城市　出處：《南京大學(xué)》2017年碩士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：城市作為一個巨大的人工生態(tài)系統(tǒng),為人類的聚居生活和生產(chǎn)活動提供了主要場所,在較長時間里社會、經(jīng)濟和環(huán)境因素均能保持一定動態(tài)平衡。然而,隨著城市化進程的日益加快,城市管理低效、環(huán)境污染嚴(yán)重、可用能源緊缺等問題正嚴(yán)峻挑戰(zhàn)著城市的和諧可持續(xù)發(fā)展。尤其是對大型城市,因人口數(shù)量巨大,需要消耗大量的資源和能源從事人類活動,其中城市電能消耗占總能源消耗比例較大。因此,為解決城市能源供給問題,促進城市低碳、綠色發(fā)展,應(yīng)加快轉(zhuǎn)變城市能源結(jié)構(gòu)體系,逐步用可再生能源替代傳統(tǒng)化石能源。城市發(fā)展逐漸由"攤大餅式"向"三維立體式"轉(zhuǎn)變,緊湊型城市的低碳、綠色、可持續(xù)發(fā)展應(yīng)在三維視角下進行研究,以促進自然環(huán)境系統(tǒng)與社會經(jīng)濟系統(tǒng)更加和諧。當(dāng)前,多平臺三維信息采集技術(shù)逐步發(fā)展,加速了城市三維空間信息數(shù)據(jù)的不斷積累,為城市三維研究提供了強有力的數(shù)據(jù)保障。其中,機載LiDAR作為一種新型主動式遙感測量技術(shù),已廣泛應(yīng)用于城市三維地理信息數(shù)據(jù)采集,該技術(shù)可以自動、連續(xù)、高效地采集地表三維點云,其數(shù)據(jù)具有組織結(jié)構(gòu)簡單、易被處理等特點。因此,在低碳城市、綠色城市和生態(tài)城市等建設(shè)背景下,需要探索機載LiDAR數(shù)據(jù)在城市可再生能源研究方面的潛力。建筑作為城市的主要景觀,其大面積的規(guī)整表面為接受太陽輻射提供了良好區(qū)域,在建筑三維信息支撐下精細(xì)計算建筑表面太陽能利用潛力,將更加促進建筑自身能源消耗與能源供給的平衡。本文以全域測算城市級全域建筑屋頂及立面太陽能利用潛力,以及動態(tài)分析因建筑更新建設(shè)所引起的太陽能可利用變化為目標(biāo),以快速辨識城市建筑三維變化信息和構(gòu)建建筑三維模型為出發(fā)點,以測算建筑屋頂及立面太陽能利用潛力和計算對應(yīng)節(jié)能減排數(shù)據(jù)為主要中間過程,提出"城市三維變化檢測—建筑屋頂三維重建—建筑太陽輻照度計算"研究框架,形成了一套較為完整的機載LiDAR點云城市建筑表面太陽能利用潛力測算方案。其中,城市級全域建筑屋頂及立面太陽能潛力估算,主要基于全域建筑LiDAR點云,精確重建建筑三維模型,在分析建筑表面幾何結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,利用太陽輻射模型測算建筑表面太陽能利用潛力;對于因建筑更新建設(shè)所引起的建筑太陽能利用變化,將在檢測出新建建筑LiDAR點云基礎(chǔ)上,重建對應(yīng)建筑三維模型并精細(xì)計算建筑表面太陽能利用潛力。此外,還將分析樹木遮擋對建筑立面太陽輻射強弱的影響,以此更加促進對樹木遮擋效應(yīng)的認(rèn)識。針對城市三維變化檢測、建筑屋頂三維重建、建筑太陽輻照度計算的具體研究如下:(1)城市三維變化檢測:提出基于八叉樹索引和分類算法的城市建筑和樹木三維變化檢測方法。利用機載LiDAR數(shù)據(jù)對城市進行三維變化檢測,存在城市場景復(fù)雜、數(shù)據(jù)離散化嚴(yán)重、空間覆蓋范圍廣等多方面問題,不同時相數(shù)據(jù)集成利用較為困難,且傳統(tǒng)基于LiDARDSM高程變化分析的方法較難同時實現(xiàn)城市建筑和樹木三維變化檢測。