三維日照分析在規(guī)劃審批中的應(yīng)用

盧丹丹，吳易璿，潘澄

(武漢市測(cè)繪研究院，湖北 武漢 430022)

三維日照分析在規(guī)劃審批中的應(yīng)用

盧丹丹*，吳易璿，潘澄

(武漢市測(cè)繪研究院，湖北 武漢 430022)

為了改善傳統(tǒng)二維日照分析中存在的操作過程繁瑣、表達(dá)效果不直觀等問題，本文采用成熟的三維仿真與GIS技術(shù)，通過研究三維日照分析的數(shù)值計(jì)算方法，搭建了城市規(guī)劃三維審批輔助系統(tǒng)，將三維效果表現(xiàn)與數(shù)值表達(dá)結(jié)合，使日照查詢分析結(jié)果更直觀、更準(zhǔn)確，實(shí)現(xiàn)了三維日照分析方法在建筑規(guī)劃審批中的應(yīng)用，提高了建筑規(guī)劃審批的直觀性、科學(xué)性和準(zhǔn)確性。

城鄉(xiāng)規(guī)劃審批；三維日照分析；三維仿真技術(shù)；日照分析模型

1 引 言

近年來，我國隨著城市建設(shè)的發(fā)展，城市居住環(huán)境愈來愈受到人們的重視，百姓對(duì)生活居住環(huán)境要求也在不斷提高。其中，日照作為居住環(huán)境的重要組成部分已普遍得到百姓的重視，如何保護(hù)已有的“陽光權(quán)”已成為備受社會(huì)大眾及媒體關(guān)注的話題。

城鄉(xiāng)規(guī)劃審批通常以建筑日照作為判斷居住環(huán)境質(zhì)量水平的一項(xiàng)重要標(biāo)準(zhǔn)，它既決定著每戶住宅的日照條件，也決定著居住區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)中的住宅布局方位和住宅建筑間距。而目前實(shí)踐中，普遍采用建筑間距方法來籠括該指標(biāo)定義，但是間距指標(biāo)不等同于建筑日照的衡量：

(1)具體審批建筑的實(shí)際情況(高層、異型、非正南北方向等因素)各有不同，遇到特別的案例時(shí)，不同的承辦人員對(duì)間距控制的理解和把握分寸各有不同；

(2)《城市居住區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50180-93)對(duì)建筑物的窗戶日照時(shí)間有明確規(guī)定：城市居住建筑墻外窗戶的滿窗日照時(shí)間不應(yīng)低于冬至日(大寒日)日照 2 h，而該規(guī)定無法在建筑間距指標(biāo)中控制；

(3)在建筑物被遮擋處沒有窗戶，或者有窗戶而沒被遮擋的情況下完全可以壓縮建筑間距，而建筑間距控制卻不能提供有效的控制方法。

因此，在城鄉(xiāng)規(guī)劃審批過程中如何直觀準(zhǔn)確地進(jìn)行建筑日照分析，合理確定建筑物朝向、間距以及研究房屋形體和房屋陰影造成的影響，節(jié)約土地并保證日照環(huán)境質(zhì)量，為居民創(chuàng)造良好的條件是新時(shí)期城鄉(xiāng)規(guī)劃與管理必須考慮的問題。

2 三維日照分析簡述

2.1 三維日照分析

三維仿真技術(shù)以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，利用高性能、高集成的計(jì)算機(jī)硬、軟件，集成圖形圖像技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)、傳感技術(shù)及多媒體技術(shù)，營造了一個(gè)“3I”(交互性Interactivity、沉浸感Illusion of Immersion和構(gòu)想性Imagination)的虛擬環(huán)境。在城鄉(xiāng)規(guī)劃審批過程中，三維仿真技術(shù)常用于方案對(duì)比、方案調(diào)整、輔助規(guī)劃設(shè)計(jì)、日照分析、領(lǐng)導(dǎo)決策、宣傳展示等方面。

