基于arcgis的建筑日照分析

1、<p><b>　　龍巖學(xué)院</b></p><p><b>　　畢業(yè)論文</b></p><p>　　題 目：基于ArcGIS的建筑日照分析 </p><p>　　——以綿陽(yáng)市涪城區(qū)為例 </p><p>　　二0一六年五月三十一日</p><p>　

2、　基于ArcGIS的建筑日照分析</p><p>　　——以綿陽(yáng)市涪城區(qū)為例</p><p>　　摘要：隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的不斷加快，城市人口急劇增長(zhǎng)，建筑物的高度、密度不斷增加，使得建筑物之間的相互遮擋問(wèn)題越發(fā)嚴(yán)重，加之人們對(duì)高品質(zhì)生活的追求與維權(quán)意識(shí)的增強(qiáng)，日照分析已得到全社會(huì)的高度重視。本文通過(guò)對(duì)日照分析發(fā)展現(xiàn)狀的研究，旨在探討出一種新的日照分析方法，就是在ArcGIS10.2平臺(tái)上

3、，以收集到的建筑物數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，應(yīng)用ArcGIS的空間分析功能，用地形因子提取工具與地圖代數(shù)工具，提取和計(jì)算出建筑物的坡向數(shù)據(jù)、背光面輪廓及高度數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用山體陰影工具模擬生成建筑物的陰影，疊加不同時(shí)刻的建筑陰影，并與建筑物進(jìn)行疊置分析，如此便可找出不符合日照標(biāo)準(zhǔn)的建筑。結(jié)果表明，這是一種快速、簡(jiǎn)便且易于操作的分析方法，分析結(jié)果直觀可靠，可為城市規(guī)劃管理部門提供參考依據(jù)，以提出適合未來(lái)城市發(fā)展的方案，同時(shí)也為人們?cè)谶x擇居住地時(shí)提

4、供最直觀的分析結(jié)果，以便于做出最佳決策。</p><p>　　關(guān)鍵詞：日照分析；空間分析；疊置分析；建筑陰影；ArcGIS10.2</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　1 引言1</b></p><p>　　1.1研究背景及意義1</p><

5、p>　　1.2相關(guān)研究發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)1</p><p>　　1.2.1現(xiàn)有的日照規(guī)范與研究方法1</p><p>　　1.2.2發(fā)展趨勢(shì)2</p><p>　　2 ArcGIS在建筑日照分析中的應(yīng)用2</p><p>　　2.1現(xiàn)有日照分析方法的評(píng)價(jià)2</p><p>　　2.2基于ArcGIS的建筑

6、日照分析方法及技術(shù)路線3</p><p><b>　　3 實(shí)例分析4</b></p><p><b>　　3.1數(shù)據(jù)來(lái)源4</b></p><p><b>　　3.2技術(shù)要求4</b></p><p><b>　　3.3分析流程4</b><

7、/p><p>　　3.3.1數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與太陽(yáng)位置的計(jì)算4</p><p>　　3.3.2建筑物坡向提取5</p><p>　　3.3.3建筑物背光面輪廓提取6</p><p>　　3.3.4建筑物背光面高度提取8</p><p>　　3.3.5提取建筑物在不同時(shí)刻的陰影9</p><p>　

8、　3.3.6疊加不同時(shí)刻的陰影柵格12</p><p>　　3.3.7分析建筑物與陰影區(qū)的遮擋關(guān)系13</p><p>　　3.3.8結(jié)果分析13</p><p><b>　　4 總結(jié)14</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)：15</b></p><p>

9、<b>　　致謝語(yǔ)17</b></p><p><b>　　1 引言</b></p><p>　　1.1研究背景及意義</p><p>　　隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的不斷加快，大大小小的城市建筑如雨后春筍般拔地而起，城市建筑用地日益緊張，很多開發(fā)商為了謀取更多的利益，不合理的規(guī)劃、使用土地，使得建筑之間相互遮擋的問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重

