基于City Engine的日照分析研究

閆文勇 吳靚 黃振東 郝曉東 褚永彬

摘要：討論了光照分析原理以及所準備的數(shù)據(jù)，提出了基于City Engine的日照分析方法，實現(xiàn)了小區(qū)居民樓光照分析。也為快速構建三維大場景建筑物的光照分析提供方法。

關鍵詞：City Engine；光照分析；三維模型

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）04-0262-03

City Engine Based Sunlight Analysis

YAN Wen-yong， WU Jing， HUANG Zhen-dong， HAO Xiao-dong， CHU Yong-bin

（Chengdu University of Information Technology College of Resources and Environment， Chengdu 610225， China）

Abstract： The article talks about illumination analysis principle and the prepared data， it puts forward sunshine on the current analysis by City Engine， which realized the analysis of residential buildings light， it also provides a method for quickly analyzing the illumination of buildings in three-dimensional large scenes.

Keywords： City Engine； lighting analysis； three-dimensional model

伴隨著城市中越來越多的樓房、高架橋和高架路等高大建筑物的建成，人們開始逐漸意識到高大且密集的建筑物，直接影響了1年中光線在不同方向不同地點的光照情況，進而影響其年平均光照強度和采光時間[1]。而在區(qū)域建筑構造過程中，科學的光照分析，有利于最大化利用光照和土地資源，并且合理安排采光條件也是人民幸福感提升的必然要求。

在現(xiàn)有日照分析技術下，國內外學者主要利用日照時數(shù)、日照陰影[2]、日照間距、建筑遮擋判斷遮擋關系，提出了建筑物CAD法通視分析法[3]、幾何光學法等方法[4]。建模方式主要采用拉伸附加屋頂結構的方式構造建筑物模型，這種建模方式未考慮現(xiàn)實世界中日照分析場景的真三維特性[5]，簡單的拉伸不便于描述現(xiàn)實世界中建筑實體的復雜性。從嚴格意義上講，這是一種偽三維場景。然而現(xiàn)實世界是三維的，作為對現(xiàn)實世界日照情況的刻畫，日照分析也必須基于真實地理場景下的眾多真三維地形/地物要素進行快速、準確的分析與模擬[6]。City Engine可以利用二維數(shù)據(jù)快速創(chuàng)建三維場景，通過交互式工具根據(jù)建筑物側面紋理交互式的創(chuàng)建詳細的建模規(guī)則，從而實現(xiàn)批量建模。本文利用City Engine快速構建三維大場景建筑物的技術優(yōu)勢，光照分析，實現(xiàn)真實地理場景中快速、準確的日照分析。

1 幾何City Engine的空間數(shù)據(jù)模型

以GIS、RS、GPS為主的3S系統(tǒng)的迅猛發(fā)展為快速構建三維城市提供了重要保障。紋理映射、光照模型、遙感影像處理等三維景觀模擬的關鍵技術的不斷革新，以此為基礎建立了從矢量圖形輸入、三維規(guī)則編寫等技術路線，能夠直接應用于大范圍虛擬地形環(huán)境視景數(shù)據(jù)庫的三維景觀模擬分析的技術流程[7]。

1.1 數(shù)據(jù)范圍

本文選取成都市雙流縣某小區(qū)為研究區(qū)域，該區(qū)域地處東經(jīng)—，北緯—，建筑物為六層樓房建筑，綠化區(qū)樹木高大枝葉茂盛。

1.2 數(shù)據(jù)準備及預處理

構建三維建筑物模型一般需要準備建筑物投影底圖、底圖矢量數(shù)據(jù)（包括矢量化道路中心線、建筑地面、綠化等），此外，紋理貼圖部分需要準備紋理圖片、數(shù)字正射影像（DOM）[8]等數(shù)據(jù)使得所構建的模型外觀與建筑物相同。矢量化后須要對矢量數(shù)據(jù)添加屬性字段，編輯道路寬度、建筑高度和風格等。

1.3 建筑物外立面三維模型的建立

建筑物模型規(guī)則建模的思路較為簡單，首先，對紋理以及形狀基本相同的建筑物只需將一個通用的規(guī)則調用到矢量圖層上，因此對于一般區(qū)域只需編寫幾個常見建筑物類型的規(guī)則就可以快速、批量地構建三維建模[9]，而建筑結構復雜建筑物之間由于存在的共性并不多，表面紋理存在明顯差異，通常針對建筑物單獨編寫相應規(guī)則，使得所構建的三維模型真實可靠。

2 日照分析的基本模型

太陽光照分布情況與太陽高度角、太陽方位角、建筑物的地理位置有著密切的關系[10]。

2.1 推算公式

2.1.1 太陽時角

太陽時角是指，日面中心的時角，即從觀測點天球子午圈沿天赤道量至太陽所在時圈的角距離，通常用T表示。從日照原理可知，地球每小時自轉15度，設時間為t（0≤t<24）。

2.1.2 太陽高度角

太陽高度角是指，某地太陽光線與通過該地與地心相連的地表切面的夾角。用a表示。計算公式：

其中，表示太陽赤緯角，表示該點的地球緯度值，表示太陽時角。日出和日落時間即是太陽高度角的時間。

2.1.3 太陽方位角

太陽方位角是指，指太陽光線在地平面上的投影與當?shù)亟?jīng)線的夾角，可近似地看作是豎立在地面上的直線在陽光下的陰影與正南方的夾角。一般規(guī)定正南方向是0度，正西為正值，正東為負值。計算公式：

其中，b表示太陽方位角，a表示太陽高度角，表示太陽赤緯角，表示該點的維度值。

3 輔助空間日照決策支持