ARCGIS空间分析实习五说明

1、城市建筑日照分析 1. 背景 随着城市建筑密度越来越大，建筑物的日照规范也被纳入城市规划的指标之中，一方面 要衡量现有建筑是否符合规范，另一方面又要对未来城市规划提供参考依据。应用 GIS 空间分析方法可以方便的找出不符合建筑日照规范的建筑。 2. 数据 （1） 某一城区建筑数据 buildings.shp ； （ 2） 地块单元数据 parcel.shp。 图 1. 建筑数据（左）和地块单元数据（右） 3. 要求 （1） 计算该地区各个单元的容积率 容积率 建 筑 面 积/ 用 地 面 积（公式 1） 式中，建筑面积为各楼层建筑面积之和；用地面积为各地块单元（parcels.shp）面积。

2、（2） 请找出不符合国家规定日照标准的建筑。 我国建筑日照标准有如下规定：一个建筑底层日照要至少满足在冬至这一天，在 12:00-14:00 能接受到太阳照射。已知该地区纬度为 32，太阳赤纬计算公式为： 0.006894- 0.399512cos 0.072075sin - 0.006799cos2 0.00089sin2 （公式 2） 2t 式中， 为日角，即 0 ，t 0=N-1 ， N 为积日，即为日期在年内的顺序号（ 1 365.2422 月 1 日为 1，以此类推，非闰年的 12 月 31 日为 365 ）。 时角 t 为 ，即 公式 3） 公式 4） 公式 5） t=(s+f/6

3、0-12)*15 式中， s 为时， f 为分。 太阳高度角 h，即 h arcsin( sin sin cos cos cost) 太阳方位角 A（方位角是以正南方向为 0，顺时针为正，逆时针为负） A arccos sinh sin sin / coshcos （ 3） 注意：弧度与角度的转换（在三角函数中统一使用弧度） 4. 工作流程 计算容积率 根据给定的容积率计算公式 , 需要计算各地块的面积和地块内的建筑物的建筑总面积 , 而地块内建筑物的建筑总面积又与每个建筑物的建筑面积相关。因此，首先计算每个建 筑物的建筑面积，然后将不同建筑物标识到其所属的地块内，以此得到地块内的建筑物 的总

4、建筑面积。同时，计算出各个地块的面积，依据公式1 计算得到地块的容积率。 找出不符合日照标准的建筑 在 ArcGIS 10 的三维分析工具中，提供了阴影分析的功能，该分析工具的光源为点状光 源，而本例的太阳光源属于平行光光源，因此该阴影分析的功能无法满足本例的需要。 ArcGIS 提供的山体阴影工具，模拟的是太阳平行光源，可以用于本例的分析。因此，采 用山体阴影工具（ Hillshade ）进行日照分析。 要提取太阳在规定时间内、不同方位角生成的建筑物阴影，必须获得建筑物的高度。因 此， 将矢量建筑物数据转为栅格，属性为建筑物高度。 由于建筑物是体模型，在 空间上具有一定的宽度，如果直接对建筑

5、物提取山体阴影会造成判断错误。例如假设建 筑物 A与建筑物 B在空间上存在阴影遮挡（即 A挡住了 B），则 A在 B向阳向的前方， B 的房顶会遮盖住 A 的阴影，给遮蔽判断带来困难，如下图所示： 图 2. 投影缺失（左）和正确情况（右） 因此，为解决这个问题，首先需要提取建筑物的背光面高度数据，由此提取12:00 - 14:00 这段时间的“山体阴影” ，并与建筑物进行叠加分析，从而判断建筑物是否满足 日照标准。 要判断 12:00 14:00 建筑物的遮挡情况，还需要对太阳高度和角度的变化逐时刻模拟 太阳日照，这是一个积分过程，微分时刻划分的越细，计算量越大，工作越复杂。在保 证结果正确性