10、，出現(xiàn)了大批不符合日照標(biāo)準(zhǔn)的建筑。與此同時(shí)，隨著人們對(duì)高品質(zhì)生活的追求，人們對(duì)生存條件的要求越來(lái)越嚴(yán)格，特別是對(duì)居住條件的要求，在選擇居住地時(shí)，優(yōu)美的自然環(huán)境是人們首要考慮的要素，因此居住地能夠得到充足的陽(yáng)光照射是必不可少的條件，充足陽(yáng)光照射不僅可以為人們帶來(lái)賞心悅目的生態(tài)環(huán)境，還能夠消毒殺菌、預(yù)防疾病，使得人們心情舒暢，內(nèi)心愉悅，充滿希望，積極向上[1]。</p><p>　　所以，對(duì)城市建筑進(jìn)行日照分析，找出

11、不符合日照標(biāo)準(zhǔn)的建筑物對(duì)城市規(guī)劃管理與人們選擇工作、居住地具有十分重要的意義。它有利于城市資源的集約利用，在當(dāng)前城市土地日趨短缺的情況下，必須合理規(guī)劃利用土地，在提高土地容積率的同時(shí)，也要注意建筑物之間距離的合理性，以免造成土地資源的浪費(fèi)。城市人口與日俱增，商品房開發(fā)搞得紅紅火火，在房?jī)r(jià)不斷攀高，獲取高額利潤(rùn)的驅(qū)使下，開發(fā)商見縫插針的行為早已司空見慣，建筑物密度、層數(shù)不斷增加，建筑的日照水平持續(xù)降低不說(shuō)，更在一定程度上造成了城市土地資源

12、的浪費(fèi)[2]。日照分析則可以為規(guī)劃設(shè)計(jì)部門提供依據(jù)，從而對(duì)建筑物的高度、密度、形狀、朝向、位置、數(shù)量等進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)與布局，能夠保證建筑物在達(dá)到相應(yīng)的日照標(biāo)準(zhǔn)的前提下、在土地容積率允許的范圍內(nèi)使建筑物數(shù)量達(dá)到最大，進(jìn)而可以減少建筑物之間不科學(xué)的富余間距，實(shí)現(xiàn)城市土地集約化利用的目的，節(jié)約寶貴的土地資源。</p><p>　　日照分析還可提高城市管理水平，因?yàn)槿照辗治鰣?bào)告是在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)上，采用專業(yè)的日照分析軟件得出

13、的結(jié)果，減少了人為因素的影響，具有較高的客觀性、準(zhǔn)確性與應(yīng)用性，從而提高了城市的科學(xué)管理水平。</p><p>　　通過(guò)日照分析還能最直觀的反映出建筑物之間的遮擋情況，從而在人們選擇居住地時(shí)，根據(jù)個(gè)人對(duì)環(huán)境的不同要求，選擇出自己理想的住宅，同時(shí)也可以避免在購(gòu)房時(shí)開發(fā)商對(duì)消費(fèi)者的誤導(dǎo)，特別是習(xí)慣居住在較低層的居民，一定要考慮在冬季時(shí)住宅是否能夠得到充足的陽(yáng)光照射，所以購(gòu)房之前對(duì)居住小區(qū)進(jìn)行日照分析，這樣可以減少個(gè)人

14、的經(jīng)濟(jì)損失，維護(hù)好自己的采光權(quán)，有效避免民事糾紛的發(fā)生。</p><p>　　日照分析越來(lái)越受到人們重視，通過(guò)收集與查閱了大量有關(guān)日照分析方法的資料與文獻(xiàn)后發(fā)現(xiàn)，我國(guó)的日照分析方法大多比較繁瑣復(fù)雜，普通民眾理解與應(yīng)用起來(lái)比較困難，專業(yè)性很強(qiáng)，很多時(shí)候需尋求專業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行操作，然而這一過(guò)程，要耗費(fèi)大量的時(shí)間、人力和財(cái)力。同時(shí)，目前市場(chǎng)上的日照分析軟件也是參差不齊，分析結(jié)果各不相同，究竟哪款軟件計(jì)算精度高、誤差小、最接

