基于GIS開發(fā)的道路照明分析系統(tǒng)

張凇源 蔡永香 劉景潔 林思奇 胡苛榆

摘要：城市照明是我國節(jié)約資源、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的一項社會性工程。城市中一些道路照明的分布存在著不合理性，可能造成大量資源浪費，同時還有一些道路由于燈具老化等原因，導(dǎo)致路燈照度降低，這給人們的夜間出行帶來諸多不便。利用GIS空間分析技術(shù)，基于ArcEngine設(shè)計開發(fā)了一個道路照明分析系統(tǒng)，可對道路照明數(shù)據(jù)進行分析，并可視化地表達出研究區(qū)域的道路照明情況;基于該系統(tǒng)對長江大學武漢校區(qū)的道路照明情況進行了可視化分析，其結(jié)論和建議能為道路照明的節(jié)電改造降耗等提供科學參考，為路燈管控提供定量支持。

關(guān)鍵詞：ArcEngine;道路照明;可視化分析;節(jié)能改造

中圖分類號：TP311.1? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）15-0043-03

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人們對居住條件和照明環(huán)境的要求也在不斷提高。道路照度不足，不方便人們的夜間活動，甚至存在安全隱患;道路照度過量，又會造成資源浪費，帶來環(huán)境污染。因此，一些研究人員展開了有關(guān)路燈照明管控方面的研究。

華北電力大學的李茂偉[1]在驅(qū)動管理一體化LED路燈終端的基礎(chǔ)上，研究了基于GIS的路燈控制管理系統(tǒng)，提高了監(jiān)控管理效率;上海交通大學姜曉斌[2]建立了一個智能路燈照明管理系統(tǒng)平臺，用于更便利地管理城市的路燈照明。研究人員圍繞道路照明智能管控這一方向，進行了一系列的研究[3-6]。

對區(qū)域空間照度進行分析和可視化表達是照明系統(tǒng)高效管控的基礎(chǔ)，本研究建設(shè)一個基于GIS的道路照度分析系統(tǒng)，并基于該系統(tǒng)對長江大學武漢校區(qū)的道路照明情況進行了可視化分析，其分析結(jié)果能為道路照明改造提供科學參考。

1 照明標準與測量

1.1 道路分類標準

《城市道路照明設(shè)計標準》（CJJ 45—2015）[7]中將道路根據(jù)人流量的不同，分為了4個類型等級：1）高流量道路;2）流量較高的道路;3）流量中等的道路;4）流量較低的道路。并對不同種類型道路給出了平均照度、最小照度的標準值，如表1所示。

1.2 測量方法

根據(jù)《照明測量方法》（GB/T 5700-2008）[8]的要求，照度測量可采用四點法或中心點法進行。四點法是指將測量區(qū)域劃分為大小相同的矩形網(wǎng)格，每個矩形網(wǎng)格的四個角即為測點[8]。中心點法是指將測量區(qū)域劃分為大小相等的矩形網(wǎng)格，每個矩形網(wǎng)格的中心即為測點[8]。

除了測量點外，在進行照度可視化時，道路上其他空間點位的照度可用空間插值獲得。

2 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)的目的是基于GIS空間分析技術(shù)，對照度數(shù)據(jù)進行分析，可視化地表達出道路照度的空間分布狀況。因此，本系統(tǒng)除了兼具GIS系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)加載與編輯、圖層管理、顯示與導(dǎo)出等功能外，還需要有對測量數(shù)據(jù)進行照明分析以及可視化表達等功能。基于以上需求，進行了系統(tǒng)設(shè)計，系統(tǒng)總體框架如圖3所示。系統(tǒng)一共分為四個功能模塊，分別是數(shù)據(jù)加載與輸出、地圖功能、數(shù)據(jù)處理、照明分析，每個模塊又包含若干個子功能。系統(tǒng)在Visual Studio 2010開發(fā)環(huán)境下調(diào)用ArcEngine 10.2 組件編程實現(xiàn)。系統(tǒng)主界面分為菜單欄、圖層管理、主視圖、鷹眼視圖以及坐標顯示等5個區(qū)域，調(diào)用ArcEngine提供的MapControl、TOCControl、ToolbarControl等控件完成。

2.2 系統(tǒng)實現(xiàn)