6、的前提下， 为了提高效率， 我们只计算 3 个时刻（即 12:00 、13:00 、14:00 ） 的日照情况，如果这 3 个时刻都没有遮挡，则说明建筑物满足日照要求。 最后通过分析阴影与建筑物的空间叠加关系，找出不符合日照标准的建筑物。 工作流程图如下： 图 3. 工作流程图 5. 操作步骤 求解地块容积率。 计算地块用地面积。 方法一： 选择【空间统计工具】 | 【工具】 【计算面积】工具，打开对话框如下图： 图 4. 面积计算工具对话框 图 5. parcel_area 属性表及面积计算结果 方法二： 打开 parcel 文件属性表，选择 add field 命令，如下图： 图 6. p

7、arcel 属性表 add field 命令 calculate 添加“ area”字段，设置“字段类型” 为 double 。右键该字段名， 在菜单中选择 geometry 】命令 图 7. 选择 calculate geometry 命令 图 8. 计算结果 计算各建筑物的总面积（建筑总面积 =每层建筑面积楼层数） 。 打开 buildings 属性表，新建一个双精度字段“ T_area”表示建筑物总面积（方法同上） ， 右键该字段，选择【 filed calculator 】命令，在对话框中输入公式： FLOOR*area，得 到建筑物总面积，如下图： 图 9. field calcul

8、ator对话框及总面积计算结果 标识各个建筑所属地块，便于下一步计算各个地块内的建筑总面积。 选择【分析工具】 | 【叠加分析】 | 【标识】工具，打开对话框如图： 图 10. Identity 工具对话框 输入要素 :buildings ； 标识要素： parcel； 输出要素类： buildings_ID; 连接属性： ALL； 其它参数选择默认，生产结果属性表如图： 图 11. 标识结果 通过建筑物所属地块的 ID 属性来统计每个地块内的总建筑面积。 打开 building_ID 的属性表，右击 ID_1 字段 ,选择【 summarize 】命令，打开对话框及输出结 果如图： 图 12

9、. 汇总工具对话框及汇总结果 关联表 Sum_Area 和 parcel_area 的属性表。 右键 parcel_area （或 parcel）图层，选择【连接和关联】 | 【连接】工具，打开工具对话框 如图： 图 13. 连接工具对话框 设置 parcel_area(或 parcel)的 ID字段和表 Sum_Area的 ID_1 字段进行关联操作。 在提示是否 创建索引的对话框选择“是” 。 图 14. 关联结果 计算每个地块的容积率 在 parcel_area( 或 parcel)的属性表中， 新建双精度字段 Rate；右键该字段选择 【 field calculator 】 工具，

10、输出公式： Sum_Area.Sum_T_area/parcel_area.F_AREA(或parcel.area) ，计算结果就 是容积率。计算完成后， 右击 parcel_area 图层，选择【连接和关联】 |【移除连接】 |【Sum_Area】。 结果如下图： 图 15. 地块容积率计算结果 找出不符合日照标准的建筑。 1) 将 buildings.shp 转化为栅格数据。 选择【 convention Tools 】|【 To Raster】|【Polygon To Raster】工具，打开工具对话框，如图： 图 16. 面转栅格对话框 输入要素： buildings ； 值字段： h

11、eight ； 输出栅格： buildings_g; 像元大小： 1 其他参数默认设置，点击确定，生成栅格数据，如图： 图 17. 建筑物栅格数据 2) 对于上面栅格数据，须将 NoData 转为数值 0，否则获得的阴影数据将不完整。 选择【 spaitial analyst tools 】 | 【 reclass】 | 【 reclassify】工具， 输入栅格： buildings_g ； 重分类字段： value ； 将 NoData 的值改为 0 ，其它值保持不变； 输出栅格： dem_buildings 。 图 18. 重分类结果 3) 分别根据给定的公式， 计算 12:00、13:

12、00 和 14:00 这 3 个时间点太阳的高度角和太 阳方位角(如下表) 。 表 1. 太阳位置时刻表 时间 12:00 13:00 14:00 高度角 34.75197 32.92049 27.75121 方位角 0 16.4569 31.2727 ArcGIS中的方位角 180 196.4569 211.2727 * 角度单位为 4）假设在 t0 时刻太阳的方位角为 A，则建筑物在 t 0时刻的向光面坡向为 A-90，A+90. 依据此原理，分别提取不同时刻的建筑物背光面轮廓。 （下面说明 12:00 的背光面 轮廓提取步骤） 。 选择【 spaitial analyst tools 】