15、近實(shí)際等，都沒(méi)有一個(gè)權(quán)威部門進(jìn)行分析比較，因此日照分析的研究還在不斷的探索進(jìn)步當(dāng)中?；谝陨犀F(xiàn)狀，本論文利用GIS空間分析功能，總結(jié)出一套簡(jiǎn)單易學(xué)的建筑日照分析方法。</p><p>　　1.2相關(guān)研究發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)</p><p>　　1.2.1現(xiàn)有的日照規(guī)范與研究方法</p><p>　　目前我國(guó)有關(guān)日照標(biāo)準(zhǔn)的法律法規(guī)并不健全，絕大多數(shù)的日照規(guī)范具有宏觀性，不夠

16、具體，殊不知，不同地方，經(jīng)度、緯度、氣候等都不相同，因此日照標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該因地制宜，根據(jù)實(shí)地情況，制定出各自的日照標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)行的《城市居住區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)規(guī)范》（2002年版）的相關(guān)規(guī)定如表1-1，此外針對(duì)特定情況還有如下規(guī)定[3-4]：</p><p>　?。?）要求在冬至日時(shí)，老人居住的住宅要享受到不低于2小時(shí)的光照時(shí)間；</p><p>　?。?）在已經(jīng)修建設(shè)計(jì)好的建筑外面增設(shè)其它設(shè)備時(shí)，不得降低

17、其周圍建筑物原有的日照標(biāo)準(zhǔn)[5]；</p><p>　?。?）在老住宅區(qū)新建住宅時(shí)，日照標(biāo)準(zhǔn)可以按照實(shí)際情況酌情降低，但必須保證新建住宅在大寒日獲得不低于1小時(shí)光照[6]。 </p><p>　　表1-1 住宅日照標(biāo)準(zhǔn)</p><p>　　在二十世紀(jì)五六十年代，我國(guó)開始流行的日照分析方法主要有兩類：一類是作圖法，主要包括正日影圖、分時(shí)陰影疊合圖、棒影圖與瞬

18、時(shí)陰影圖，這種方法非常繁瑣，費(fèi)時(shí)又費(fèi)工，且應(yīng)用場(chǎng)合有限，為了提高工作效率，工作人員需要參考日照間距系數(shù)表，所以這種方法只適用于建筑布局是嚴(yán)格符合日照間距系數(shù)表的測(cè)算條件的情況。第二類是模擬測(cè)試法，這種方法需要建筑物的縮尺模型，并應(yīng)用日規(guī)儀進(jìn)行日照分析，這種方法已較為落后，現(xiàn)較少使用[7]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，目前比較常用的方法是收集相關(guān)資料，創(chuàng)建建筑物的三維模型，并利用日照分析軟件模擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，進(jìn)行三維可視化分析。另一種比較創(chuàng)新的分析

19、方法是利用天際線照片對(duì)建筑物進(jìn)行日照分析，因?yàn)樗灰ㄖ锏娜S數(shù)據(jù)，只需要用相機(jī)在實(shí)驗(yàn)區(qū)拍攝數(shù)張照片，并記錄相機(jī)、照片的相關(guān)參數(shù)作為分析的依據(jù)，從而大大減少了工作量，針對(duì)這種方法，也開發(fā)了專門的日照分析軟件。</p><p>　　早在上個(gè)世紀(jì)八十年代國(guó)外就開發(fā)了日照分析軟件，而我國(guó)現(xiàn)有的相關(guān)軟件則大多是基于國(guó)外軟件開發(fā)的成果，由于對(duì)軟件版權(quán)保護(hù)的要求高，所以應(yīng)用成本也相對(duì)較高，且操作專業(yè)性強(qiáng)，技術(shù)要求高，然而分