因此,研究引入八叉樹空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),以三維點云空間位置比對為突破口,提出一種基于八叉樹索引的機載LiDAR數(shù)據(jù)城市建筑和樹木三維變化檢測方法。該方法包括全要素點云配準(zhǔn)、非地面點云提取、點云八叉樹構(gòu)建、基于八叉樹的變化檢測等步驟,實現(xiàn)了城市建筑和樹木分離,確定具體變化類型,避免了傳統(tǒng)基于LiDARDSM方法易受數(shù)據(jù)中間處理過程質(zhì)量影響,且較難實現(xiàn)多地理要素三維變化檢測的問題。實驗結(jié)果表明,建筑和樹木的變化檢測精度較高,分別達(dá)到94.8%和83.8%,能有效應(yīng)用于城市建筑和樹木的一體化三維變化檢測。(2)建筑屋頂三維重建:提出采用層間連接和屋頂面片平滑策略的建筑屋頂三維重建方法。利用機載LiDAR數(shù)據(jù)重建建筑屋頂,存在屋頂間拓?fù)溥B接關(guān)系較難確定,且易受點云不規(guī)則分布影響等方面的問題。研究以計算層間連接點為依托,提出一種采用層間連接和屋頂面片平滑策略的建筑屋頂三維重建方法。該方法包括建筑屋頂點檢測、屋頂面片分割、屋頂面片平整、屋頂層間連接、屋頂三維模型重建等步驟,重建模型具有較高完整性和現(xiàn)實還原度,避免了當(dāng)前多數(shù)數(shù)據(jù)驅(qū)動方法屋頂層間連接關(guān)系較難確定、屋脊線較難優(yōu)化等問題。實驗結(jié)果表明,建筑屋頂重建的完整率和正確率能分別達(dá)到90%和95%;在偏移距離評價方面,平均偏移距離和標(biāo)準(zhǔn)差最優(yōu)可達(dá)0.05m和0.18 m,最差也低于0.12 m和0.25 m,驗證了所提方法具有較好的正確性和可靠性。(3)建筑太陽輻照度計算:提出基于建筑三維模型的屋頂及立面太陽輻照度聯(lián)合計算方法。利用機載LiDAR數(shù)據(jù)計算建筑表面太陽輻照度,仍主要集中在屋頂區(qū)域。研究以建筑三維模型為出發(fā)點,引入傳統(tǒng)經(jīng)驗太陽輻照度計算模型,在分析建筑三維場景被遮擋情況以及天空散射影響的基礎(chǔ)上,提出一種基于建筑三維模型的屋頂及立面太陽輻照度聯(lián)合計算方法。該方法包括建筑模型三維點云采樣、屋頂點云和立面點云分離、建筑遮擋分析、天空視域分析、太陽輻照度模型構(gòu)建等步驟,能夠同時計算屋頂及立面水平遮擋角度,并改進太陽散射輻照度模型,充分考慮了鄰近建筑散射輻射對待計算建筑輻射的影響,一體化獲取了屋頂及立面太陽輻照度。與當(dāng)前主流商業(yè)建筑輻照度計算軟件進行對比,結(jié)果表明所提方法與商業(yè)軟件計算結(jié)果具有較高的吻合度,且當(dāng)屋頂面積只占全部建筑面積30%的情況下,屋頂年太陽輻照約占建筑年太陽總輻照的60%,表明屋頂仍然是建筑接受太陽輻射的主要區(qū)域。本文在中國南京奧體新城(北緯32°1′11″,東經(jīng)118°44′27″)計算了全域建筑屋頂及立面太陽能利用潛力相關(guān)信息,并分析了因建筑更新建設(shè)所引起的太陽能利用變化。南京奧體新城實驗區(qū)覆蓋面積約為30km~2,共有建筑5 216棟,建筑屋頂面積約5.52 km~2,立面面積約12.41 km~2。