基于ArcObject的三維日照分析系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

1、基于ArcObjects的三維日照分析系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) 黃樺 吳健平（華東師范大學(xué) 地理信息科學(xué)教育部重點實驗室，上海 200062）摘要：Design and Implementation of three-dimensional Sunlight Analysis System Based on ArcObjects(Key Lab of Geographic Information Science, Ministry of Education, East China Normal University, Shanghai 200062, China) HuangHua WuJianpin

2、gAbstract:本文主要介紹了基于ArcObjects的三維日照分析系統(tǒng)的研制，論述了一種基于ArcObjects開發(fā)方式，并對設(shè)計到的關(guān)鍵技術(shù)如日照分析技術(shù)、陰影動畫顯示、三維建筑生成等技術(shù)做了詳細的介紹。最后對該系統(tǒng)的應(yīng)用做了簡要介紹。0、 前言陽光對居住環(huán)境和人們的健康有著重要的作用，因此建筑設(shè)計中如何充分利用太陽能是非常重要的。我國城市規(guī)劃部門已制定出有關(guān)法規(guī)，規(guī)定受遮擋的居住建筑的居室冬至日滿窗日照的有效時間不少于連續(xù)一小時1。隨著我國城市建設(shè)的飛速發(fā)展，建筑物的密度越來越大，新建高層樓房遮擋了原有房屋住戶本可以得到的陽光的情況時有發(fā)生，這就引發(fā)了很多的日照糾紛。建筑日照的求解是

3、比較復(fù)雜而又繁瑣的，對于某一建筑及周圍環(huán)境來說，它的日照時間、日照面積、建筑陰影的變化都是隨著研究的地點、季節(jié)、時間及周圍環(huán)境的不同而不同，都是在不斷地變化著的2。傳統(tǒng)基于手工計算的方法早已不能滿足快速、準確的日照分析要求。目前國內(nèi)實際應(yīng)用于日照分析的軟件有：天正軟件有限公司的日照分析模塊、聯(lián)圖公司的日照分析軟件2.0和眾智軟件公司和無錫市規(guī)劃局聯(lián)合開發(fā)的日照分析系統(tǒng)軟件SUN。這些軟件在實際應(yīng)用過程中去取得了一定的效果。但這些軟件都是基于CAD系統(tǒng)開發(fā)的。隨著用戶對地理數(shù)據(jù)不斷提出更高的要求，這些系統(tǒng)已經(jīng)開始顯得滯后于規(guī)劃需要了。目前，將GIS作為核心技術(shù)建立規(guī)劃管理系統(tǒng)已成為城市規(guī)劃領(lǐng)域的

4、共識3，對于規(guī)劃規(guī)劃設(shè)與管理而言，迫切需要將常規(guī)的專題應(yīng)用如日照分析集成到GIS中。目前ESRI的產(chǎn)品ArcGIS以其強大的地理數(shù)據(jù)管理、編輯、顯示、分析功能而越來越多的應(yīng)用到城市規(guī)劃領(lǐng)域。ArcObjects(AO)是ArcGIS的基石，基于ArcObjects的開發(fā)方式以其簡單快速的特點而廣泛地被人們所接收。因此基于ArcObjects的三維日照分析系統(tǒng)（SunAnalysis）可以很好的嵌入到城市規(guī)劃的流程中，加快城市規(guī)劃的效率。1、 系統(tǒng)設(shè)計本系統(tǒng)有四個功能模塊，每個模塊分別由不同的幾個部分組成。設(shè)置和計算功能模塊。用戶可以設(shè)置分析的地點（北京、上海市的一些縣市）與分析的時間（節(jié)氣）。

5、并設(shè)定了分析的時間段（8：0016：00）?；谶@些設(shè)置，在計算功能中，可以計算出該城市在某天，日出、日落的時間。用戶輸入不同的時間，可以得到這個時刻太陽的高度角、方位角，并以可視化的形式表現(xiàn)出來。選擇工具模塊。提供了兩個選擇工具，一個是ArcScene自身帶的，它每次只能選擇一條記錄。另一個可以讓用戶同時選中好幾條記錄。編輯模塊。該模塊由三個工具組成。刪除：刪除選中的記錄，畫點：在Z0的平面上畫點。構(gòu)建房屋：根據(jù)選中的建筑物平面圖形，設(shè)置所要生成的樓層數(shù)及樓層的高度，生成建筑物的Multipatch圖層，每層作為一條記錄。日照分析功能模塊。該模塊是本系統(tǒng)的核心模塊，它由七個功能組成。生成棒影