日照分析主要以建筑及其周圍環(huán)境所在地點(diǎn)、季節(jié)、時(shí)間為考察對(duì)象，利用太陽運(yùn)動(dòng)規(guī)律，通過棒影日照?qǐng)D解算，評(píng)定出日照指標(biāo)。其中日照指標(biāo)主要包括日照時(shí)間、日照質(zhì)量。日照時(shí)間是以住宅向陽房間在規(guī)定的日照標(biāo)準(zhǔn)日受到的日照時(shí)數(shù)為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。日照質(zhì)量是指每小時(shí)室內(nèi)地面和墻面陽光照射面積累計(jì)的大小以及陽光中紫外線的效用高低。

三維日照分析是建立在三維仿真技術(shù)平臺(tái)之上，通過建立審批區(qū)日照分析三維模型，得到影長與太陽運(yùn)動(dòng)時(shí)間的關(guān)系，解算出日照時(shí)間，遮陽與陰影關(guān)系，最后利用顯示硬件的Stencil技術(shù)，以實(shí)時(shí)渲染方式顯示在三維仿真場景內(nèi)的過程。

2.2 三維日照分析與傳統(tǒng)方式的比較

傳統(tǒng)的日照計(jì)算方法是手工繪制棒影日照?qǐng)D，從而獲得該建筑物總的日照時(shí)數(shù)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，城市規(guī)劃部門逐步采用二維CAD方式進(jìn)行計(jì)算。但是，二維CAD方式?jīng)]有考慮地形和建筑物屋頂?shù)挠绊憽Ｇ冶憩F(xiàn)方式主要以書面報(bào)告呈現(xiàn)，數(shù)據(jù)指標(biāo)以抽象、專業(yè)的日照等時(shí)線圖表達(dá)，不容易解釋，表示上容易造成糾紛，制作周期較長。

與傳統(tǒng)日照分析相比，三維日照分析其基本算法和思想同二維CAD方式一致，且具備以下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：

(1)三維日照分析構(gòu)建了與實(shí)際相仿的三維環(huán)境，采用動(dòng)態(tài)交互的方式對(duì)規(guī)劃模型與現(xiàn)狀模型進(jìn)行全方位的觀察，可以以各種漫游模式進(jìn)行場景的瀏覽，如：行走、駕車、飛行、定制路徑、繞點(diǎn)飛行。

(2)三維日照分析采用三維仿真技術(shù)，在虛擬的三維場景中進(jìn)行日照陰影模擬和日照時(shí)間計(jì)算，第一時(shí)間將計(jì)算結(jié)果直接表現(xiàn)于三維模型上，回避了日照?qǐng)D表的專業(yè)性，縮短了制作周期，真正實(shí)現(xiàn)了日照計(jì)算結(jié)果的所見即所得。

(3)日照指標(biāo)的計(jì)算采用改良的算法，可以快速計(jì)算出日照時(shí)間與日照關(guān)系，滿足三維仿真系統(tǒng)的實(shí)時(shí)要求，并且表現(xiàn)形式上采用陰影模擬、滿窗時(shí)間標(biāo)識(shí)、日照曲面運(yùn)動(dòng)模擬、區(qū)域日照分析圖斑等表達(dá)方式，能夠直觀、簡單的解釋抽象概念的數(shù)據(jù)。

3 三維日照分析發(fā)展?fàn)顩r

3.1 國外應(yīng)用現(xiàn)狀

目前國外的一些發(fā)達(dá)國家如日本、美國、英國等對(duì)日照問題比較重視，特別是英國在有關(guān)日照方面的研究和實(shí)用方面，走在了其他國家的前面，制定了其國內(nèi)通用的日照法規(guī)并推動(dòng)了應(yīng)用軟件的研制。英國Waterslade公司開發(fā)的日照陰影分析軟件擁有全面的日照時(shí)間和陰影分析功能，為城市規(guī)劃、建筑師以及居民等提供科學(xué)準(zhǔn)確、完善的日照分析數(shù)據(jù)。

