（地图学与地理信息系统专业论文）基于三维gis技术的建筑日照计算.pdf

内蒙古师范大学硕士学位论文 中文摘要 随着我国城市建设和改造的日益发展，楼群密度不断提高，建筑间 距不断缩短，导致了居民住宅日照越来越少，使得提高土地利用率和确 保日照环境质量之间的矛盾日益突出。合理地确定建筑之间的间距，节 约利用土地并保证曰照环境质量，为居民创造良好的居住条件成为目前 规划设计必须考虑的问题。 传统的建筑日照计算，主要是以城市居住区规划设计规范为依 据。但是，该规范并没有考虑建筑物所在地的地形情况以及建筑物本身 的具体形态，导致计算结果不科学、不合理。本文从三维的角度实现研 究区的具体地形情况，同时结合建筑不同朝向和不同体型，得出的建筑 日照标准相对更加科学、准确、合理。对涉及到的关键技术包括三维数 据模型的实现、二维数据的嵌入与操作、日照分析关键技术等都进行了 详尽的介绍。 本文着重介绍了几种常见日照分析方法和特点，包括二维场景的日 照分析方法，对不同经纬度、不同气象条件下的各种朝向的复杂建筑物 的单点进行日照时间计算等。并对目前的几种日照分析方法比较其优缺 点。本文中，使用三维日照分析，并生成日照计算系统。通过系统可以 直接生成三维空间中任意一点任意其他点遮挡的情况。系统直接计算出 任意一点在给定时刻的太阳高度角、太阳方位角、太阳赤纬角、当天日 照时间、全年日照时间以及年平均日照时间等。本系统考虑到建筑的具 体位置、高度以及形状，使最后得出的日照计算结果更加准确、可靠。 基于三维g i s 的日照计算可以为城市规划审批部门，规划设计师以及居 民选择住宅提供快捷、可靠的科学分析方法和准确的日照分析数据。 最后得出了在三维g i s 支持下的城市日照分析方法和结论，以四子 王旗温馨家园为例，得出准确、可靠的结果；并对所成结果进行分析。 内蒙古师范大学硕士学位论文 关键字：三维g i s ，日照计算，四子王旗 内蒙古师范大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fb u i l d i n ga n dm o d i f y i n gc i t i e si nt h e n a t i o n ，t h ei n c r e a s eo fb u i l d i n gh e i g h ta n dt h er e d u c eo fb u i l d i n g s d i s t a n c e l e a d st ot h es h o r t a g eo fs u n l i g h to nr e s i d e n tb u i l d i n g ，w h i c he n h a n c et h e c o n f l i c tb e t w e e nt h el a n du s i n gr a t ea n dt h eq u a l i t yo fs u n l i g h tc o n d i t i o n s o ， i n s u r i n gb u i l d i n g s s h a p e sa n ds h a d o w s ，s a v i n gl a n da n de n s u r i n gs u n l i g h t e n v i r o n m e n te q u a l i t y , a n dc r e a t i n gap l e a s i n gc o n d i t i o nf o rt h ec i t i z e ni sa n e s s e n t i a le l e m e n ti nt h ec i t yp l a n n i n ga n dd e s i g nn o w t r a d i t i o n a l b u i l d i n g s u n s h i n ec a l c u l a t e dm a i n l y u r b a nr e s i d e n t i a l p l a n n i n ga n dd e s i g ns p e c i f i c a t i o n s b a s i s h o w e v e r , t h es p e c i f i c a t i o nd o e sn o t c o n s i d e rt h et e r r a i nw h e r et h eb u i l d i n ga sw e l la st h ec o n c r e t ef o r mo ft h e b u i l d i n gi t s e l f , l e a dt o r e s u l t su n s c i e n t i f i ca n du n r e a s o n a b l e f r o mt h e p e r s p e c t i v eo ft h r e e d i m e n s i o n a lt e r r a i nt oa c h i e v et h es p e c i f i cc a s es t u d y a r e a ，c o m b i n e dw i t