6、圖：點擊ArcScene視圖上的某一點，輸入棒的高度，得到這天該棒產(chǎn)生的棒影圖。瞬時陰影輪廓分析：選中某區(qū)域內(nèi)的一個建筑物，得到它在某時刻內(nèi)投影到地面上的輪廓圖。最大陰影輪廓分析：選中某區(qū)域內(nèi)的一個建筑物，得到它特定時間里產(chǎn)生的最大陰影輪廓。日照陰影變化分析：選中某區(qū)域內(nèi)的一個建筑物，它成了其他建筑的遮擋建筑，那么它產(chǎn)生陰影投影到其他建筑上去，然后以15分鐘為一個間隔，動態(tài)展現(xiàn)陰影的變化。周邊影響分析：選中一個窗戶，然后分析在這個區(qū)域內(nèi)有哪些建筑對它產(chǎn)生遮擋，然后這些建筑高亮顯示?？臻g點分析：選中幾個點作為分析的對象，選中可能的遮擋建筑，來分析這些位置在特定的節(jié)氣里的日照條件，一般選擇日照條件

7、最差的冬至，由此來判斷該位置是否符合國家關(guān)于日照時間的規(guī)范。窗口日照分析：選中幾個窗戶（可以是不同朝向的，也可以是在不同的建筑上）作為分析的對象，選中可能的遮擋建筑，來分析這些窗戶在全年日照條件最差的一天（冬至）的日照時間段，包括最長連續(xù)日照時間，日照時間段。三維日照分析地理信息系統(tǒng)設(shè)置和計算功能選擇工具模塊編輯工具模塊日照分析功能模塊設(shè)置時間和地點太陽方位計算選一條記錄選多條記錄刪除畫點構(gòu)建房屋生成棒影圖瞬時陰影輪廓分析最大陰影輪廓分析日照陰影變化分析周邊影響分析空間點分析窗口日照分析圖1 三維日照分析系統(tǒng)的模塊2、 關(guān)鍵技術(shù)2.1 日照分析技術(shù)日照分析中的主要技術(shù)是太陽運行軌跡、日照時間、

8、日照間距的計算。其他的相關(guān)技術(shù)包括日出日落時間的計算、陰影分析、最大陰影輪廓、空間點分析、窗口日照分析、陰影動畫分析等，這些分析都通過上述的三個方面擴展而來。太陽運行軌跡的計算要想計算日照環(huán)境數(shù)據(jù)，必須計算太陽在任意時刻的位置，而太陽的位置可由太陽的高度角和方位角來確定4。求太陽高度角Hs：sinHs=sin*sin+cos*cos*cos t其中，Hs為太陽高度角，為地理緯度，為赤緯角，t為時角（角度單位均為度）求太陽方位角As： cosAs=( sinHs* sin- sin)/cosHs*cos其中，As為太陽方位角。根據(jù)上述公式就可以計算出日出至日落時的太陽運行軌跡數(shù)據(jù)。日照時間分析算

9、法的設(shè)計計算空間中某一點是否被建筑物遮陽是日照時間分析的關(guān)鍵技術(shù)5。本文改進了目前廣泛應(yīng)用的日棒影圖算法，它使用了AO的拓撲分析功能，使得該算法的有效性與正確性得到提高。它的基本思路是先取空間點所在水平面(Z=H，H是空間點高度)為陰影承影面，然后求取建筑物在該承影面上的二維陰影多邊形，通過判斷該點與二維陰影多邊形的位置關(guān)系就可得出該點是否被建筑物遮陽。具體的計算方法如下：把需要分析的時間段比如是(8：0016：00)按期望的計算精度做有限細分，得到許多時間單元，對時間單元(如取10分鐘)考察待測點是否被周圍的建筑遮擋，若沒有任何建筑物遮擋該點采光，則該點的日照時間加上時間單位的長度。對每個時

10、間單元順序遍歷一次，并積累接收日照的時間，得到總長度即為全天日照時間。這個算法在實際應(yīng)用中，可以先得到一幢建筑物在一天中最大的陰影輪廓，然后判斷空間點是否在這個陰影輪廓中，如果不被包含，那么說明這幢建筑一天都不會對該點遮陽。這樣通過判斷是否包含，就是得需要分析的遮擋建筑物就減少了，從而加快了計算的速度。(3)日照間距的計算日照間距通常按下面的方式進行4： 根據(jù)要求建筑物達到的全天最小日照時間(minT)確定所需計算的時刻T。T=12-minT計算時刻T的太陽高度角Hs和太陽方位角As(公式(1)，公式(2)。計算日照間距系數(shù) CoeficientctanHs*cos(As-) 其中，為建筑的方