3.2 國內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀

近些年來，國內(nèi)許多單位陸續(xù)推出了日照分析軟件，例如眾智軟件有限公司與無錫規(guī)劃局于2000年主項(xiàng)開發(fā)的SUN日照分析軟件，天正工程軟件有限公司的日照分析模塊，清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系與清華大學(xué)建筑學(xué)院開發(fā)的THSEA日照環(huán)境分析系統(tǒng)，聯(lián)圖公司的日照分析軟件2.0以及鴻業(yè)科技開發(fā)的城市規(guī)劃日照分析軟件——HYSA v3.0等等。這些日照分析軟件在規(guī)劃和設(shè)計(jì)單位得到較好應(yīng)用。

3.3 發(fā)展趨勢(shì)

上述日照分析軟件大都是基于二維CAD實(shí)現(xiàn)，不僅操作過程比較繁瑣，而且在陰影遮擋分析方面，繪制的平面日照陰影分析圖不直觀，人們感興趣的是在真實(shí)的“再現(xiàn)場景”中進(jìn)行漫游、規(guī)劃、設(shè)計(jì)，實(shí)時(shí)體驗(yàn)環(huán)境的變化。因此，武漢市測(cè)繪研究院利用成熟三維仿真技術(shù)，開發(fā)三維日照分析的數(shù)值計(jì)算模塊，從而打破了三維仿真僅在景觀表現(xiàn)上的應(yīng)用局限，完全將效果表現(xiàn)與數(shù)值表達(dá)結(jié)合。既方便設(shè)計(jì)人員從容設(shè)計(jì)，又為決策者提供科學(xué)和準(zhǔn)確的審批途徑。

4 三維日照分析在規(guī)劃審批中的應(yīng)用

武漢市測(cè)繪研究院在已研制的《城市規(guī)劃三維審批輔助系統(tǒng)》基礎(chǔ)上開發(fā)了日照分析子系統(tǒng)SunAnalysis。該子系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟮木幊趟悸?，完成日照分析算法的?yōu)化，集成現(xiàn)狀模型、規(guī)劃模型及相關(guān)屬性信息，實(shí)現(xiàn)了三維日照的模擬、計(jì)算及分析。

4.1 數(shù)據(jù)內(nèi)容

圍繞日照分析所需的數(shù)據(jù)對(duì)建筑的采集與處理應(yīng)包括以下幾方面內(nèi)容：

(1)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：建筑總平面施工圖、地形圖；

(2)必備數(shù)據(jù)：建筑物高程(基地高程、房頂高程、室內(nèi)地坪)、窗戶信息(窗戶方位、窗底高程、窗戶寬度、窗戶高度)。

城市日照分析涉及建筑物數(shù)量巨大，如何高效準(zhǔn)確的獲取這些基本數(shù)據(jù)是進(jìn)行日照分析的關(guān)鍵步驟之一。其中建筑物的地理經(jīng)緯度和地形高程數(shù)據(jù)可以從基礎(chǔ)數(shù)據(jù)上準(zhǔn)確獲得，而必備數(shù)據(jù)的采集目前常用的方式有兩種：航測(cè)立體像對(duì)的內(nèi)業(yè)采集和人工外業(yè)三角高程測(cè)量。

4.2 系統(tǒng)集成

該日照分析子系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)建庫、規(guī)劃數(shù)據(jù)管理、三維可視化、日照分析等模塊，如圖1所示。

4.3 功能概述

在準(zhǔn)確的日照分析時(shí)間基礎(chǔ)上，結(jié)合規(guī)劃審批規(guī)范要求，針對(duì)日照分析，該子系統(tǒng)提供以下基本功能：

(1)單點(diǎn)日照分析：選擇三維場景中任意空間，即可實(shí)時(shí)計(jì)算出該點(diǎn)在當(dāng)天的累計(jì)日照時(shí)間、最長日照時(shí)間，并繪制日照?qǐng)A錐曲線。

(2)窗戶日照分析：選擇三維場景中任意建筑物窗戶，即可實(shí)時(shí)計(jì)算出該窗戶在當(dāng)天的左窗日照時(shí)間、右窗日照時(shí)間和滿窗日照時(shí)間。

(3)單體日照分析：選擇三維場景中任意建筑物，即可實(shí)時(shí)計(jì)算出該建筑外墻每一窗戶的滿窗日照時(shí)間，并將計(jì)算結(jié)果分時(shí)段以不同顏色表現(xiàn)，使用戶一目了然窗戶日照情況。

