1、本科毕业论文（20 届）基于 ArcGIS 的建筑日照分析 以绵阳市涪城区为例所在学院专业班级 测绘工程学生姓名指导教师完成日期基于 ArcGIS 的建筑日照分析以绵阳市涪城区为例摘要：随着我国城市化进程的不断加快，城市人口急剧增长，建筑物的高度、密度不断增加，使得建筑物之间的相互遮挡问题越发严重，加之人们对高品质生活的追求与维权意识的增强，日照分析已得到全社会的高度重视。本文通过对日照分析发展现状的研究，旨在探讨出一种新的日照分析方法，就是在 ArcGIS10.2 平台上，以收集到的建筑物数据为基础，应用 ArcGIS 的空间分析功能，用地形因子提取工具与地图代数工具，提取和计算出建筑物的坡
2、向数据、背光面轮廓及高度数据，在此基础上，应用山体阴影工具模拟生成建筑物的阴影，叠加不同时刻的建筑阴影，并与建筑物进行叠置分析，如此便可找出不符合日照标准的建筑。结果表明，这是一种快速、简便且易于操作的分析方法，分析结果直观可靠，可为城市规划管理部门提供参考依据，以提出适合未来城市发展的方案，同时也为人们在选择居住地时提供最直观的分析结果，以便于做出最佳决策。关键词：日照分析；空间分析；叠置分析；建筑阴影；ArcGIS10.2目录1 引言 .11.1 研究背景及意义 .11.2 相关研究发展现状及趋势 .11.2.1 现有的日照规范与研究方法 .11.2.2 发展趋势 .22 ArcGIS 在
3、建筑日照分析中的应用 .22.1 现有日照分析方法的评价 .22.2 基于 ArcGIS 的建筑日照分析方法及技术路线 .33 实例分析 .43.1 数据来源 .43.2 技术要求 .43.3 分析流程 .43.3.1 数据转换与太阳位置的计算 .43.3.2 建筑物坡向提取 .53.3.3 建筑物背光面轮廓提取 .63.3.4 建筑物背光面高度提取 .83.3.5 提取建筑物在不同时刻的阴影 .93.3.6 叠加不同时刻的阴影栅格 .123.3.7 分析建筑物与阴影区的遮挡关系 .133.3.8 结果分析 .134 总结 .14参考文献： .15致谢语 .1711 引言1.1 研究背景及意义
4、随着我国城市化进程的不断加快，大大小小的城市建筑如雨后春笋般拔地而起，城市建筑用地日益紧张，很多开发商为了谋取更多的利益，不合理的规划、使用土地，使得建筑之间相互遮挡的问题越来越严重，出现了大批不符合日照标准的建筑。与此同时，随着人们对高品质生活的追求，人们对生存条件的要求越来越严格，特别是对居住条件的要求，在选择居住地时，优美的自然环境是人们首要考虑的要素，因此居住地能够得到充足的阳光照射是必不可少的条件，充足阳光照射不仅可以为人们带来赏心悦目的生态环境，还能够消毒杀菌、预防疾病，使得人们心情舒畅，内心愉悦，充满希望，积极向上 1。所以，对城市建筑进行日照分析，找出不符合日照标准的建筑物对城
5、市规划管理与人们选择工作、居住地具有十分重要的意义。它有利于城市资源的集约利用，在当前城市土地日趋短缺的情况下，必须合理规划利用土地，在提高土地容积率的同时，也要注意建筑物之间距离的合理性，以免造成土地资源的浪费。城市人口与日俱增，商品房开发搞得红红火火，在房价不断攀高，获取高额利润的驱使下，开发商见缝插针的行为早已司空见惯，建筑物密度、层数不断增加，建筑的日照水平持续降低不说，更在一定程度上造成了城市土地资源的浪费 2。日照分析则可以为规划设计部门提供依据，从而对建筑物的高度、密度、形状、朝向、位置、数量等进行合理的设计与布局，能够保证建筑物在达到相应的日照标准的前提下、在土地容积率允许的范
6、围内使建筑物数量达到最大，进而可以减少建筑物之间不科学的富余间距，实现城市土地集约化利用的目的，节约宝贵的土地资源。日照分析还可提高城市管理水平，因为日照分析报告是在计算机基础上，采用专业的日照分析软件得出的结果，减少了人为因素的影响，具有较高的客观性、准确性与应用性，从而提高了城市的科学管理水平。通过日照分析还能最直观的反映出建筑物之间的遮挡情况，从而在人们选择居住地时，根据个人对环境的不同要求，选择出自己理想的住宅，同时也可以避免在购房时开发商对消费者的误导，特别是习惯居住在较低层的居民，一定要考虑在冬季时住宅是否能够得到充足的阳光照射，所以购房之前对居住小区进行日照分析，这样可以减少个人
7、的经济损失，维护好自己的采光权，有效避免民事纠纷的发生。日照分析越来越受到人们重视，通过收集与查阅了大量有关日照分析方法的资料与文献后发现，我国的日照分析方法大多比较繁琐复杂，普通民众理解与应用起来比较困难，专业性很强，很多时候需寻求专业机构进行操作，然而这一过程，要耗费大量的时间、人力和财力。同时，目前市场上的日照分析软件也是参差不齐，分析结果各不相同，究竟哪款软件计算精度高、误差小、最接近实际等，都没有一个权威部门进行分析比较，因此日照分析的研究还在不断的探索进步当中。基于以上现状，本论文利用GIS 空间分析功能，总结出一套简单易学的建筑日照分析方法。1.2 相关研究发展现状及趋势1.2.