hd i f f e r e n td i r e c t i o n sa n dd i f f e r e n tb u i l d i n gs i z e ，b u i l d i n g s u n l i g h to b t a i n e dr e l a t i v e l ym o r es c i e n t i f i c ，a c c u r a t ea n dr e a s o n a b l e s o m e r e l a t i v ek e yt e c h n i q u e si n c l u d i n gt h ed e s i g no f3 dd a t am o d e l ，d a t a b a s e m a n a g e m e n tb a s e do no r a c l e ，t h ef u s i o nb e t w e e nc a dd a t aa n dg i sd a t a ， s u n l i g h ta n a l y s i sa n ds oo na r ee m p h a s i z e d t h ep a p e ri n t r o d u c e dt h er e a l i z a t i o na n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fs o m e c o m m o ns u n l i g h ta n a l y s i sm e t h o d sb a s eo n3 d g i s ，i n c l u d i n g3 dd y n a m i c s h a d o wa n dt h es u n l i g h tt i m e sc a l c u l a t i o no fe v e r yk i n do fs i n g l ep o i n t c o m p l e xb u i l d i n ga td i f f e r e n td i s t r i c t si nd i f f e r e n ts e a s o n s o m es u n s h i n eo n t h ec u r r e n ta n a l y s i sc o m p a r e dt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s i nt h i sp a p e r , u s i n gt h r e e d i m e n s i o n a la n a l y s i so fs u n l i g h t ，a n dg e n e r a t e st h es u n l i g h t c o m p u t i n gs y s t e m s t h r o u g ht h es y s t e mc a ng e n e r a t et h r e e d i m e n s i o n a ls p a c e i na n yo t h e rp o i n to fo c c l u s i o na ta n yp o i n ti nt h ec a s e s y s t e md i r e c t l y c a l c u l a t e a n yp o i n ta tag i v e nm o m e n ti nt h es u ne l e v a t i o na n g l e ，s o l a r a z i m u t h ，s o l a rd e c l i n a t i o na n g l e ，t h ed a yo fs u n s h i n e ，y e a rr o u n ds u n s h i n ea n d 内蒙古师范大学硕士学位论文 a v e r a g ea n n u a ls u n s h i n et i m e t h i ss y s t e mt a k i n gi n t oa c c o u n tt h es p e c i f i c b u i l d i n gl o c a t i o n ，h e i g h ta n ds h a p e ，s ot h a tt h ef i n a lr e s u l t so b t a i n e di nt h e s u n s h i n ef u n gk aa c c u r a t ea n dr e l i a b l e c o m p a r e dw i t h2 ds u n l i g h ta n a l y s i s ， i m i t a t i n gc e r t a i nd a y s s h a d o wc h a n g e si n3 ds c e n ei sm o r ep r e c i s ea n d r e l i a b l e i tc a np r o v i d eaq u i c ka n dc e r t a i ns c i e n t i f i