11、位角。計算日照間距LLH*Coeficient 其中，H為前棟建筑物的高度。2.2空間點的生成ArcScene自身沒有提供在Z0的平面上畫點的功能，為了能實現(xiàn)這個功能，在系統(tǒng)開發(fā)過程過引用了OpenGL1.2類庫。把屏幕上的點轉(zhuǎn)化為在三維空間中的坐標，OpenGL的gluUnProject ()可以完成這個過程。即根據(jù)已知屏幕上點的二維坐標(包括深度坐標) 以及經(jīng)過的變換矩陣可求出該點變換前在三維空間的坐標位置,但需要給定二維屏幕坐標的深度坐標,而這個深度坐標是無法事先確定的。為解決這個困難,考慮OpenGL的投影原理:視圖體前裁剪面深度為z1,后裁剪面深度為z2,z1z2;投影后的坐標的深度

12、坐標在默認情況下在0.01.0之間,即前、后裁剪面對應(yīng)的深度坐標分別為0.0和1.0。另一方面,一個二維的屏幕位置可以來源于三維空間的一條線上任意的位置,這條直線經(jīng)過空間中的點,并且分別與前、后裁剪面相交,最后成像于屏幕上的點. 因此,可分別以0.0和1.0為深度坐標,兩次調(diào)用gluUnProject(),得到視圖體前、后裁剪面上的兩個點,這兩個點確定一條直線,二維屏幕上的點對應(yīng)在空間就位于這條直線上,進一步,這條直線必定與窗口有交點.最后確定x和y值即為該點相對于所在窗口的坐標。算法如下：通過glGetDoublev()獲得ArcScene當(dāng)前的全局投影(projMatrix)、視區(qū)變換矩陣

13、(viewPort)和視圖模型變換矩陣(modelMatrix)。兩次調(diào)用gluUnProject(),點P(Wx,Wy)為讀到的鼠標在屏幕上的坐標,Wz分別為0.0 和1.0。由此得到前、后裁剪面上兩點P1(a1,b1,c1)和P2(a2,b2,c2)。P1和P2確定一條直線L,L 的方程為設(shè)鼠標點選確定窗口所在平面為M，M的方程為AX+BY+CZ+D=0。由于前面利用gluUnProject()求前后裁剪面交點時用到的modelMatrix是窗口所有模型視圖變換后的矩陣，因此此處的平面實際上相對于窗口位置的平面，即M的方程為Z0。這樣我們畫的點就是在Z0的平面上畫點了，實現(xiàn)了同ArcMap

14、一樣的功能。確定直線L與M的交點，由方程組：可得交點P（）。這樣就把屏幕坐標上的點轉(zhuǎn)化為了平面Z0上的點。3、 系統(tǒng)實現(xiàn)及應(yīng)用實例3.1 系統(tǒng)實現(xiàn)在ArcScene9.1的環(huán)境下，基于以上的關(guān)鍵算法，用Visual Basic6.0編程語言通過COM技術(shù)調(diào)用AO對象庫和OpenGL1.2，形成了一個名為SunAnalysis的ActiveX DLL。把它嵌入到ArcScene后，就完成了系統(tǒng)的研制。圖2 SunAnalysis3.2 應(yīng)用實例本文選取了上海市中心某個小區(qū)(東經(jīng)12128,3113)為研究對象，選取了日照條件最差的冬至日為研究時間段。進行了棒影棒影圖、最大陰影輪廓，陰影動態(tài)分析，

15、窗戶日照分析等操作。圖3、圖4分別是陰影動畫分析和窗戶日照分析的效果圖。圖 3 陰影動畫分析圖4 窗戶日照分析4、 結(jié)語本文對基于ArcObjects的三維日照分析系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)從基本原理、關(guān)鍵技術(shù)的分析、算法的設(shè)計、應(yīng)用實例等方面作了詳細的說明。目前ESRI公司的產(chǎn)品已經(jīng)越來越多的應(yīng)用到規(guī)劃、設(shè)計等部門。所以基于ArcObjects的日照分析地理信息系統(tǒng)（SunAnalysis）將會更加方便為城市規(guī)劃設(shè)計、小區(qū)規(guī)劃設(shè)計及建筑設(shè)計的窗戶日照時間、空間點日照時間、建筑陰影提供準確的日照分析，同時還可以對舊城改造、居民擋光糾紛提供準確的日照分析。隨著GIS各種技術(shù)的逐步完善和在城市規(guī)劃與管理中的應(yīng)用，相信必將帶來城市規(guī)劃與管理的重大變革。參考文獻：1 北京市城市規(guī)