8、1 现有的日照规范与研究方法2目前我国有关日照标准的法律法规并不健全，绝大多数的日照规范具有宏观性，不够具体，殊不知，不同地方，经度、纬度、气候等都不相同，因此日照标准应该因地制宜，根据实地情况，制定出各自的日照标准。现行的城市居住区规划设计规范 （2002 年版）的相关规定如表 1-1，此外针对特定情况还有如下规定 3-4：（1）要求在冬至日时，老人居住的住宅要享受到不低于 2 小时的光照时间；（2）在已经修建设计好的建筑外面增设其它设备时，不得降低其周围建筑物原有的日照标准 5；（3）在老住宅区新建住宅时，日照标准可以按照实际情况酌情降低，但必须保证新建住宅在大寒日获得不低于 1 小时光照
9、 6。 表 1-1 住宅日照标准在二十世纪五六十年代，我国开始流行的日照分析方法主要有两类：一类是作图法，主要包括正日影图、分时阴影叠合图、棒影图与瞬时阴影图，这种方法非常繁琐，费时又费工，且应用场合有限，为了提高工作效率，工作人员需要参考日照间距系数表，所以这种方法只适用于建筑布局是严格符合日照间距系数表的测算条件的情况。第二类是模拟测试法，这种方法需要建筑物的缩尺模型，并应用日规仪进行日照分析，这种方法已较为落后，现较少使用 7。随着计算机技术的发展，目前比较常用的方法是收集相关资料，创建建筑物的三维模型，并利用日照分析软件模拟现实场景，进行三维可视化分析。另一种比较创新的分析方法是利用天
10、际线照片对建筑物进行日照分析，因为它不要建筑物的三维数据，只需要用相机在实验区拍摄数张照片，并记录相机、照片的相关参数作为分析的依据，从而大大减少了工作量，针对这种方法，也开发了专门的日照分析软件。早在上个世纪八十年代国外就开发了日照分析软件，而我国现有的相关软件则大多是基于国外软件开发的成果，由于对软件版权保护的要求高，所以应用成本也相对较高，且操作专业性强，技术要求高，建筑气候区划 、气候区 气候区类型 小城市 中小城市 大城市 中小城市、气候区日照标准日 大寒日 冬至日日照时数/h 2 3 1有效日照时间带/h 8:00-16:00 9:00-15:00日照时间起算点 底层窗台面（距室内
11、地坪 0.9m 高的外墙位置）3然而分析结果却不具权威性。针对这种情况，本课题选择一款性价比较高 GIS 软件，只需在 ArcGIS10.2平台上就能满足对建筑物进行基本的日照分析 8。1.2.2 发展趋势由于传统的人工作图法已经难以在规划设计中对居住区日照进行优化，难以对复杂布局的建筑环境做多个节气的综合分析，并且无法从能源角度进行更深入的研究，因此计算机辅助日照分析已成为发展的必然趋势 9。伴随着计算机技术的飞速发展，日照分析软件层出不穷，其功能不断优化升级，提高计算的速度与精确度是日照软件开发的重点方向，可以预见，随着日照软件内部计算速度的不断提高，日照分析的功能会更加智能化，辅助分析计
12、算能够更准确、更自动化地提供日照分析计算结果，日照软件会从最初只能进行单一的日照分析计算发展到能够提供多种灵活智能的自动分析工具，从而能确定出建筑物的最佳高度、最佳位置、最佳形状体量等，能为城市规划设计部门提供更为合理的参考依据，并能够在分析如何充分利用太阳能、节约土地资源等方面发挥更重要的作用 10。2 ArcGIS 在建筑日照分析中的应用2.1 现有日照分析方法的评价如早期的作图法与模拟测试法费工又费时，且分析结果可靠性低，现行的日照分析方法主要是利用各种日照分析软件创建建筑物三维模型，并且模拟现实场景，能在一定时间段内对建筑物的日照情况进行动态分析，分析过程形象直观，分析结果也较为可靠，
13、但是在这之前需要做许多繁琐的准备工作，因为要对建筑物进行三维建模，需要收集研究区的地形图与建筑物的设计图纸，这些都是由人工完成，许多老城区现已没有建筑图纸，则还要进行现场测绘，而且对普通民众民众来说，这些资料也难以获取，或是需要经过漫长的审批过程，亦或会花费高额的价钱去购买 11。然而，随着数字化城市的建设，获取一定量的建筑物数据却变得容易，这些数据中包含了大量的空间信息，基于 GIS 强大的空间分析功能，在 ArcGIS 平台上可以提取出建筑物数据中隐含的空间信息，进而利用这些新信息便可进行日照分析，由于该方法不需要对建筑物进行三维建模，工作量与技术要求大大降低，分析结果也直观可靠，应用性较