ca n a l y z i n gm e t h o da n d a c c u r a t ed a t af o eu r b a np l a nd e p a r t m e n t s ，u r b a np l a nd e s i g n e r sa n dc i t i z e n s a tt h ee n do ft h e p a p e r , t h ea u t h o ri n t r o d u c e st h em e t h o da n dt h e c o n c l u s i o no fs u n l i g h ta n a l y s i sb a s e do n3 d g i s f o re x a m p l e ，a tt h e s i z i w a n g q i ，i tc a np r o v i d eac e r t a i na n dr e l i a b l er e s u l tb yt h i sm e t h o d ，a n d a n a l y s i st h er e s u l t s k e yw o r d ：3 d g i s ，s u n l i g h tc a l c u l a t e ，s i z i w a n g q i 6 内蒙古师范大学硕士学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果，尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含本人为获得内蒙古师范大学或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示感谢。 签名：翌丝日期：弘m 年6 月彤日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解内蒙古师范大学有关保留、使用学位 论文的规定：内蒙古师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送 交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存、汇编学位论文，并且本人电子文档的内容 和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。砖巧小 签名：绣撬导师签名：怎瞄7 州妒 日期：剀肜年6 月韶日 第1 章综述 1 综述 1 1研究意义 随着我国城市改造和建设的不断推进，城市土地利用率不断提高，建筑间距 不断减小，居民住宅的日照时间越来越少，提高土地利用率的提高和改善城市居 住环境之间的矛盾越来越尖锐。合理的根据当地实际情况确定建筑物之间的间 距，并在确保城市土地利用率的同时，提高居民住宅日照环境质量，成为当前城 市规划设计尤为重要的问题。 本文中主要运用天文、地理和建筑计算公式得出不同经纬度地区、不同坡度、 不同朝向建筑的日照时间和日照间距，并计算出建筑在一年内的平均日照时间。 当前的建筑日照计算，主要是以城市居住区规划设计规范为依据。但是， 该规范并没有考虑建筑物所在地的地形情况以及建筑物本身的具体形态，导致计 算结果不科学、不合理。如果从三维的角度实现研究区的具体地形情况，同时结 合建筑不同朝向和不同体型，得出的建筑日照标准相对更加科学、准确、合理。 地理信息系统是空间思维的工具，因此三维显示与分析一直是地理信息系统 的重要功能。e s r i 在其产品a r c l n f o 中首推t i n 扩展模块，后再a r c v i e wg i s3 x 上也推出了3 da n a l y s t 扩展模块，都是g i s 中三维功能的经典之作。e s r i 面向 a r c g i s 桌面系统( a r c v i e w 、a r c e d i t o r 、a r c l n f o ) 推出了a r c g i s 三维分析扩展 模块( a r c g i s3 da n a l y s t ) ，其核心是a r c s c e n e ，同样构筑在c o m 架构上，为 实现三维显示和分析提供非常灵活的手段。本文主要使用a r c s c e n e 模块进行三 维场景的构建，一方面实现了三维场景的真实模拟，另一方面，方便的提取三维 场景中任意一点的三维坐标。 目前，建筑日照主要是在二维场景中，计算一年中特定一天的日照计算。本 文结合a r c g i s 三维分析扩展模块( a r c g i s3 da n a l y s t ) ，使用程序开发平台 m i c r o s o t 2v i s u a lb a s i c 开发了计算曰照时间的系统。从而成功的实现了快速计算 一年中每一天日照时间的效果，提供了完整的建筑当天日照时间、建筑全年日照 时间、当天太阳高度角、太阳赤纬角和太阳方位角的计算功能。该系统将为城市 规划、建筑设计部门提供城市建筑布局管理与决策的支持手段，为社会提供全方 位快速的建筑日照时间计算的服务。提高了建筑布局决策方案的效率，加快了数 内蒙古师范大学硕士学位论文 据计算的速度、缩短了日照计算时间，使得建筑日照计算逐步效率化、科学化、 规范化。 