20、析結(jié)果卻不具權(quán)威性。針對(duì)這種情況，本課題選擇一款性價(jià)比較高GIS軟件，只需在ArcGIS10.2平臺(tái)上就能滿足對(duì)建筑物進(jìn)行基本的日照分析[8]。</p><p><b>　　1.2.2發(fā)展趨勢(shì)</b></p><p>　　由于傳統(tǒng)的人工作圖法已經(jīng)難以在規(guī)劃設(shè)計(jì)中對(duì)居住區(qū)日照進(jìn)行優(yōu)化，難以對(duì)復(fù)雜布局的建筑環(huán)境做多個(gè)節(jié)氣的綜合分析，并且無(wú)法從能源角度進(jìn)行更深入的研究，因此

21、計(jì)算機(jī)輔助日照分析已成為發(fā)展的必然趨勢(shì)[9]。伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，日照分析軟件層出不窮，其功能不斷優(yōu)化升級(jí)，提高計(jì)算的速度與精確度是日照軟件開發(fā)的重點(diǎn)方向，可以預(yù)見，隨著日照軟件內(nèi)部計(jì)算速度的不斷提高，日照分析的功能會(huì)更加智能化，輔助分析計(jì)算能夠更準(zhǔn)確、更自動(dòng)化地提供日照分析計(jì)算結(jié)果，日照軟件會(huì)從最初只能進(jìn)行單一的日照分析計(jì)算發(fā)展到能夠提供多種靈活智能的自動(dòng)分析工具，從而能確定出建筑物的最佳高度、最佳位置、最佳形狀體量等，能為城

22、市規(guī)劃設(shè)計(jì)部門提供更為合理的參考依據(jù)，并能夠在分析如何充分利用太陽(yáng)能、節(jié)約土地資源等方面發(fā)揮更重要的作用[10]。</p><p>　　2 ArcGIS在建筑日照分析中的應(yīng)用</p><p>　　2.1現(xiàn)有日照分析方法的評(píng)價(jià)</p><p>　　如早期的作圖法與模擬測(cè)試法費(fèi)工又費(fèi)時(shí)，且分析結(jié)果可靠性低，現(xiàn)行的日照分析方法主要是利用各種日照分析軟件創(chuàng)建建筑物三維模型

23、，并且模擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，能在一定時(shí)間段內(nèi)對(duì)建筑物的日照情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，分析過(guò)程形象直觀，分析結(jié)果也較為可靠，但是在這之前需要做許多繁瑣的準(zhǔn)備工作，因?yàn)橐獙?duì)建筑物進(jìn)行三維建模，需要收集研究區(qū)的地形圖與建筑物的設(shè)計(jì)圖紙，這些都是由人工完成，許多老城區(qū)現(xiàn)已沒(méi)有建筑圖紙，則還要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪，而且對(duì)普通民眾民眾來(lái)說(shuō)，這些資料也難以獲取，或是需要經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的審批過(guò)程，亦或會(huì)花費(fèi)高額的價(jià)錢去購(gòu)買[11]。然而，隨著數(shù)字化城市的建設(shè)，獲取一定量的建筑物數(shù)據(jù)

24、卻變得容易，這些數(shù)據(jù)中包含了大量的空間信息，基于GIS強(qiáng)大的空間分析功能，在ArcGIS平臺(tái)上可以提取出建筑物數(shù)據(jù)中隱含的空間信息，進(jìn)而利用這些新信息便可進(jìn)行日照分析，由于該方法不需要對(duì)建筑物進(jìn)行三維建模，工作量與技術(shù)要求大大降低，分析結(jié)果也直觀可靠，應(yīng)用性較強(qiáng)。</p><p>　　2.2基于ArcGIS的建筑日照分析方法及技術(shù)路線</p><p>　　GIS空間分析的數(shù)據(jù)來(lái)源主要包括矢