13、 | 【 surface】 | 【aspect】工具。打开工具对话框如图。 输入栅格： dem_buildings ； 输出栅格： aspect12； 生成坡向数据如图： 图 19. 12:00 建筑物的坡向数据 5) 选择【 spaitial analyst tools 】|【map algebra 】| 【 raster calculator 】工具。打开工具 对话框如下左图。 输入公式： (Aspect12 = 90) & (Aspect12 = 0) 。计算 12:00 方 位角为 180时建筑物背光面的轮廓。 输出栅格： back12 ； 图 20. 栅格计算器对话框和提取结果 6)

14、 提取建筑物背光面的高度数据。 选择【 spaitial analyst tools 】|【 map algebra 】|【 raster calculator 】工具。输入公式： back12 * dem_buildings 。 输出栅格： dem12。 图 21. 栅格计算器对话框和 12:00 建筑物背光面高度提取结果 同样的方法提可以取出 13:00和14:00的建筑物背光面轮廓的高度数据： dem13 和dem14 。 7) 根据 3 个时间点计算得到的建筑物背光面高度数据，生成hillshade。 选择【 spaitial analyst tools 】 | 【 surface】

15、| 【hillshade 】工具。打开工具对话框如图。 图 21. hillshade 工具对话框及参数设置 输入栅格：分别为 dem12 、 dem13 和 dem14 ； 输出栅格：分别设为 hillshade12 、 hillshade13 和 hillshade14 ； 方位角”和“高度角”参数分别根据不同时刻输入相应的数据； 0 值表示阴 选择“模拟阴影”选项，输出栅格会同时考虑本地光照的角度和阴影，其中 影区域。 所得 3 个时刻阴影数据分别如下所示： 图 22. 12:00 时刻的建筑物阴影数据 图 23. 13:00 时刻的建筑物阴影数据 图 24. 14:00 时刻的建筑物阴

16、影数据 图 25. 局部建筑物与阴影的遮挡关系（虚框为建筑物，黑色为阴影区） 8）由于获得的 hillshade 数据中，仅值为 间段阴影的叠加分析，首先应先将 0 的栅格为建筑物的阴影，为了方便对该时 hillshade 数据进行【重分类】 ，对阴影栅格 hillshade 值为 0）数据，赋值为 1，其它数据对应值为 0 。 图 26. 对 hillshade 数据重分类结果 然后，利用【 raster calculator 】将 3 个时刻的阴影栅格，累加为一个图层sh_all，即建筑 物在 12:00 14:00 时段内的阴影范围。其取值分别为0、1、 2、 3； 值为 0 的区域属于

17、非阴影区； 值为 1 的区域说明在某一时刻存在阴影； 值为 2 的区域说明在其中两个时刻存在阴影； 值为 3 的区域说明该区域 3 个时刻都存在阴影； 这里认为凡是值大于 0 的区域在 12:00 14:00 内有建筑物被遮挡。 图 27. 阴影区域累加结果 9) 对累积结果进行重分类。 因为阴影区的数值还不统一，所以用【重分类】工具对 为 1，非阴影栅格为 0. sh_all 数据分类，使“阴影栅格” 图 28. 阴影区与非阴影区重分类结果 10) 通过矢量包含关系来判断建筑物与阴影的遮挡关系。 所以我们需要将栅格数据转换为矢量面数据。打开上面的栅格文件的属性表，选中值为 1 的字段；再选择【转换工具】 | 【由栅格转出】 | 【栅格转面】工具，打开对话框如下 图： 图 29. 栅格转面工具对话框 输出结果如下图： 图 30. 转换为矢量后的结果 11）查询不符合日照标准的建筑物（即质心落在阴影内的建筑物） 选择菜单栏中的【 selection 】 | 【 select by location 】工具，如下图： 图 31. 选择“按位置选择”工具 该工具对话框如下图： 选择方法：“从以下图层中选择要素 目标图层： buildings ； 图 32. “按位置选择”工具对话框及参数设置 源图层： sh