數(shù)據(jù)加載與地圖導(dǎo)出，該模塊包括三個部分，數(shù)據(jù)加載、地圖保存和地圖導(dǎo)出。ArcEngine提供的相關(guān)接口和方法可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)加載[9]。數(shù)據(jù)輸出可分為地圖保存和地圖導(dǎo)出，地圖文檔的保存可分為地圖保存和另存為，通過調(diào)用IMapDocument接口可實現(xiàn)，地圖導(dǎo)出可用IActiveView接口中的output方法實現(xiàn)。

地圖功能分為地圖瀏覽、地圖標注和圖層管理三個部分。地圖瀏覽功能可通過調(diào)用MapControl提供的方法、屬性或者函數(shù)實現(xiàn)[9]。地圖標注實現(xiàn)的方式有兩種，一是TextElement標注，即將地圖中某一圖層的某一屬性值顯示在地圖上，二是MapTips顯示，當鼠標停留在某一個要素顯示標注，可以避免地圖上顯示的內(nèi)容過多造成信息擁擠。圖層管理功能在系統(tǒng)中即為TOCControl的右鍵事件，只需要添加ContextMenuStrip控件，然后在這個控件中添加圖層管理的功能即可實現(xiàn)。

照明數(shù)據(jù)處理，用照度測量相關(guān)儀器進行照度測量獲取部分數(shù)據(jù)，其余數(shù)據(jù)可通過空間插值得到。但在插值過程中，有些區(qū)域插值會出現(xiàn)照度值為負的情況，可使用條件分析功能將照度為負的值修改為0。條件分析功能主要使用IConditionalOp接口以及RasterConditionalOpClass類來實現(xiàn)。

照明分析和可視化表達，空間分析是地理信息系統(tǒng)軟件區(qū)別于其他計算機軟件的重要特點。在ArcMap軟件中，空間分析的工具均存放在ArcToolbox中，進行二次開發(fā)時，可通過調(diào)用Geoprocessor類實現(xiàn)空間分析功能。本系統(tǒng)通過調(diào)用GP工具，實現(xiàn)了道路照明分析和可視化表達的功能。柵格渲染用于將照度可視化結(jié)果數(shù)據(jù)進行渲染，可根據(jù)需要進行拉伸渲染或分類渲染。圖層透明是將某些圖層根據(jù)需求設(shè)置為透明，方便用戶查看可視化分析表達結(jié)果時，也能看清底圖。

3 實驗數(shù)據(jù)可視化分析

3.1 實驗數(shù)據(jù)獲取

根據(jù)校園內(nèi)道路的人車流量實際情況，首先按照道路分類標準進行了道路級別的劃分，結(jié)果如表2所示，其次，對長江大學武漢校區(qū)的校園道路進行照度測量，在本研究中，主要使用ST-9813數(shù)字照度計和SW-M100紅外線測距儀進行照度測量，測量時間為20：00-23：00。然后進行路面平均照度和照度均勻度的計算，結(jié)果如表3所示。B071053F-FFEC-4FBC-9986-1D2660FD51B5

3.2 結(jié)果可視化分析

在道路照明分析系統(tǒng)中對長江大學武漢校區(qū)的照度測量數(shù)據(jù)進行分析，得到的道路照明可視化分析結(jié)果如圖2所示，下面按照表2中不同級別道路的照明標準值對道路進行分析。

涉江路位于長江大學武漢校區(qū)連接教學區(qū)域與學生宿舍及圖書館的位置，同時也是機動車與人行混合使用的道路，屬于1級道路;伯牙路與子期路是長江大學武漢校區(qū)的環(huán)路，是校內(nèi)車輛行駛的主要道路，屬于1級道路，科技路位于石油科技大樓前，是通向石油科技大樓的主路，每晚會有大量的老師和同學完成科研任務(wù)返回寢室經(jīng)過此路，屬于2級道路。從表3可看出，涉江路、伯牙路、子期路和科技路其路面照度平均值分別為25.14lx、22.88lx、21.36lx和14.84lx，最小照度值為12.3lx、10.8lx、7.2lx、4.8lx，平均照度值和最小照度值分別超過了1級、2級道路照明標準值，且其照度均勻度較好，在0.323～0.489之間，能夠在夜晚為師生提供良好的照明條件。如圖3（a）所示為涉江路道路照明可視化表達結(jié)果。