對全域建筑太陽能利用潛力進行分析,得出如下結(jié)論:①實驗區(qū)屋頂年太陽輻射總量約10 197.18 GWh,光伏發(fā)電量約1 529.58 GWh,對應(yīng)節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)燃煤617.95 kt,減少CO2排放量1 333.79 kt;立面年太陽輻射總量約7 152.80 GWh,光伏發(fā)電量約1 072.92,對應(yīng)節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)燃煤433.46 kt,減少CO2排放量935.59 kt;②由計算得到的建筑表面太陽能可利用潛力數(shù)據(jù)可知,屋頂及立面太陽輻射的利用,將有效促進城市的低碳發(fā)展,而對于高層建筑立面太陽輻射的利用,將更加促進建筑本身能源供給與消耗平衡;③在太陽入射角隨時間變化的情況下,建筑屋頂在夏季的太陽能光伏發(fā)電節(jié)能減排效果最佳,立面節(jié)能減排效果各季節(jié)基本相似;④建筑屋頂太陽能利用潛力和節(jié)能減排與坡向坡度存在明顯的相關(guān)關(guān)系,當(dāng)坡向在[100,250],坡度在[0,60]之間時,屋頂節(jié)能減排效果最好;⑤當(dāng)建筑立面朝東南、南、西南時,相較于其他方向則具有更佳的太陽能利用潛力。進一步分析因建筑更新建設(shè)所引起的太陽能利用變化,以及樹木遮擋對建筑立面太陽輻射的影響,在奧體新城實驗區(qū)內(nèi)新增建筑212棟,建筑屋頂面積約0.16 km~2,立面面積約0.43 km~2。分析結(jié)論如下:①建筑屋頂年太陽總輻射增加282.89 GWh,光伏發(fā)電量增加約42.43 GWh,對應(yīng)可多節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)燃煤17.14 kt,減少CO2排放量37.00kt;②建筑屋立面年太陽總輻射增加195.12 GWh,光伏發(fā)電量增加約29.27 GWh,對應(yīng)可多節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)燃煤11.83 kt,減少C02排放量25.53 kt;③因樹木對建筑立面的遮擋,立面全年減少太陽總輻射約45.34GWh;④2月份,樹木遮擋對建筑立面太陽輻射影響最為明顯,每平方米一年太陽輻照度約減少 9.83 kWh。本文通過城市三維變化檢測、建筑屋頂三維重建、建筑太陽輻照度計算的有機組合,對建筑表面太陽能利用潛力進行了計算和分析。所提出的基于八叉樹索引的城市建筑和樹木三維變化檢測方法,提高了基于點方法檢測地物目標(biāo)變化的效率,實現(xiàn)了多目標(biāo)的變化檢測分析;而在建筑屋頂三維重建方面,采用的層間連接和面片平滑策略,實現(xiàn)了不同屋頂層的快速連接,保證了后續(xù)建筑屋頂三維重建的正確性;基于建筑三維模型的屋頂及立面太陽輻照度聯(lián)合計算方法,一體化分析和計算了屋頂及立面點的遮擋情況,并充分考慮了鄰近建筑對待計算建筑散射輻射的影響。然而,由于缺乏大面積的車載或地面LiDAR數(shù)據(jù),本文無法重建獲取建筑立面精細(xì)幾何結(jié)構(gòu),故而在建筑立面輻照度的計算過程中,無法排除建筑墻面窗戶等區(qū)域的影響。因此,在后續(xù)研究中,將綜合應(yīng)用多源、多平臺數(shù)據(jù),精細(xì)獲取建筑立面可安裝光伏發(fā)電設(shè)備區(qū)域,優(yōu)化建筑立面太陽能利用潛力結(jié)果。
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【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TU113.3;TU18

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：1643185