25、量數(shù)據(jù)、柵格數(shù)據(jù)兩類，它們可相互轉(zhuǎn)換，且柵格數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、獲取方便、能滿足各種復(fù)雜的空間分析，可以方便地對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行組合和疊加等操作，基于這些優(yōu)點(diǎn)，考慮到對(duì)建筑物進(jìn)行日照分析過(guò)程中，需要提取出建筑物在不同時(shí)刻的陰影范圍，而建筑陰影生成與建筑物的坡向、背光面的輪廓、高度直接相關(guān)，因此需要將這些隱含在建筑數(shù)據(jù)中空間信息提取出來(lái)，然后就能模擬生成建筑的陰影，并判斷出建筑陰影對(duì)其周圍建筑的遮擋情況[12-13]。在ArcGIS 10.2空間

26、分析模塊中，就有一個(gè)功能非常強(qiáng)大的空間分析工具集ArcToolbox，這個(gè)工具集中又包含了針對(duì)柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行空間分析的工具箱Spatial Analyst Tool，在這個(gè)工具箱中，我們可以方便的找到相應(yīng)的提取工具，并且在整個(gè)日照分析過(guò)程中，這個(gè)工具箱都能發(fā)揮巨大的作用，而且在ArcGIS中，每一次提取都會(huì)生成一個(gè)新的圖層，來(lái)專門表達(dá)我們所提取的柵格要素，這有利于我們進(jìn)行柵格計(jì)算或疊置分析等操作，從而找出被遮擋的建筑物[14]。</

27、p><p>　　基于ArcGIS的建筑日照分析是一種非常實(shí)用且易于操作的方法，首先，應(yīng)用ArcGIS中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工具，根據(jù)需求，將三維顯示的建筑物數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù)，以便對(duì)數(shù)據(jù)隱含的空間信息進(jìn)行提取，并且要計(jì)算出不同時(shí)刻的太陽(yáng)位置；接著要用Spatial Analyst Tool工具箱中的表面分析工具與地圖代數(shù)工具，提取出建筑物的坡度、計(jì)算出不同時(shí)刻背光面輪廓與背光面高度數(shù)據(jù)；然后結(jié)合不同時(shí)刻建筑物的背光面高度數(shù)據(jù)與

28、相應(yīng)的太陽(yáng)位置模擬生成不同時(shí)刻的建筑陰影；再接著就是提取出不同時(shí)刻建筑物生成的陰影柵格，并且疊加生成該時(shí)間段內(nèi)的陰影柵格；最后將該時(shí)間段內(nèi)建筑物生成的陰影數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成矢量數(shù)據(jù)，并與矢量表示的建筑物數(shù)據(jù)進(jìn)行疊置分析，通過(guò)矢量包含關(guān)系，找出不符合日照標(biāo)準(zhǔn)的建筑物。具體的技術(shù)路線圖如圖2-1所示。</p><p>　　圖2-1 技術(shù)路線圖 </p><p><b>　　3 實(shí)例分

29、析</b></p><p><b>　　3.1數(shù)據(jù)來(lái)源</b></p><p>　　對(duì)建筑物進(jìn)行日照分析，顧名思義，需要收集一定區(qū)域內(nèi)的建筑物數(shù)據(jù)來(lái)作為日照分析的依據(jù)，因此在四川省綿陽(yáng)市城市規(guī)劃管理網(wǎng)站上收集到綿陽(yáng)市涪城區(qū)部分建筑數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)為矢量數(shù)據(jù)，為了滿足實(shí)驗(yàn)需求，要將其轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù)以備用。</p><p><b>

30、;　　3.2技術(shù)要求</b></p><p>　　基于ArcGIS的建筑日照分析方法雖然簡(jiǎn)單易學(xué)，但是操作起來(lái)仍然有許多值得注意的地方。首先要明確操作的目的與對(duì)象，以及想要得到的結(jié)果，同時(shí)對(duì)整個(gè)操作過(guò)程要了然于心，從而針對(duì)不同問(wèn)題來(lái)采取適宜的解決辦法。于是，要采用本文介紹的日照分析方法，必須注意以下幾點(diǎn)。</p><p>　　（1）由于矢量數(shù)據(jù)主要是針對(duì)點(diǎn)、線、面這些地理實(shí)體進(jìn)