1 2 国内外研究进展 国外的一些国家对日照问题比较重视，其中，就日照研究比较突出的是英国。 英国优先制定了控制日照间距的相关法律，并开发出相应的日照分析软件。这些 日照分析软件中，具有代表性的是1 9 9 3 年w a t e r sl a d e 公司的“日照阴影分析软 件 ，该软件同时拥有计算和分析两种功能，不仅可以对日照的时间进行计算， 还可以分析日照阴影。是当时最为先进的日照计算和分析的软件。 在国内，建筑日照的确定主要是依据国家标准执行，同时各个地区都有相 关的补充规定。其主要方法是，按照气候条件，对不同地区进行分区，依据不同 的气候分区，制定出特定时间中的具体时间带，在这个时间带中，建筑日照时数 的最小值。 建筑日照计算的软件主要有：大连理工大学开发的针对日照阴影进行分析 的“交互式c a d 系统，清华大学针对建筑日照环境分析开发的“t h s e a 软件 ； 哈尔滨工业大学建筑系针对建筑不同朝向和不同间距，使用棒影日照图分析方 法，对建筑日照状况进行分析。 但是，以上的研究都是基于二维环境实现的，并不能考虑不同地形高度、不 同建筑朝向对建筑日照的影响，不仅操作过程繁琐，而且绘制的分析图不生动、 直观，不能在三维场景中进行漫游、规划、设计。 2 内蒙古师范大学硕士学位论文 2 研究方法 21 g i s 关键技术 211 c a d 数据的嵌入和操作 在规划设计中，使用a u t o c a d 软件生成的数据，能够对规划设计的城市进 行准确的表达。在规划设计中，c a d 数据是最常见的数据。c a d 系统的数据成 为在规划设计行业中影响巨大的数据，但是a u t o c a d 平台只能提供基础的数据。 若使用a u t o d e s k3 d 进行三维建模的方法，生成的模型数据量非常大，且对电脑 系统的要求高。对于一些复杂并且重要的地物模型应该使用3 d 模型。对于基 础数据的整理，应使用c a d 系统。本文中，使用a u t o c a d 进行基础数据的整 理。 规划设计中直接使用c a d 系统设计的数据可形象的表示规划设计建筑的结 构与特征。如使用3 d 可以形象的构建建筑模型。但使用这种方法形成模型速度 慢，对计算机硬件要求高，在运算过程中，为了加快运算速度，降低对计算机硬 件的要求，本文只对c a d 数据进行了嵌入。导入到其他软件中进行计算。 c a d 数据保存格式是d w g ，在a r c g i s a r c s c e n e 软件当中可直接导入，但 导入数据在a r c g i s a r c s c e n e 软件中无属性数据，需要再a r c g i s a r c s c e n e 中进 行属性数据朴录。如c a d 数据中高程点，需要再a r c g i s a r c s c e n e 当中重新输 入高程点的高程数据。在a r c g i sa r c s c e v , e 软件中，要进行建筑三维实现，需要 将建筑的外墙构面。而在c a d 数据在导入后，形成的只是单一面或块，需要在 a r c g i sa r c s c e n e 软件中重新构面。 图2 - 1c a d 原始数据 内蒙古师范大学硕士学位论文 2 1 2 城市三维数字地面模型( d e m ) d e m 是建立城市三维建筑模型的基础。也是建立城市的三维建筑模型的高 度参照基准。获取城市d e m 的方法有两种，一种是需要城市测绘部门提供，另 一种方法是直接在地形图中获取。首先使用a r c g i s 软件，在符合比例尺要求的地 形图上获取均匀的高程点，然后生成等高线。 建立d e m 的方法如下： 1 ) 按要求录入地面高程点，录入的点越多，模型越接近真实现状。 2 】在a r c g i s a r e s e e n e 软件中，结合输入的高程点数据，使用软件的三角网构建功 能，生成t i n 结构模型。 3 ) 建立三维数字高程模型。利用软件的颜色编辑工具，结合地形的高差，生成 视觉良好的三维数字高程模型。若高差为1 0 0 米，可以设置每l o 米为一个颜色； 若高差为5 0 米，可设置每5 米为一个颜色。 2 1 3 城市三维建筑3 d g i s 模型 要全部获取城市大面积的建筑模型，需要处理的数据量太大，需要大量的基 础资料。为了使得分析得出的数据严密准确，在三维建筑模型的建模过程中，首 先选择小面积的场景，生成三维建筑模型。使用软件进行三维建筑模型的建模方 法主要为以下内容。 首先，把在c a d 中生成的二维建筑数据导入到在a r c g i sa r c s c e n e 软件中。 要建立三维地形模型，仅靠c a d 中的二维数据并不能生成，需在二维楼层的数据 高程的基础上，结合层高，生成三维的地形模型。即：层数层高。一般情况下， 城市普通的建筑层高即为3 米，在本文中，建立三维建筑模型的过程中，取3 米为 建筑的层高，生成三维的建筑模型。如图2 i 所示。 4 第2 章研究方法 图2 - 2 三维建筑模型 2 2 计算日照时间的基本参数 221 日照原理 地球的旋转包括自转和公转两种。地球绕地轴旋转称为地球自转，地球自转 决定昼夜更替，并使地表产生昼和夜的区别。