城市街区尺度下建筑形态对通风影响的CFD-GIS与随机森林联合方法研究
一、研究团队与发表信息
本研究由西安科技大学测绘学院的Bin Guo（通讯作者）、Miaoyi Chen等团队，联合波特兰州立大学Xiaowei Zhu（通讯作者）等多家机构共同完成，成果发表于期刊《Sustainable Cities and Society》2025年第122卷。研究通过融合计算流体力学（CFD）、地理信息系统（GIS）和随机森林（RF）方法，首次量化了建筑形态参数对城市街区通风的影响优先级。
二、学术背景与目标
随着城市化进程加速，建筑密集化导致地表粗糙度增加，削弱了空气流动，加剧了热岛效应和空气污染（如Santamouris等2001年研究所示）。尽管建筑形态是改善城市通风的可调控因素，但现有研究缺乏对多参数影响的系统比较。本研究旨在解决以下问题：
1. 科学问题：建筑形态参数（如建筑覆盖率、空间开放度等）如何非线性影响街区尺度通风效率？
2. 技术挑战：传统方法（如风洞实验）成本高且难以复现真实环境，而CFD模拟需结合实地观测验证模型准确性。
3. 目标：建立CFD-GIS-RF联合框架，提取关键形态参数并排序其重要性，为城市规划提供量化依据。
三、研究方法与流程
研究分为四个核心步骤，覆盖数据采集、模拟验证与统计分析：
1. 数据预处理与建筑形态参数提取
- 研究对象：中国西安未央区90个100m×100m街区网格，分为开放型（A区）与密集封闭型（B区）两类典型形态。
- 技术方法：
- 遥感与GIS：通过Google Earth和高德地图获取建筑轮廓，结合无人机激光雷达（LiDAR）点云数据验证精度，提取9项形态参数（表1）。例如：
- 建筑覆盖率（BCR, Building Coverage Ratio）：建筑基底面积与占地面积的比值。
- 空间开放度（SO, Space Openness）：反映无建筑障碍的空间比例。
- 3D建模：基于SketchUp插件将二维数据转换为三维模型，假设每层高3米简化计算。
2. CFD模拟与验证
- 边界条件：基于国家气象中心2023年8月数据设定入口风速（0.1–7.9 m/s）和主导东风方向。
- 模型选择：通过现场观测数据（WH6007便携气象站）对比标准k-ε、可实现k-ε和k-ω模型，发现标准k-ε的误差最低（R²=0.685，MAE=0.055），确定为最优模型。
- 网格独立性验证：采用0.8m最大网格尺寸，确保计算结果不受网格密度影响（图6）。
3. 通风效率量化
- 指标定义：风速比（VR, Velocity Ratio）= 1.5m高度风速/入口风速，表征通风效能。
- CFD结果：显示建筑布局显著影响气流。例如，半封闭区域（x=600–700m, y=100–200m）因狭窄通道导致湍流动能（TKE）升高，阻碍通风（图10）。
4. 随机森林重要性排序
- 输入变量：9项形态参数；输出变量：VR。
- 方法创新：通过十折交叉验证（R²=0.86）和基尼指数（Gini Index）计算参数重要性。结果显示：
- 前五关键参数：封闭度（DE, 1.0）> BCR（0.95）> SO（0.89）> 容积率（FAR, 0.72）> 建筑分散度（BDR, 0.68）。
- 低影响参数：建筑高度标准差（SDH）和异质性（BO）重要性均<0.1。
四、主要结果与逻辑链条
1. 形态异质性验证：A区（低DE=1.05，低BCR=0.20）比B区（高DE=2.43，高BCR=0.40）的VR高0.5（图13），证实开放布局促进通风。
2. 非线性关系：回归分析显示FAR与VR呈负相关，但在1.5–3.5区间存在拐点，反映适度密度可平衡阻流与导流（图11）。
3. 参数协同效应：RF揭示DE和BCR的交互作用对通风的抑制效应远超单一参数。
五、结论与价值
1. 科学价值：首次量化DE和BCR为最优先级调控参数，弥补了传统线性分析的不足。
2. 应用价值：建议城市规划中通过降低DE（如增设通风廊道）和优化BCR（控制在50%以下）改善微气候。
3. 方法论贡献：CFD-GIS-RF框架可扩展用于污染物扩散或热岛效应研究。
六、研究亮点
1. 创新方法：融合遥感、数值模拟与机器学习，实现复杂城市环境的快速建模。
2. 发现颠覆性：传统认为建筑高度（如ABH）主导通风，但本研究证明平面布局参数（DE/BCR）影响更大。
3. 实践指导性：明确参数排序后，规划者可针对性调整设计，如案例中优化街区使VR提升278%。
七、局限与展望
1. 未考虑因素：建筑立面材质、屋顶坡度等地形细节可能影响结果。
2. 未来方向：引入大涡模拟（LES）提升湍流预测精度，并验证框架在滨海城市等不同地貌的普适性。
（注：文中涉及的期刊名《Sustainable Cities and Society》及作者姓名按原文保留，专业术语首次出现时标注英文原词。）