湖濱路位于學校東邊，臨湖而建，通往停車場，方便校內(nèi)車輛出入，屬于2級道路;進喜路位于校內(nèi)宿舍樓西邊，是人流量較少的路段，屬于4級道路;從表3可看出，湖濱路和進喜路路面平均照度為10.87lx和7.65lx，分別達到了2級道路和4級道路的平均路面維持值，而它們的最小照度值分別為0.3lx和0.2lx，沒有達到相應(yīng)等級道路的最小路面照度維持值，且這兩條道路的照度均勻度均較差，只有0.028和0.026。圖3（b）是湖濱路的照度可視化結(jié)果，雖然平均照度能夠達標，但只是距離路燈較近的位置照度較大，而遠離路燈的位置照度幾乎為零，照度的空間分布不合理，需要適當?shù)剡M行調(diào)整，比如降低單個照明燈的照度而加密照明路燈個數(shù)，來改善照明環(huán)境，進喜路的情況和湖濱路一樣。

潤澤大道是進入校區(qū)大門的一條主路，學生住在校園外的華林公寓，進出校園都要經(jīng)過此路，每晚都有大量的車輛和密集的人流通過，屬于1級道路。潤澤大道路面平均照度為9.55lx、最小照度值為2.9lx，均未達到1級道路標準值，但其照度均勻度較好。從圖3（c）可視化結(jié)果可看出，潤澤大道路面照度偏低，可考慮提高照明設(shè)施的功率來改善照明環(huán)境。

知音路是通向石油科技大樓的輔路，每晚有大量的車輛和密集的人流在此經(jīng)過，屬于2級道路;長新路、博學路以及厚德路均位于教學樓和實驗樓之間，是學生每天的必經(jīng)之路，人流量較大，均屬于2級道路;圖書館路位于圖書館西邊，是人流量較少的路段，屬于4級道路。從表3可知，知音路、長新路、博學路、厚德路、圖書館路平均照度為4.05lx、2.32lx、4.85lx、1.24lx、4.86lx和0.78lx，最小照度值為0.2lx、0.1lx、0.9lx、0.1lx、1.1lx和0.1lx，這幾條道路的平均照度值和最小照度值均未達到標準，并且照度均勻度也很差，在0.043～0.226之間。從圖3（d）可視化結(jié)果可知，知音路照明環(huán)境亟需改善，在距離路燈近的位置路面照度很大，而遠離路燈的位置其照度幾乎為零，不能夠提供良好的道路照明環(huán)境。對于知音路、長新路、博學路、厚德路以及圖書館路可考慮同時提高照明設(shè)施的功率和增設(shè)路燈來改善照明環(huán)境。

4 結(jié)束語

隨著建設(shè)美麗中國的不斷推進，當今社會對道路照明節(jié)能降耗的要求越來越高。本文基于ArcEngine設(shè)計開發(fā)的道路照明分析系統(tǒng)，能夠?qū)Φ缆氛彰鲾?shù)據(jù)進行分析和可視化表達，克服了人工對道路照明分析的局限性，分析結(jié)果能為道路照明狀況的改善提出科學合理的建議。

基于本系統(tǒng)對長江大學武漢校區(qū)的道路照明現(xiàn)狀進行可視化分析，發(fā)現(xiàn)涉江路、科技路、伯牙路、子期路路面平均照度較好，照度均勻度較高，最小照度也符合標準值;潤澤大道雖然路面照度均勻度較好，但路面平均照度和最小照度均未達到標準值;湖濱路和進喜路，雖然路面平均照度達標，但照度的空間分布不合理，照度均勻度較差，并且最小照度未達到標準值;知音路、長新路、博學路、厚德路、圖書館路路面平均照度較低，路面照度均勻度較差，最小照度也未達到標準值。針對分析結(jié)果，給出了如下改善照明環(huán)境的建議：

1）對于平均照度超過標準，但照度均勻度較低，最小照度低于標準的湖濱路和進喜路，建議考慮更換低功率燈具并增設(shè)路燈，加密光照區(qū)域，來提高路面照度均勻度，同時在保證路面平均照度達標的條件下更換低功率燈具節(jié)能降耗;

2）對于照度均勻度較好，但平均照度低于標準，最小照度也未達標的潤澤大道建議更換大功率燈具，以滿足道路照明需求;

3）對于平均照度低、照度均勻度較差，最小照度也不符合標準的圖書館路、知音路、博學路、長新路、厚德路，建議考慮更換大功率路燈，同時增加路燈個數(shù)，來改善道路照明環(huán)境。

參考文獻：

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[9] 牟乃夏，王海銀，李丹.ArcGIS Engine地理信息系統(tǒng)開發(fā)教程：基于C#.NET[M].北京：測繪出版社，2015.

【通聯(lián)編輯：謝媛媛】B071053F-FFEC-4FBC-9986-1D2660FD51B5