地球按照一定的轨道绕太阳运动， 称为公转，其周期为一年，地球公转决定四季轮回。如果地球只有公转而没有自 转，那么昼夜更替周期将是一年而不是一日。 地球围绕太阳运动存在一定的规律，这种规律成为影响建筑日照的外部因 素。要计算建筑日照的时间和建筑日照的间距，首先必须了解地球公转的规律。 然后总结太阳方位角和太阳高度角的变化规律，计算建筑f i 照的时间和间距。从 未解决规划建筑设计中的建筑日照问题。建筑日照受当时太阳高度角和太阳方位 角，吲j 也受当地气候和建筑朝向的影响。 地球轨道面是地球轨道上并通过地球中心的个平面。太阳位于地球轨道面 r ，从地球卜看来太阳好像终年在这个甲而上运动，这就是a 阳的视运动。这 个平面叫黄道面。地轴与地球轨道面约成6 6 0 3 4 咬角，赤道面与黄道面的变角也 就是黄赤交角为2 3 0 2 6 ，黄赤交角在地球公转的过程中维持小变。 内蒙古师范大学硕士学位论文 图2 _ 3 地球绕太阳运行图 任何地点，当地正午时分的太阳的高度最高。太阳高度角为太阳光线与地平 面之间的夹角。当太阳位于春分点和秋分点时，光线与地轴垂直。如图2 4 所示， 对于赤道上的任意一点b ，正午的太阳高度角均为9 0 0 。因为x 角与x 角相等， 所以赤道以北a 点的太阳高度角5 0 0 等于9 0 0 x ，赤道以南c 点的太阳高度角3 4 0 ， 则是太阳光线与地平面北向的夹角。 图2 - 4 阳光与地轴 6 第2 章研究方法 春分日( 3 月2 0 或2 1 日) 和秋分日( 9 月2 2 或2 3 日) 的时候，太阳位于 春分点和秋分点。当阳光直射赤道，阳光照射圈，即昼夜分界的晨昏圈，恰好切 过南北极，并且纬线圈被晨昏圈等分为二，所以南北半球各纬度上的白昼和夜晚 长度都是1 2 小时。 冬至日( 1 2 月2 2 或2 3 日) 和夏至日( 6 月2 1 或2 2 日) ，如图2 4 ，箭头表 示太阳光线，正午太阳高度角为5 3 0 n 。在冬至日，太阳直射2 3 0 2 7 s 线即南回归 线，会切过南极圈( 6 6 0 3 3 s ) ，南极圈内整日处于晨昏圈的向阳一侧，而北极圈 内却整日处于晨昏圈的背太阳一侧。因而北半球夜晚要比白昼长，南半球则相反； 越向两极，昼夜长度越悬殊。在赤道南：i l n 的相应纬度上，昼夜相对长度恰好相 反。北极圈内夜长达2 4 小时，南极圈内昼长达2 4 小时。而在南极，太阳全天位 于地面以上2 3 0 2 77 。本文中涉及到的太阳光线均按平行线分析。 图2 5 东至与夏至 2 2 2 地理经纬度与时间系统 地球上的任意一点，其地理坐标由地理经度和地理纬度表示。每一点都由唯 一的地理经度和地理纬度表示。 地球南北极的连线是地球自转的轴线，即地轴。地轴的中点叫地心。通过地 心并和地轴垂直的平丽和地表相交而成的圆是赤道。赤道把地球分为北半球和南 半球。所有与地轴垂直的面，都和地表相交而成圆，就是纬线，所有纬线都相互 平行。赤道是最大的纬圈，由此向北或向南，纬圈半径都有规律的减小。在建筑 日照时间计算过程中，要计算的建筑若处在相同的纬度不同的经度上，则待测的 7 内蒙古师范大学硕士学位论文 建筑所面对的太阳运动轨迹相同。若待测的建筑在相同的经度不同的纬度上，则 待测点的太阳运行轨迹不同。综上所述，太阳运行只与地理纬度有关，和当地的 地理经度没有关系。在相同纬度不同经度的两个建筑物，其太阳运行轨迹相同， 太阳在正午的时间先后不同。在不同纬度相同经度的两个建筑物，其太阳运行的 轨迹不同，但是，太阳在正午的时间相同。 真太阳时是根据太阳在天空的实际位置计算得来的，当太阳通过当地子午线 的时刻成为真太阳时的正午。太阳两次通过当地子午线所间隔的时间称为一个真 太阳日。由于真太阳日不等长，为了使用方便，全年真太阳日总和的平均值称为 平均太阳日，再将平均太阳日进行2 4 小时平均，成为平均太阳时，不同经度的 平均太阳时称作该地的地方平均太阳时。真太阳时与地方平均太阳时的时间差称 为时差。它们两者之间的关系： 真太阳时= 地方平太阳时+ 真平太阳时差 时差用e t 表示，由于地球运动的速度不均匀，所以，时差也在不断变化。 具体计算公式如下： b = 0 0 0 2 8 一1 9 8 7 5 s i n0 + 9 9 0 5 9 s i n 20 7 0 9 2 4 c o s0 0 6 8 8 2 c o s 20 ( 2 1 ) 式中0 的含义为日角。即o - - 2 丌f f 3 6 5 4 2 2 。 2 2 3 太阳赤纬角e d 地球中心与太阳中心的连线与赤道平面的夹角每时每刻都在变化，这个变化 着的夹角即为太阳赤纬角。一年中，太阳赤纬角有两个时刻为零，分别是春分和 秋分。在夏至和冬至时，太阳赤纬角为正负2 3 4 4 2 0 。 具体计算方法如下： e d = 0 3 7 2 3 + 2 3 2 5 6 7 s i n o + o 11 4 9 s i n 2 0 0 1 7 1 2 s i n 3 0 0 7 5 8 c o s 0 + o 3 6 5 c o s 2 0 + 0 0 2 0 1 c o s 3 0 ( 2 2 ) 式中， 0 的含义为日角。0 = 2 t 3 6 5 4 2 2 。 