基于ArcObject的三維日照分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、基于ArcObjects的三維日照分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(kāi)發(fā)方式，并對(duì)設(shè)計(jì)到的關(guān)鍵技術(shù)如日照分析技術(shù)、陰影動(dòng)畫(huà)顯示、三維建筑生成等技術(shù)做了詳細(xì)的介紹。最后對(duì)該系統(tǒng)的應(yīng)用做了簡(jiǎn)要介紹。0、 前言陽(yáng)光對(duì)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(jì)中如何充分利用太陽(yáng)能是非常重要的。我國(guó)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(shí)間不少于連續(xù)一小時(shí)1。隨著我國(guó)城市建設(shè)的飛速發(fā)展，建筑物的密度越來(lái)越大，新建高層樓房遮擋了原有房屋住戶本可以得到的陽(yáng)光的情況時(shí)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(duì)于某一建筑及周圍環(huán)境來(lái)說(shuō)，它的日照時(shí)間、日照面積、建筑陰影的變化都是隨著研究的地點(diǎn)、季節(jié)、時(shí)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(jì)算的方法早已不能滿足快速、準(zhǔn)確的日照分析要求。目前國(guó)內(nèi)實(shí)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(wú)錫市規(guī)劃局聯(lián)合開(kāi)發(fā)的日照分析系統(tǒng)軟件SUN。這些軟件在實(shí)際應(yīng)用過(guò)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(kāi)發(fā)的。隨著用戶對(duì)地理數(shù)據(jù)不斷提出更高的要求，這些系統(tǒng)已經(jīng)開(kāi)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(shí)3，對(duì)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(qiáng)大的地理數(shù)據(jù)管理、編輯、顯示、分析功能而越來(lái)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(kāi)發(fā)方式以其簡(jiǎn)單快速的特點(diǎn)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(jì)本系統(tǒng)有四個(gè)功能模塊，每個(gè)模塊分別由不同的幾個(gè)部分組成。設(shè)置和計(jì)算功能模塊。用戶可以設(shè)置分析的地點(diǎn)（北京、上海市的一些縣市）與分析的時(shí)間（節(jié)氣）。

5、并設(shè)定了分析的時(shí)間段（8：0016：00）。基于這些設(shè)置，在計(jì)算功能中，可以計(jì)算出該城市在某天，日出、日落的時(shí)間。用戶輸入不同的時(shí)間，可以得到這個(gè)時(shí)刻太陽(yáng)的高度角、方位角，并以可視化的形式表現(xiàn)出來(lái)。選擇工具模塊。提供了兩個(gè)選擇工具，一個(gè)是ArcScene自身帶的，它每次只能選擇一條記錄。另一個(gè)可以讓用戶同時(shí)選中好幾條記錄。編輯模塊。該模塊由三個(gè)工具組成。刪除：刪除選中的記錄，畫(huà)點(diǎn)：在Z0的平面上畫(huà)點(diǎn)。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(gè)功能組成。生成棒影

6、圖：點(diǎn)擊ArcScene視圖上的某一點(diǎn)，輸入棒的高度，得到這天該棒產(chǎn)生的棒影圖。瞬時(shí)陰影輪廓分析：選中某區(qū)域內(nèi)的一個(gè)建筑物，得到它在某時(shí)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(gè)建筑物，得到它特定時(shí)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(gè)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(gè)間隔，動(dòng)態(tài)展現(xiàn)陰影的變化。周邊影響分析：選中一個(gè)窗戶，然后分析在這個(gè)區(qū)域內(nèi)有哪些建筑對(duì)它產(chǎn)生遮擋，然后這些建筑高亮顯示?？臻g點(diǎn)分析：選中幾個(gè)點(diǎn)作為分析的對(duì)象，選中可能的遮擋建筑，來(lái)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(lái)判斷該位置是否符合國(guó)家關(guān)于日照時(shí)間的規(guī)范。窗口日照分析：選中幾個(gè)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(duì)象，選中可能的遮擋建筑，來(lái)分析這些窗戶在全年日照條件最差的一天（冬至）的日照時(shí)間段，包括最長(zhǎng)連續(xù)日照時(shí)間，日照時(shí)間段。三維日照分析地理信息系統(tǒng)設(shè)置和計(jì)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(shí)間和地點(diǎn)太陽(yáng)方位計(jì)算選一條記錄選多條記錄刪除畫(huà)點(diǎn)構(gòu)建房屋生成棒影圖瞬時(shí)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(diǎn)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(yáng)運(yùn)行軌跡、日照時(shí)間、

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

9、法的設(shè)計(jì)計(jì)算空間中某一點(diǎn)是否被建筑物遮陽(yáng)是日照時(shí)間分析的關(guān)鍵技術(shù)5。本文改進(jìn)了目前廣泛應(yīng)用的日棒影圖算法，它使用了AO的拓?fù)浞治龉δ埽沟迷撍惴ǖ挠行耘c正確性得到提高。它的基本思路是先取空間點(diǎn)所在水平面(Z=H，H是空間點(diǎn)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(guò)判斷該點(diǎn)與二維陰影多邊形的位置關(guān)系就可得出該點(diǎn)是否被建筑物遮陽(yáng)。具體的計(jì)算方法如下：把需要分析的時(shí)間段比如是(8：0016：00)按期望的計(jì)算精度做有限細(xì)分，得到許多時(shí)間單元，對(duì)時(shí)間單元(如取10分鐘)考察待測(cè)點(diǎn)是否被周圍的建筑遮擋，若沒(méi)有任何建筑物遮擋該點(diǎn)采光，則該點(diǎn)的日照時(shí)間加上時(shí)間單位的長(zhǎng)度。對(duì)每個(gè)時(shí)

