CIMA动态前沿追踪 33

2023-06-02 10:58
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CiMA动态前沿追踪


(第三十三期)

WUS-CiMA

2023-04-28










01

本期概览

CiMA发展动态

全球建筑形态指标


城市CiMA建设动态

日本Project Plateau项目案例--气候变化影响模拟




02

CiMA发展动态

全球建筑形态指标

     表征和分析城市形态是城市数据科学、环境分析和许多其他领域的一项持续任务。随着有关它们的数据的可用性和质量不断提高,建筑物获得了更多的关注。然而,促进大规模研究的工具和数据,以及对指标的跨学科共识,仍然稀缺,而且往往不足。团队提出了全球建筑形态指标(GBMI),GBMI引入了一种形式化、结构化、模块化和可扩展的方法,以大规模和高分辨率计算、管理和传播城市指标,而预先计算的数据集则有助于比较研究。理论和实现跨越多个尺度:在建筑层面,基于多个缓冲区包围建筑物的单个和上下文尺度,以及多个分层管理级别和多个网格的聚合。


1. 与建筑物有关的城市形态指标清单

     将指标分为三组:根据建筑物的特征或周围环境计算的指标(在第 3.3.1 节中一起介绍),以及通过汇总从该区域建筑物收集的建筑物级指标,以空间单位(如地块)计算的指标。


1.1建筑物级指标


     环境指标(根据周围缓冲区中的建筑物为每栋建筑物计算)为:相邻建筑物的数量、距离、覆盖区面积以及相邻高度与距离之比。

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图1   人工智能辅助处理点云问题

1.2聚合指标

     城市形态最常以汇总方式研究,在不规则或规则区域,例如地块、行政单元和格网单元(切片)。汇总度量源于区域内所有建筑物的建筑物级别指标,并用描述性统计数据进行总结。

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图 2.根据周围环境在建筑物级别计算的上下文方面的说明

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图 3.汇总指标示例,分为两组       




2.   实现:软件和开放数据集


     实施包括开发一个软件,使用建筑物覆盖数据和区域数据计算城市形态指标,以及使用该工具生成的大规模高分辨率数据集。


     该工具是一组连续的 Python 和 SQL 脚本,用于设置场景和处理输入数据(建筑物覆盖区和定义的区域),以构建使用 PostGIS 启用空间的 PostgreSQL 数据库。Python 脚本允许高度自定义,因为可以打开或关闭许多指示器。此后,运行一系列数百个语句来计算指标并将它们存储在表的结构化层次结构中。此外,还准备了导出脚本以允许导出数据。使用数据库方法并不排除用户友好的桌面软件 - 这些脚本能够以许多不同的地理空间格式导出数据库,这些格式可以直接插入几乎所有 GIS 软件和编程环境中,利用两全其美的优势。


     我们的实现主要采用OpenStreetMap作为建筑数据源,以及两个特定的多尺度区域数据集。但是,该工具可以与其他类型的建筑物和区域数据一起使用。


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图 4.系统的流程

图4   基于认知的人工智能模型更新技术



3. 数据和分析示例

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图 5.伦敦部分地区不同级别的计算指标示例


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图 6. 全球选定城市站点覆盖分布

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图 7.按城市划分的建筑覆盖区复杂性分布


4. 结论

     该团队的主要贡献为:

     首先根据对近期工作的探索,编制了量化城市形态的指标的全面概述,并辅以引入一系列新的指标,形成了一种结构化的方法。其次,一个关键的贡献是实施基于数据库的免费开源解决方案。第三,生成详细的即用型数据集,并公开发布,提供一个方便的实例,其他人可能会发现有用,并最大限度地减少他们自己计算此类数据的努力,特别是如果他们无法使用高性能计算设施。

     GBMI的主要贡献之一是它提供了一种大规模和高分辨率的城市指标的形式化,结构化,模块化和可扩展的计算和管理方法,而预先计算的数据集允许在各种软件中轻松快速地进行比较研究,这是相关工作的进步。


资料来源:

https://doi.org/10.1016/j.compenvurbsys.2022.101809





03

城市CiMA建设动态

日本Project Plateau项目案例

--气候变化影响模拟

1. 实证实验的概要


近年来,随着全球气候变化,气温上升的影响在我国也明显,与热岛现象相结合,特别是城市夏季室外环境的高温化尤为显著。

在这次的实证实验中,通过从3D城市模型中掌握市区空间的建筑物形状和土地利用,实施基于数值流体力学(CFD;Computational Fluid Dynamics)的温热环境模拟,分析从现在到将来预想的气候变化对室外环境的影响。并且,通过实测调查验证模拟结果的合理性。

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气候变化影响结果


2.项目目标


在逐年严峻的暑热对策中,树木等创造阴凉、绿地和农地的配置等地区规模的适应对策很重要,市民、行政、企业、研究机关等联合致力于建筑物和用地的对应、公共空间的重组、再整备等的多主体协作型的城市建设很有效。为了对这样的城市课题有共同的认识来研究和实践对策,包括非专家在内的各种各样的利益相关者有必要把握考虑到将来气候变化的影响的温热环境。

在本次实证实验中,特别着眼于炎热对策是当务之急的市中心·近郊市区,通过活用3D城市模型的建筑物形状和土地利用信息,构筑对该城市空间的将来的气候变动下的温热环境进行模拟·可视化的系统开发支持多种利益相关者之间顺利达成协议的方法。