第2 章研究方法 t 由两个部分组成，即 t n n o 式中n 为积日，即日期在年内的顺序号，例如，1 月1 日其积日为1 ，平年 1 2 月3 1 日的积日为3 6 5 ，闰年则为3 6 6 。 n o = 7 9 6 7 6 4 + 0 2 4 2 2 x ( 年份一1 9 8 5 ) 一i n t ( ( 年份一1 9 8 5 ) 4 ) ( 式中i n t 表示取整数部分，例如i n t ( 3 2 5 ) = 3 ) 2 2 4 太阳高度角h 对于地球上的某个地点，太阳高度角是指某地太阳光线与该地作垂直 于地心的地表切线的夹角。太阳高度是决定地球表面获得太阳热能数量的 最重要的因素。 太阳高度角随着地方时和太阳的赤纬的变化而变化。太阳赤纬( 与太 阳直射点纬度相等) 以e d 表示，观测地地理纬度用由表示( 太阳赤纬与地 理纬度都是北纬为正，南纬为负) ，地方时( 时角) 以t 表示，有太阳高度角 的计算公式： s i n h = s i n 由s i n e d + c o s 巾c o s 7 c o s e d ( 2 3 ) 上式中，巾为地理纬度，e d 为太阳赤纬角，t 为当时的太阳时角。 太阳时角的公式如下： t = ( s 。+ fo 6 0 1 2 ) 术1 5 0 ( 2 4 ) 上式中，s 。代表小时，f 。代表分钟。且都为当地真太阳时。 具体换算关系为： 真太阳时= 北京时间+ 平均时差( 1 2 0 0 - 观测点的地理坐标) 1 5 ( 2 5 ) 时差可以从天文年历中查得。 在建筑日照计算过程中，平均时差可以省略。 当太阳中心处在子午线上时，此时称为正午：同一经纬度，在一天之内的 太阳高度角是不断变化的。日出日落时角度都为0 ，正午时太阳高度角最大， 9 内蒙古师范大学硕士学位论文 此时，时角为0 。所以，在正午时间，以上公式可以简化为： s i n h - - s i n 巾s i n e d + c o s 巾c o s e d 由两角和与差的三角函数公式，可得 s i n h = c o s ( 巾一e d ) 因此，对于太阳位于天顶以北的地区而言，h - - - - 9 0 0 ( 巾一e d ) ；对于太阳 位于天顶以南的地区而言，h = 9 0 。- ( e d m 由) ； 二者合并，因为无论是( 巾- - e d ) 还是( e d巾) ，都是为了求当地纬度与 太阳直射纬度之差，不会是负的，因此都等于它的绝对值，所以正午太阳 高度角计算公式： h = 9 0 0 - i 由- - e dl 2 2 5 太阳方位角a 太阳方位角即太阳所在的方位，指太阳光线在地平面上的投影与当地子午线 的夹角，可近似地看作是竖立在地面上的直线在阳光下的阴影与正南方的夹角。 方位角以正南方向为零，向西逐渐变大，向东逐渐变小，直到在正北方为：t ：1 8 0 0 。 太阳升起时的方位角为1 8 0 0 至0 0 ，落下时的方位角为o o 至1 8 0 0 ，正午时北 回归线以北地区为0 0 ，南回归线以南地区为1 8 0 0 ，处在南北回归线之间的方位 角，太阳直射点以北为0 0 ，以南为1 8 0 0 。 太阳升起时的方位角的变化：北回归线以北地区在春分至秋分期间为9 0 0 至 1 8 0 0 ，秋分至春分期间为o o 至9 0 0 ，春分、秋分为0 0 ，南回归线以南地区在春 分至秋分期间为0 。至9 0 0 ，秋分至春分期间为9 0 0 至1 8 0 0 ，春分、秋分为0 0 ，热 带地区则在一6 6 5 0 至1 1 3 5 0 之间。 太阳落下时的方位角的变化规律与升起时相同，只是变为正。 计算公式如下： c o s a = ( s i n hs i n 巾一s i n e d ) c o s hc o s 巾( 2 5 ) 根据上式，可得两个太阳方位角。当c o s a 0 时，此时的太阳方位角为钝角， 属于正午之后的太阳方位角：当c o s a 0 时，此时的太阳方位角为锐角，属于正 1 0 第2 章研究方法 午之前的太阳方位角。此时的a 由3 6 0 0 a 代替。 2 2 6 日出和日落时间的确定 地球自转决定昼夜更替，并使地表各种过程具有昼夜节奏。地球不透明，任 何时候太阳都只能照射地球的一半，从而地表产生昼和夜的区别。如果地球只有 公转没有自转，那么昼夜周期将不是一日而是一年。在这种情况下，与地表热量 平衡相联系的一切过程，都将发生和现在全然不同的变化。地球自转决定地表存 在日出日落现象。 本文中日出日落时间根据太阳高度角决定。日出时间为太阳高度角之前大于 零，之后小于零的时刻，日落时间为太阳高度角之前小于零，之后大于零的时刻。 2 3基于城市日照计算的数学模型 2 3 1 传统手工日照时间的计算方法 在日照分析过程中，日照时间是衡量建筑设计成败的主要标准。棒影日照图 是计算建筑物受到太阳光照详细情况的参考工具，也是城市规划和建筑设计中确 定日照间距系数的根据。传统手工的日照时间计算方法多数是通过棒影日照图来 计算。如图2 - 6 所示传统的棒影日照图。棒影日照图是以棒和棒影的基本关系来 描述太阳运行规律的。任何建筑尽管形态各异，但都可看作立于水平面上的一根 根棒组成的。因此，建筑日照的问题，可简化成对棒的日照间距来考虑。 