31、行空間分析，如緩沖區(qū)分析、網(wǎng)絡(luò)分析、疊置分析等，而建筑物日照分析要對(duì)建筑物產(chǎn)生的陰影進(jìn)行分析，需要建筑的高度，因此要提取原始數(shù)據(jù)中隱含的空間信息，而在矢量表示的建筑數(shù)據(jù)中無(wú)法實(shí)現(xiàn)相關(guān)要素的提取和柵格計(jì)算，因此必須將矢量數(shù)據(jù)集轉(zhuǎn)換為屬性為建筑物高度的柵格數(shù)據(jù)集。</p><p>　?。?）由于建筑物是有長(zhǎng)、高、寬的立體物體，直接對(duì)柵格化的建筑物數(shù)據(jù)提取山體陰影會(huì)對(duì)日照分析結(jié)果造成極大的誤差。例如在實(shí)際中有兩棟建筑物

32、，其中向陽(yáng)的一棟建筑的陰影對(duì)其后面的建筑有完全遮蓋情況，但在ArcGIS空間分析中，直接對(duì)建筑物提取山體陰影就會(huì)造成背光建筑物的屋頂覆蓋住向陽(yáng)建筑生成的陰影。針對(duì)上述情況，必須提前計(jì)算出建筑物背光面的高度，之后提取的建筑陰影才能準(zhǔn)確的反映建筑物之間的遮擋情況。</p><p>　　疊置分析分兩種，一種是基于柵格數(shù)據(jù)的疊置分析，一種是基于矢量數(shù)據(jù)的疊置分析，剛好在本實(shí)驗(yàn)涉及到這兩種方式的疊置分析，要根據(jù)實(shí)際需要選擇

33、合適的數(shù)據(jù)源。例如，在累加三個(gè)時(shí)刻的陰影柵格時(shí)，就要對(duì)柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行疊置分析，在判斷陰影對(duì)建筑物遮擋情況時(shí)，又要采用矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行疊置分析[15]。</p><p><b>　　3.3分析流程</b></p><p>　　3.3.1數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與太陽(yáng)位置的計(jì)算</p><p>　　由于此次的日照分析主要是基于柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行的，所以首先要將表示建筑物邊界的

34、矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù)。建筑物屬于面實(shí)體，面的柵格化其目的就是要生成柵格數(shù)據(jù)陣列，它是通過(guò)向矢量表示的多邊形邊界內(nèi)部的所有柵格上賦予相應(yīng)的多邊形編號(hào)（屬性）來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在長(zhǎng)期探索中，已經(jīng)產(chǎn)生許多種矢量轉(zhuǎn)柵格的方法，如：邊填充法、掃描法、內(nèi)部點(diǎn)擴(kuò)散法、復(fù)數(shù)積分法等[16]。本次實(shí)驗(yàn)是在ArcGIS 10.2平臺(tái)上，在ArcToolbox中，有需要的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工具箱，里面包含轉(zhuǎn)化為各種格式的轉(zhuǎn)換工具，本次實(shí)驗(yàn)需要屬性為高度的柵格數(shù)據(jù)，因此選擇“

35、轉(zhuǎn)為柵格”這個(gè)工具箱，由于本次實(shí)驗(yàn)是對(duì)矢量表示的多邊形的柵格化，所以用到“面轉(zhuǎn)柵格”，選擇待轉(zhuǎn)換要素所在的圖層進(jìn)行轉(zhuǎn)換，根據(jù)需要將值字段設(shè)置為高度，轉(zhuǎn)換結(jié)果會(huì)自動(dòng)添加一個(gè)新的圖層來(lái)顯示。需要注意的是，要根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置好輸出像元的大小，若是面實(shí)體顯示的面積越小，相應(yīng)像元大小的數(shù)值就應(yīng)該越小，若表示的面積大，像元大小可酌情增加，由于轉(zhuǎn)換的柵格數(shù)據(jù)屬性為建筑物的高度，因此，要把沒(méi)有數(shù)據(jù)的地方用重分類工具把新值修改為0，否則后面獲得的陰影數(shù)據(jù)

