关于利用无人机热成像技术进行城市热微气候的CFD（计算流体动力学）验证

《Sustainable Cities and Society》：On the use of UAV-thermal imaging for CFD validation of urban thermal microclimate

城市热岛效应与CFD验证研究：以Semarang为例，采用高分辨率无人机热成像技术对URANS模型预测的微气候表面温度进行验证，结果显示平均偏差3.88°C，证实了无人机热成像在CFD模型验证中的实用性和数据驱动优势。

　　在当今全球气候变化的背景下，城市热岛效应（Urban Heat Island, UHI）正在对城市热环境产生越来越显著的影响。这种现象导致城市区域的温度高于其周围的乡村地区，从而加剧了热应激问题。热应激不仅影响居民的健康，还可能引发与高温相关的死亡事件。例如，2003年欧洲夏季热浪期间，报告了70,000例与高温有关的死亡病例；2010年东欧夏季热浪则导致了数万例相关死亡；2022年欧洲夏季热浪更是报告了61,672例。全球范围内的热浪事件在2000至2016年间影响了超过1.25亿人。这些热浪事件主要集中在城市区域，其热应激程度通常比农村地区更高，因为城市中高密度建筑、缺乏植被、高吸收性材料和高热储存能力的表面都加剧了城市内部的热量积累。

为了应对这些挑战，研究者们正在寻找更加精确和可靠的方法来评估和验证城市微气候模拟的结果。计算流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）模拟已被广泛应用于评估城市微气候过程和适应策略。然而，CFD模拟的准确性依赖于高质量的验证数据。目前，现场测量和缩尺风洞测试是常用的验证方法，但远程传感技术的应用仍较为有限，尽管其具有显著的潜力。本研究系统评估了基于无人机（UAV）的热成像技术作为验证城市微气候CFD预测的一种工具，研究区域聚焦于印度尼西亚的梭罗市市中心。现场测量和UAV进行的可见RGB和红外（IR）成像数据被用于验证CFD模拟结果。在相同的区域，使用高分辨率计算网格，通过三维不可压缩雷诺平均纳维-斯托克斯（URANS）方程和可实现k-ε模型进行CFD模拟。研究结果显示，UAV-IR数据与现场测量数据在沥青、混凝土和土壤-草类地表之间存在0.47°C至1.40°C的差异，这验证了UAV热成像的准确性；而CFD模拟与UAV-IR数据在非渗透性地表区域的平均地表温度之间存在3.88°C的偏差。这些发现突显了UAV热成像作为一种实用且数据驱动的方法，能够有效验证CFD模型，从而为可持续城市热环境的设计和分析提供更加稳健的依据。

在城市规划和环境研究中，微气候研究对于理解城市热环境具有重要意义。由于气候变化和城市化进程，城市微气候的研究变得尤为迫切。然而，现有的微气候研究往往缺乏对城市微尺度气象现象的系统分析。这些现象包括湍流和近地表波动，它们在小于1公里的区域内发生，持续时间从几秒到几分钟不等。因此，研究者们采用了多种方法，包括现场测量、风洞实验和CFD模拟，以更好地理解和预测城市微气候。其中，CFD模拟因其能够提供整个流场的数据，对于城市微气候研究特别重要。CFD可以模拟热和质量传递过程，并预测不同场景下的空气和地表温度，从而帮助评估和缓解热应激问题。

然而，为了确保CFD模拟结果的准确性和可靠性，需要进行仔细的验证和校准。这在复杂的城市区域尤其重要，因为城市区域的建筑几何形状、地表材料、土地利用和气象条件的多样性增加了验证的难度。已有研究表明，仅42%的CFD城市微气候研究在1998至2015年间包含了验证研究。这表明，当前的研究仍存在明显的不足。因此，本研究旨在填补这一空白，通过引入高空间分辨率的UAV-IR地表温度数据，提高城市微气候CFD模拟的验证过程。

UAV热成像技术具有显著的优势，能够以高分辨率捕捉城市地表的温度分布。然而，这种技术也存在一些局限性，如无人机飞行高度和距离受到电池功率、当地飞行法规和平台与操作员之间的通信距离的限制。因此，UAV通常只能在较小的城市区域内进行飞行调查。为了克服这一问题，本研究采用了一种基于地面实测数据的校准方法，以确保UAV-IR数据的准确性。地面实测数据包括手持式红外测温仪（Testo 830-T1）测量的三种地表覆盖类型：沥青、混凝土和土壤-草类。这些数据用于校准热成像数据的转换模型，从而确保其在城市微气候研究中的适用性。

在数据处理方面，本研究采用了多种技术，包括使用PIX4Dmapper软件进行图像处理、基于最大似然算法的监督分类以及利用地面控制点（GCPs）进行图像的几何校准。这些方法能够提高数据的精度和可靠性。此外，本研究还对地表覆盖类型进行了详细的分类，包括非渗透性材料（如沥青和混凝土）和植被（如草类和树木）。通过这些分类，可以更准确地估计地表温度，并与CFD模拟结果进行比较。

在CFD模拟方面，本研究采用了三维URANS模型，并使用可实现k-ε湍流模型。模拟区域覆盖了梭罗市市中心的半圆形子区域及其周围1000米的范围。模拟过程中，考虑了地表材料的热特性，包括密度、比热容和热导率。这些参数对于准确模拟地表温度变化至关重要。此外，模拟过程中还考虑了建筑几何形状的简化，以及对某些城市元素（如树木和车辆）的忽略，这可能导致模拟结果与实际测量数据之间存在偏差。

本研究的结论表明，UAV热成像技术在验证城市微气候CFD模拟方面具有重要价值。尽管存在一些局限性，如无人机飞行高度和地表覆盖类型对地表温度估计的影响，但总体上UAV热成像与现场测量数据之间达到了良好的一致性。CFD模拟的平均偏差为6.95%，而地表平均温度的绝对偏差为3.88°C。这些结果为未来城市微气候研究提供了重要的参考，同时也为城市热环境的改善和设计提供了新的方法。