己知太阳高度角、赤纬角，通过计算得到某天任何时刻棒影的长度，根据主 要棒影长度来绘制出棒影图。因冬至日是全年中太阳对北半球日照效果最差的一 天，所以往往选择冬至日这一天的棒影图情况，作为建筑物之间的阴影关系，从 而确定在满足必要的日照时间条件下，建筑物之间的最小距离。 图2 - 6 棒影日照图 l l 内蒙古师范大学硕士学位论文 首先要计算棒值，需计算棒高为h 且垂直于地面上的棒的棒影长度h7 和 棒影的方位角a7 。其计算公式如下： h _ h c o th ( 2 - 6 ) a7 = a + 1 8 0 0 ( 2 - 7 ) 根据日照原理，得出以下关系式： c o sa = ( s i n h s i n e d - s i n ) ( c o s h c o s e d ) ( 2 8 ) s i n h = s i n e d s i n + c o s e d c o s c o st( 2 9 ) 式中，为当地的地理纬度，e d 为当时太阳赤纬角，t 为当时的时角，h 为太阳 高度角，a 为太阳方位角。 上式中的地理纬度、太阳赤纬角、时角、太阳高度角和太阳方位角的确定依 据上文中的计算公式计算得出。 其次要绘制棒影日照图。根据之前计算得出的太阳高度角和棒影高度，得出 不同时刻的棒影影长，即可绘出不同时期、不同时刻待测地物的棒影日照图。 2 3 2 二维c a d 日照时间计算方法 目前，在建筑设计过程中，棒影日照图的使用已经逐渐被取代，取而代之的 是计算机辅助设计的应用。使用计算机辅助设计( c a d ) 相对更加简便、准确。 在c a d 软件中，对待测点进行日照时间的判断。方法如下： ( 1 ) 画出待测点与周围遮蔽建筑之间准确的拓扑位置关系； ( 2 ) 作通过待测点、建筑物遮蔽点这两点，且一边为过待测点的正南方向 直线的直角三角形，使用c a d 软件，测量三角形的边长； ( 3 ) 从而计算出该三角形的内角。通过前面公式，即可判断这个待测点是 否被该建筑物遮挡。 以上方法可以判断待测点受周围所有建筑物的遮挡情况，也可以判断建筑物 的一点受本建筑物其他点的遮挡情况。 通过以上方法可得知，二维c a d 日照时间计算方法实际上是计算待测点被 遮挡物遮挡的时间一 1 2 第2 章研究方法 建筑物的日照时间= 全天日照时间待测点被遮挡的时间 在实际计算过程中，计算待测点被建筑物遮挡的时间时，主要分析对待测点 构成遮挡的墙面，对遮挡物的阳面，也就是遮挡物的朝南面不进行分析。如图 2 7 所示，分析过程中，只对遮挡物的各个边a b 、c d 、d e 、e f 进行分析，其 它面对待测点不构成遮挡，也就不进行分析，大大减少了计算量，从而提高了计 算速度。 待测点o 的日照时间= 全天日照时间一a b 段、c d 段、d e 段、e f 段遮挡 待测点的时间段 图2 7c a d 日照算法图 要计算上图中待测o 点的日照时间，二维c a d 日照时间的计算方法如下： ( 1 ) 在c a d 软件中画出待测点与周围遮蔽建筑之间准确的拓扑位置关系，以待 测点为原点，在图中遵守上北下南的原则。 ( 2 ) 根据当地纬度、遮挡物的高度h 和当地太阳高度角h ，计算当地日出日 落时间t 出、t 落和棒影长度h7。 ( 3 ) 在c a d 图中绘制曲线m ，那么曲线m 的方程式为： ( x - - x o ) 2 + ( 少一y o ) 2 = h c t g h 口 ( 2 1 1 ) 选择遮挡物的一条边a b 为研究对象，设a 点到待测点o 的距离为d l ，b 到待测点o 的距离为d 2 ；线a b 与曲线m 的左交点到待测点的距离为d l ，线 a b 与曲线m 的右交点到待测点的距离为d 2 。若d l d 1 ，待测点被a 点遮挡； 内蒙古师范大学硕士学位论文 若d 2 d 2 ，待测点被b 点遮挡：若d l d l 且d 2 d 2 ，那么待测点没被a b 线段遮 挡。 令： l 左= d 1 一d l l 右= d 2 - d 2 ( 1 ) 若l 左l 左 0 ，存在以下几种情况： f 1 当m 与遮挡物的一条边a b 存在两个交点时，求出两个交点对应的日照 时间，t 左l 、t 右l ，那么此时遮挡物的该条边对待测点产生的日照时间为： ，i _ i t a - t 右斗t 左l t 右l + t 左l t b ( 2 - 1 2 ) b 当m 和遮挡物的边a b 没有交点并远离待测点，即，遮挡物的这条边对 待测点不造成遮挡。此时，待测点的日照时间为：t - - t b t 左； c 当m 和遮挡物的边a b 没有交点并靠近待测点时，待测点的日照时间为： t = = - 1 b t 左+ t a - t 右( 2 13 ) 使用二维c a d 日照分析的方法的缺点在于，被研究对象处在同一水平面上。 而实际建筑设计过程中，建筑物不可能处在同一水平面上。所以，二维c a d 日 照分析的方法不能考虑地形对建筑日照的影响。这样得出的结果多数与实际不 符，这种研究方法不仅不简便，而且不准确。 2 3 3 二维日照间距计算方法 标准日照间距是指正南方向的住宅满足日照标准的正面间距。如图2 8 所示。 