36、將不完整。轉(zhuǎn)換結(jié)果如圖3-1所示。</p><p>　　對(duì)建筑的日照分析跟太陽(yáng)位置直接相關(guān)，因?yàn)椴煌瑫r(shí)刻太陽(yáng)位置不同，形成的建筑陰影方向、輪廓、范圍也不相同，所以必須提前計(jì)算出不同時(shí)刻的太陽(yáng)位置。這里說(shuō)的太陽(yáng)位置主要由太陽(yáng)高度角h和方位角A這兩個(gè)參數(shù)決定。該實(shí)驗(yàn)區(qū)緯度Φ為32°，因此用公式3-1來(lái)計(jì)算太陽(yáng)高度角，用公式3-2來(lái)計(jì)算太陽(yáng)方位角，需要注意是，實(shí)際的太陽(yáng)方位角與ArcGIS中方位角相差180&

37、#176;[17-18]。綿陽(yáng)市屬于第Ⅲ氣候區(qū)，根據(jù)當(dāng)?shù)匾?guī)定的日照標(biāo)準(zhǔn)，在冬至日這天必須滿足至少3小時(shí)的光照，由于在正午時(shí)分，太陽(yáng)高度角最大，太陽(yáng)方位角也趨近0°，這時(shí)生成的建筑陰影對(duì)其周圍的建筑物能達(dá)到最低限度的遮擋，這對(duì)建筑日照分析最具參考價(jià)值，因此本次實(shí)驗(yàn)選擇的時(shí)間段就選在正午十二點(diǎn)到下午十四點(diǎn)。計(jì)算結(jié)果如表3-1所示。 </p><p>　　圖3-1 矢量數(shù)據(jù)→柵格數(shù)據(jù)</p>&

38、lt;p>　　Sinh=sinΦsinδ+cosΦcosδcost （3-1）</p><p><b>　　式中δ表示太陽(yáng)赤緯</b></p><p>　　cosA=(sinhsinΦ-sinδ)/coshcosΦ （3-2）</p><p>　　表3-1 太陽(yáng)位置計(jì)算結(jié)果</p><

39、;p>　　3.3.2建筑物坡向提取</p><p>　　坡向是地形因子的一種，通常理解為由高到低的方向。坡向數(shù)據(jù)提取一般是對(duì)地形、地貌的操作，在這里，完全可以把建筑物看作是一種地貌，因?yàn)橥瑯佑畜w積，占據(jù)著空間位置，提取方法與基于地形、地貌的提取方法一樣，都是屬于空間分析中的表面分析，用表面分析工具箱中坡向提取工具，選擇源數(shù)據(jù)所在的圖層，作為輸入柵格，最后輸出一個(gè)新的圖層來(lái)表達(dá)提取的坡向數(shù)據(jù)，假設(shè)將該圖層命名

40、為PX，輸出結(jié)果如圖3-2所示。圖中，彩色顯示部分就代表是建筑物的坡向，且不同顏色就代表是不同方向上的坡向。</p><p>　　圖3-2 建筑物坡向</p><p>　　3.3.3建筑物背光面輪廓提取</p><p>　　建筑物背光面的輪廓直接影響到建筑陰影的形狀和大小，在提取的建筑物坡向數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，可以通過(guò)柵格計(jì)算提取建筑物背光面的輪廓。在ArcGIS空間分析