例如,在爱知县名古屋市中区锦二丁目这样白天步行者较多的商业业务地,确定中暑风险较高的人行道,将与街道树和拱廊的设置、周边用地的隔热化、保水化等地区的措施研究相关联。另外,在推进都市农地保护活动的东京都西东京市,从暑热缓和效果的观点出发,可以讨论合理的农地配置。这样,为了活用和协作多种主体的资源,事前在虚拟空间内实施模拟成为今后不可缺少的过程。

根据此次的实证实验,自治体和区域管理团体共有面向气候变动适应的城市的课题,创造讨论地区规模的施策时的通用的见解,以在全国的城市建设中基于证据的协议形成和搭配被进行的社会的实现作为目标。

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研究对象的3D地图(名古屋市中区錦二丁目)


3.研究方法、数据和技术


此次活用3D城市模型的温热环境模拟,利用了CFD解析软件Altair AcuSolve(ALTEA工程株式会社)。

具体而言,将对象地的3D城市模型的建筑物模型及地形模型变换为STL文件并读入该软件,将充分包围该范围的空间设定为分析对象。名古屋市锦二丁目利用了建筑物模型LOD2,西东京市利用了建筑物模型LOD1。在分析模型的构筑中,由于需要设定建筑物和地面表面的热导率等热物性值,所以参照3D城市模型的建筑物模型·土地利用模型的属性信息,关于土地,在绿地和柏油的区别关于建筑物表面,根据结构和现场调查,在建筑物的墙面上设定了玻璃面积比例作为分析条件。

分析的气象条件是,现在的代表日是2022年8月5日中午,将来的代表日是2030年、2050年、2090年的同一时间为模型设定的。关于目前的气象条件,参照气象厅公开的最近的气象台的数据,关于将来的气象条件,参照气候变化适应信息平台(A-PLAT)公开的气候变化的将来预测数据来计算。

另外,为了验证模拟结果的妥当性,在名古屋市锦二丁目和西东京市的各地点实施了实测调查。测量项目为气温、湿度、黑球温度、风向、风速、表面温度。并与2022年时的模拟结果进行了比较验证,对反映地表蓄热等分析模型进行了改进。

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CFD解析的设定画面

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实测调查示意图


4.实验结果


模拟精度的妥当性验证的结果,关于多个地点的地上1.1m气温的日变化显示出与实测结果大致相同的推移,特别是在应该关注的白天的最高气温中,确认了两者的差异在约1℃以内。名古屋市锦二丁目的高层建筑物较多,气温容易上升,西东京市的田地和停车场在白天产生气温差的状况等与地域特性相应的变化在模拟上也得到了再现。

通过在3D城市模型上可视化此次的温热环境模拟的结果,可以视觉性地把握名古屋市锦二丁目和西东京市的现在和将来的环境。

在目前的表面温度结果中,伴随太阳光的日向部分和背阴部分的温度差明确地表现出来,由于街区和土地利用的温度分布的偏差变得明显。锦二丁目是格子状的街区配置,因此中午时南北方向的道路、人行道上遮挡阳光的建筑物变少,表面温度容易提高。在西东京市,道路和停车场等被柏油覆盖的地方表面温度容易提高,但另一方面,在市区分布的田地表面温度的上升被抑制。

此时,作为步行者水平的地面1.1m气温的结果,在建筑物表面附近,为了捕捉太阳光,温度较高,特别是在建筑物南侧,温度有相对较高的倾向。而且锦二丁目由于高建筑物多等原因气流停滞,产生了被加热的空气停留的地方。西东京市也有同样的倾向,但由于南北长形状的田地等产生气流,所以气温相对较低。

从设想今后气候变动严重进行的状况的将来的模拟结果来看,到2090年为止,可以看到温热环境大幅恶化的样子。在锦二丁目、西东京市的各地点,到2090年为止,表面温度约为3~6℃,地上1.1m的气温上升约为2~4℃,这对人类的体感温度和中暑风险有很大影响。特别是,因为小孩子和老年人容易受到这些影响,所以成为表示有必要推进适应今后气温上升的容易走路的城市建设的证据。

利用这些模拟结果及其可视化结果,实施了名古屋市和西东京市的自治体·区域管理团体的各位的意见交换会。与会者评论说,通过视觉显示各地未来的气候变化影响,可以共享危机感和对策的必要性,并在该过程中对3D城市模型的有用性得到了很高的评价。特别是,在街道上形成阴凉的有效性通过证据显示出来,作为通过城市建设的暑热对策,关于拱廊的存废、行道树的维持和农地保护的重要性等进行了讨论。本次实证实验表明,利用三维城市模型可以方便地进行城市温热环境模拟。另一方面,需要对建筑物表面的玻璃面比例进行实地调查等表面条件的设定还需要一定的工时。另外,通过与2022年的实测结果的比较,确认了模拟结果的精度,但作为今后的课题,明确了再现傍晚以后出现的地面蓄热影响的方法研究。

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温暖气体滞留示意图(锦二丁目)

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气候变化影响结果(锦二丁目)

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气候变化影响结果(西东京市)


资料来源:

日本国土交通省,https://www.mlit.go.jp/plateau/use-case/uc22-037/