1 4 第2 章研究方法 图中： 图2 - 8 建筑日照间距示意图 i ，- h t 曲 h = h 1 - h 2 令a = l t g h ， 那么，l = a ( h l - n 2 ) 式中 h l 前排建筑的高度 h 2 后排建筑底层窗台的高度 a _ 日照标准间距的系数( 可查表求得) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 实际的建筑设计过程中，为了争取日照和减少日晒，住宅群体的规划设计主 要采用建筑的不同组合方式以及利用地形、绿化等手段。在山地还可以利用南向 坡地缩小日照间距。以上的计算方式仅限于正南方向的住宅，要结合朝向对建筑 日照的影响，需要结合不同方位间距折减系数换算表进行计算。 表2 2 不同方位间距折减系数换算表 1 5 3 0 3 0 。- - 4 5 。 方位0 。 1 5 禽)4 s 一6 0 ( 禽) 台( 禽) 折减值 1 o l o 9 lo 。8 lo 9 l0 9 5 l 注：l 、表中方位为芷南向( o ) 偏衮、偏西的方位角 2 、l 为当地正南向住宅的标准弱熙问距m ) 。 3 、本袭指标仪用于无其它日照遮挡的平行布置条式住皂之阎 内蒙古师范大学硕士学位论文 此时，日照间距l = l 折减系数 例如，重庆地区某居住区，前排房屋掩口标高为2 0 米，后排房屋底层窗台 标高为1 5 米，该小区房屋朝向为南偏东2 0 0 ，此时的日照间距计算方法如下： l _ a ( h l - h 2 ) 查表求得a = 0 8 至1 1 4 ，那么 l l - a ( h l - h 2 ) = o 8 ( 2 0 1 5 ) = 1 4 8 ( 米) l 2 = a ( h 1 h 2 ) = 1 1 4 ( 2 0 1 5 ) = 2 1 0 9 ( 米) 房屋朝向为南偏东2 0 0 ，查表得知，折减系数为0 9 ，则 l l7 = 0 9 1 4 8 = 1 3 3 2 ( 米) l 17 = o 9 2 1 1 = 1 8 9 9 ( 米) 因此，该小区中，建筑间距为1 3 3 2 至1 8 9 9 米。 规划和建筑设计人员在进行规划设计时，住宅的日照间距主要是依据规划中 建筑的不同方位间距折减系数表进行换算确定。但随着城市用地越来越紧张， 楼层越来越高，建筑形状各异，使得建筑之间及建筑与周边其他建筑之间的日照 间距计算越来越困难。 因此，在计算太阳高度角和太阳方位角时，要结合待测地点的地形充分的考 虑，从而得到准确的日照间距系数。同时，很多城市根据地方的不同情况，补充 制定了各地的地方性法规，使建筑日照间距的确定变得更加准确、科学。 1 6 内蒙古师范大学硕士学位论文 3 基于三维g i s 的建筑日照计算 3 1三维建筑与日照计算结合的优势 在二维的场景中，日照分析没有考虑地形起伏和复杂建筑物带来的影响。所 以，应该跳出二维的思维，从三维的角度进行日照分析的研究。 3 1 1 考虑地形起伏、复杂建筑物对日照计算的影响 当前的建筑日照计算，主要是以城市居住区规划设计规范为依据。但是， 该规范并没有考虑建筑物所在地的地形情况以及建筑物本身的具体形态，导致计 算结果不科学、不合理。如果从三维的角度实现研究区的具体地形情况，同时结 合建筑不同朝向和不同体型，得出的建筑日照标准相对更加科学、准确、合理。 地理信息系统是空间思维的工具，因此三维显示与分析一直是地理信息系统 的重要功能。e s r i 在其产品a r c l n f o 中首推t i n 扩展模块，后再a r c v i e wg i s3 x 上也推出了3 da n a l y s t 扩展模块，都是g i s 中三维功能的经典之作。e s r i 面向 a r c g i s 桌面系统( a r c v i e w 、a r e e d i t o r 、a r e l n f o ) 推出了a r e g i s 三维分析扩展 模块( a r c g i s3 da n a l y s t ) ，其核心是a r c s c e n e ，同样构筑在c o m 架构上，为 实现三维显示和分析提供非常灵活的手段。本文主要使用a r c s c e n e 模块进行三 维场景的构建，一方面实现了三维场景的真实模拟，另一方面，方便的提取三维 场景中任意一点的三维坐标。这样，避免了不考虑地形起伏和复杂建筑物对日照 计算的影响。使得计算结果更准确、更合理。 3 1 2 运算简单、科学化、规范化 目前，建筑日照主要是在二维场景中，计算一年中特定一天的日照计算。本 文结合a r c g i s 三维分析扩展模块( a r c g i s3 da n a l y s t ) ，使用程序开发平台 m i c r o s o f tv i s u a lb a s i c 开发了计算日照时间的系统。从而成功的实现了快速计算 一年中每一天日照时间的效果，提供了完整的建筑当天日照时间、建筑全年日照 时间、当天太阳高度角、太阳赤纬角和太阳方位角的计算功能。该系统将为城市 规划、建筑设计部门提供城市建筑布局管理与决策的支持手段，为社会提供全方 位快速的建筑日照时间计算的服务。提高了建筑布局决策方案的效率，加快了数 据计算的速度、缩短了日照计算时间，使得建筑目照计算逐步效率化、科学化、 规范化。 内蒙古师范大学硕士学位论文 3 1 3 精度