(4)日照遮擋分析：選擇任意區(qū)塊，即可實(shí)時(shí)計(jì)算當(dāng)前區(qū)塊中建筑物的當(dāng)天相互遮擋情況。

(5)區(qū)域日照分析：選擇任意區(qū)域，給定時(shí)間和距離間隔，即可實(shí)時(shí)計(jì)算出當(dāng)前區(qū)域地面各間隔點(diǎn)在當(dāng)天的日照時(shí)間，并將計(jì)算結(jié)果分時(shí)段以不同顏色繪制于三維地形之上。

(6)日照陰影模擬：不僅實(shí)現(xiàn)建筑物日照陰影的靜態(tài)模擬，而且實(shí)現(xiàn)全天日照陰影的動(dòng)態(tài)模擬。

4.4 項(xiàng)目案例

武漢市測(cè)繪研究院利用三維日照分析子系統(tǒng)，以武漢市武昌區(qū)某商用住宅小區(qū)為案例，制作并完成了該小區(qū)的日照分析報(bào)告，圖2～圖5分別為對(duì)該小區(qū)進(jìn)行的單體陰影靜態(tài)模擬、單點(diǎn)日照分析、單體窗戶日照分析和區(qū)域日照分析功能演示。該小區(qū)的日照分析案例受到了同行的一致好評(píng)。

圖2 單體陰影顯示

圖3 單點(diǎn)日照分析

圖4 單體窗戶分析

圖5 區(qū)域日照分析

5 結(jié) 語

三維日照分析是一項(xiàng)新型的技術(shù)應(yīng)用，目前對(duì)數(shù)據(jù)采集提出了較高的要求。如何準(zhǔn)確、高效地采集并制作三維日照分析需要的數(shù)據(jù)，并將其融合到規(guī)劃審批實(shí)際環(huán)節(jié)，是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，還需要進(jìn)一步深入研究。

[1] 朱慶，林琿. 數(shù)碼城市地理信息系統(tǒng)[M]. 武漢：武漢大學(xué)出版社，2004：110.

[2] 吳穎. 數(shù)碼城市GIS中的日照分析研究[J]. 測(cè)繪通報(bào)，2007(12)：62～65.

[3] 眭海剛，陳松林，朱慶. 基于數(shù)碼城市GIS的日照分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2004(6)：164～167.

[4] 劉艷，馬勁松，張永玉. 三維GIS中R樹空間索引研究[J]. 測(cè)繪科學(xué)，2010，35：167～168.

[5] 范文兵. 建筑日照分析測(cè)量內(nèi)容及方法探討[J]. 城市勘測(cè)，2006(8)：28～30.

[6] 劉滿倉. 日照分析軟件在規(guī)劃管理中的意義[J]. 山西焦煤科技，2003(7)：39～40.

[7] 王立言，孫培巨，閻峰等. 日照分析軟件在規(guī)劃管理中的應(yīng)用[J]. 青島理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，28：111～113.

[8] 張野. 數(shù)碼城市GIS日照分析模型[J]. 中國科技博覽，2009(29)：31～32.

The Application of 3D Sunshine Analysis in Planning Approval

Lu Dandan，Wu Yixuan，Pan Cheng

(Wuhan Geomatics Institute，Wuhan 430022，China)

In order to improve the shortcoming of the traditional 2D sunlight analysis，this paper uses the proven 3D and GIS technology，develops the function of numerical calculate and three-dimensional show in sunlight analysis，building the 3D system of urben planning approval，the combin of 3D and numeric expression make the analysis more intuitive and more accuracy，realizes the application in urban planning approval，upgrades the effect and efficiency of planning approval.

urban and rural planning approval；3D sunshine analysis；3D simulation technology；sunshine analysis model

1672-8262(2017)01-55-04

P208.2

B

2016—08—22 作者簡介：盧丹丹(1981—)，女，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)槿S地理信息系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用。 基金項(xiàng)目：精密工程與工業(yè)測(cè)量國家測(cè)繪局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目(PE2009-4)