14、强。2.2 基于 ArcGIS 的建筑日照分析方法及技术路线GIS 空间分析的数据来源主要包括矢量数据、栅格数据两类，它们可相互转换，且栅格数据的结构简单、获取方便、能满足各种复杂的空间分析，可以方便地对空间数据进行组合和叠加等操作，基于这些优点，考虑到对建筑物进行日照分析过程中，需要提取出建筑物在不同时刻的阴影范围，而建筑阴影生成与建筑物的坡向、背光面的轮廓、高度直接相关，因此需要将这些隐含在建筑数据中空间信息提取出来，然后就能模拟生成建筑的阴影，并判断出建筑阴影对其周围建筑的遮挡情况 12-13。在 ArcGIS 10.2 空间分析模块中，就有一个功能非常强大的空间分析工具集 ArcToo
15、lbox，这个工具集中又包含了针对栅格数据进行空间分析的工具箱 Spatial Analyst Tool，在这个工具箱中，我们可以方便的找到相应的提取工具，并且在整个日照分析过程中，这个工具箱都能发挥巨大的作用，而且在 ArcGIS 中，每一次提取都会生成一个新的图层，来专门表达我们所提取的栅格要素，这有利于我们进行栅格计算或叠置分析等操作，从而找出被遮挡的建筑物 14。4基于 ArcGIS 的建筑日照分析是一种非常实用且易于操作的方法，首先，应用 ArcGIS 中的数据转换工具，根据需求，将三维显示的建筑物数据转换为栅格数据，以便对数据隐含的空间信息进行提取，并且要计算出不同时刻的太阳位置；
16、接着要用 Spatial Analyst Tool 工具箱中的表面分析工具与地图代数工具，提取出建筑物的坡度、计算出不同时刻背光面轮廓与背光面高度数据；然后结合不同时刻建筑物的背光面高度数据与相应的太阳位置模拟生成不同时刻的建筑阴影；再接着就是提取出不同时刻建筑物生成的阴影栅格，并且叠加生成该时间段内的阴影栅格；最后将该时间段内建筑物生成的阴影数据转换成矢量数据，并与矢量表示的建筑物数据进行叠置分析，通过矢量包含关系，找出不符合日照标准的建筑物。具体的技术路线图如图 2-1 所示。矢量数据转栅格数据提取建筑物坡向数据提取三个时刻建筑物背光面轮廓提取三个时刻建筑物背光面轮廓高度栅格计算栅格计算模
17、拟不同时刻的建筑阴影表面分析 坡向表面分析山体阴影生成该时间段内生成的阴影范围叠加三个时刻的阴影栅格统一阴影栅格的编号重分类叠置分析三维显示5图 2-1 技术路线图 3 实例分析3.1 数据来源对建筑物进行日照分析，顾名思义，需要收集一定区域内的建筑物数据来作为日照分析的依据，因此在四川省绵阳市城市规划管理网站上收集到绵阳市涪城区部分建筑数据，该数据为矢量数据，为了满足实验需求，要将其转换为栅格数据以备用。3.2 技术要求基于 ArcGIS 的建筑日照分析方法虽然简单易学，但是操作起来仍然有许多值得注意的地方。首先要明确操作的目的与对象，以及想要得到的结果，同时对整个操作过程要了然于心，从而针
18、对不同问题来采取适宜的解决办法。于是，要采用本文介绍的日照分析方法，必须注意以下几点。（1）由于矢量数据主要是针对点、线、面这些地理实体进行空间分析，如缓冲区分析、网络分析、叠置分析等，而建筑物日照分析要对建筑物产生的阴影进行分析，需要建筑的高度，因此要提取原始数据中隐含的空间信息，而在矢量表示的建筑数据中无法实现相关要素的提取和栅格计算，因此必须将矢量数据集转换为属性为建筑物高度的栅格数据集。（2）由于建筑物是有长、高、宽的立体物体，直接对栅格化的建筑物数据提取山体阴影会对日照分析结果造成极大的误差。例如在实际中有两栋建筑物，其中向阳的一栋建筑的阴影对其后面的建筑有完全遮盖情况，但在 ArcGIS 空间分析中，直接对建筑物提取山体阴影就会造成背光建筑物的屋顶覆盖住向阳建筑生成的阴影。针对上述情况，必须提前计算出建筑物背光面的高度，之后提取的建筑阴影才能准确的反映建筑物之间的遮挡情况。（3）叠置分析分两种，一种是基于栅格数据的叠置分析，一种是基于矢量数据的叠置分析，刚好在本实验涉及到这两种方式的叠置分析，要根据实际需要选择合适的数据源。例如，在累加三个时刻的阴影栅格时，就要对栅格数据进行叠置分析，在判断阴影对建筑物遮挡情况时，又要采用矢量数据进行叠置分析 15。3.3 分析流程高亮显示不符合日照标准的建筑结果分析