10、間單元順序遍歷一次，并積累接收日照的時(shí)間，得到總長(zhǎng)度即為全天日照時(shí)間。這個(gè)算法在實(shí)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(diǎn)是否在這個(gè)陰影輪廓中，如果不被包含，那么說(shuō)明這幢建筑一天都不會(huì)對(duì)該點(diǎn)遮陽(yáng)。這樣通過(guò)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(jì)算的速度。(3)日照間距的計(jì)算日照間距通常按下面的方式進(jìn)行4： 根據(jù)要求建筑物達(dá)到的全天最小日照時(shí)間(minT)確定所需計(jì)算的時(shí)刻T。T=12-minT計(jì)算時(shí)刻T的太陽(yáng)高度角Hs和太陽(yáng)方位角As(公式(1)，公式(2)。計(jì)算日照間距系數(shù) CoeficientctanHs*cos(As-) 其中，為建筑的方

11、位角。計(jì)算日照間距LLH*Coeficient 其中，H為前棟建筑物的高度。2.2空間點(diǎn)的生成ArcScene自身沒(méi)有提供在Z0的平面上畫(huà)點(diǎn)的功能，為了能實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程過(guò)引用了OpenGL1.2類庫(kù)。把屏幕上的點(diǎn)轉(zhuǎn)化為在三維空間中的坐標(biāo)，OpenGL的gluUnProject ()可以完成這個(gè)過(guò)程。即根據(jù)已知屏幕上點(diǎn)的二維坐標(biāo)(包括深度坐標(biāo)) 以及經(jīng)過(guò)的變換矩陣可求出該點(diǎn)變換前在三維空間的坐標(biāo)位置,但需要給定二維屏幕坐標(biāo)的深度坐標(biāo),而這個(gè)深度坐標(biāo)是無(wú)法事先確定的。為解決這個(gè)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(biāo)的深度

12、坐標(biāo)在默認(rèn)情況下在0.01.0之間,即前、后裁剪面對(duì)應(yīng)的深度坐標(biāo)分別為0.0和1.0。另一方面,一個(gè)二維的屏幕位置可以來(lái)源于三維空間的一條線上任意的位置,這條直線經(jīng)過(guò)空間中的點(diǎn),并且分別與前、后裁剪面相交,最后成像于屏幕上的點(diǎn). 因此,可分別以0.0和1.0為深度坐標(biāo),兩次調(diào)用gluUnProject(),得到視圖體前、后裁剪面上的兩個(gè)點(diǎn),這兩個(gè)點(diǎn)確定一條直線,二維屏幕上的點(diǎn)對(duì)應(yīng)在空間就位于這條直線上,進(jìn)一步,這條直線必定與窗口有交點(diǎn).最后確定x和y值即為該點(diǎn)相對(duì)于所在窗口的坐標(biāo)。算法如下：通過(guò)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(diǎn)P(Wx,Wy)為讀到的鼠標(biāo)在屏幕上的坐標(biāo),Wz分別為0.0 和1.0。由此得到前、后裁剪面上兩點(diǎn)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(biāo)點(diǎn)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(diǎn)時(shí)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(shí)際上相對(duì)于窗口位置的平面，即M的方程為Z0。這樣我們畫(huà)的點(diǎn)就是在Z0的平面上畫(huà)點(diǎn)了，實(shí)現(xiàn)了同ArcMap

14、一樣的功能。確定直線L與M的交點(diǎn)，由方程組：可得交點(diǎn)P（）。這樣就把屏幕坐標(biāo)上的點(diǎn)轉(zhuǎn)化為了平面Z0上的點(diǎn)。3、 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用實(shí)例3.1 系統(tǒng)實(shí)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(yǔ)言通過(guò)COM技術(shù)調(diào)用AO對(duì)象庫(kù)和OpenGL1.2，形成了一個(gè)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(shí)例本文選取了上海市中心某個(gè)小區(qū)(東經(jīng)12128,3113)為研究對(duì)象，選取了日照條件最差的冬至日為研究時(shí)間段。進(jìn)行了棒影棒影圖、最大陰影輪廓，陰影動(dòng)態(tài)分析，

15、窗戶日照分析等操作。圖3、圖4分別是陰影動(dòng)畫(huà)分析和窗戶日照分析的效果圖。圖 3 陰影動(dòng)畫(huà)分析圖4 窗戶日照分析4、 結(jié)語(yǔ)本文對(duì)基于ArcObjects的三維日照分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)從基本原理、關(guān)鍵技術(shù)的分析、算法的設(shè)計(jì)、應(yīng)用實(shí)例等方面作了詳細(xì)的說(shuō)明。目前ESRI公司的產(chǎn)品已經(jīng)越來(lái)越多的應(yīng)用到規(guī)劃、設(shè)計(jì)等部門。所以基于ArcObjects的日照分析地理信息系統(tǒng)（SunAnalysis）將會(huì)更加方便為城市規(guī)劃設(shè)計(jì)、小區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)及建筑設(shè)計(jì)的窗戶日照時(shí)間、空間點(diǎn)日照時(shí)間、建筑陰影提供準(zhǔn)確的日照分析，同時(shí)還可以對(duì)舊城改造、居民擋光糾紛提供準(zhǔn)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(lái)城市規(guī)劃與管理的重大變革。參考文獻(xiàn)：1 北京市城市規(guī)