41、工具中，柵格計(jì)算器可以分別把位于不同圖層的柵格數(shù)據(jù)當(dāng)作是一個(gè)函數(shù)關(guān)系中的變量，通過(guò)調(diào)用ArcGIS內(nèi)部自帶的函數(shù)關(guān)系或者編輯自己需要的函數(shù)關(guān)系來(lái)進(jìn)行邏輯運(yùn)算或數(shù)學(xué)運(yùn)算，并且能把計(jì)算結(jié)果輸出在一個(gè)新的圖層上[19]。由于在不同時(shí)刻太陽(yáng)的方位角不相同，因此建筑物背光面輪廓也不相同，需要分別計(jì)算三個(gè)時(shí)刻的背光面輪廓。以正午十二點(diǎn)為例，此時(shí)太陽(yáng)方位角在ArcGIS中的方位角為180°，根據(jù)原理，若某時(shí)刻太陽(yáng)方位角為Φ，建筑物向陽(yáng)面的坡

42、向則在Φ-90°到Φ+90°之間，因此推算出正午十二點(diǎn)建筑物向光面的坡向是在90°到270°之間。計(jì)算的柵格數(shù)據(jù)是在坡向（PX）這個(gè)圖層中，于是在柵格計(jì)算器中編輯公式如3-3所示，計(jì)算出建筑物在十二點(diǎn)時(shí)背光面輪廓，同理計(jì)算出建筑物在十三點(diǎn)、十四點(diǎn)的背光面輪廓，分別編輯公式如（3-4)和(3-5）所示，輸出結(jié)果如圖3-3所示，為建筑物在十二點(diǎn)整、太陽(yáng)方位角為180°時(shí)的背光面輪廓，相應(yīng)其它

43、兩時(shí)刻的背光面輪廓如圖3-4和圖3-</p><p>　　~(("PX" >= 90) & ("PX" <= 270)) & ("PX" >= 0) (3-3）</p><p>　　~(("PX" >= 106.4569) & ("PX

44、" <= 286.4569)) & ("PX" >= 0) （3-4）</p><p>　　~(("PX" >= 121.2727) & ("PX" <= 301.2727)) & ("PX" >= 0) （3-5）</p>

45、<p>　　圖3-3 建筑物背光面輪廓（12:00）</p><p>　　圖3-4 建筑物背光面輪廓（13:00）</p><p>　　圖3-5 建筑物背光面輪廓（14:00）</p><p>　　3.3.4建筑物背光面高度提取</p><p>　　要獲取建筑物背光面高度數(shù)據(jù)，必須建立建筑物背光面輪廓與建筑高度的關(guān)系。同樣以十二點(diǎn)建

46、筑物背光面輪廓數(shù)據(jù)為例，假設(shè)把屬性為建筑物高度的柵格數(shù)據(jù)所在圖層命名為GD(數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換階段已經(jīng)輸出）,把十二點(diǎn)建筑物背光面輪廓數(shù)據(jù)所在圖層命名為L(zhǎng)K，求算建筑物背光面輪廓的高度，這是一個(gè)基于不同圖層的柵格數(shù)據(jù)之間的運(yùn)算，空間分析工具中的“地圖代數(shù)”為位于不同圖層的柵格數(shù)據(jù)提供了運(yùn)算平臺(tái)，通過(guò)分析，在柵格計(jì)算器中編輯公式“"LK" * "GD"”，柵格運(yùn)算后輸出建筑物在正午十二點(diǎn)的背光面高度數(shù)據(jù)，結(jié)果

47、如圖3-6所示。同理可計(jì)算出其它兩時(shí)刻的建筑物背光面高度，結(jié)果如圖3-7與圖3-8。圖中，不同顏色表示不同高度的背光面。</p><p>　　圖3-6 建筑物背光面高度（12:00）</p><p>　　圖3-7 建筑物背光面高度（13:00）</p><p>　　圖3-8 建筑物背光面高度（14:00）</p><p>　　3.3.5提取建

48、筑物在不同時(shí)刻的陰影</p><p>　　雖然在ArcGIS 10.2中有專門生成陰影的工具，但并不適用于本例的分析，因?yàn)樵摲治龉ぞ咧贿m合點(diǎn)狀光源照射的物體，它的光線是中心發(fā)散式的放射光線，而實(shí)際中太陽(yáng)發(fā)出的光為平行光線，所以該陰影生成工具不能應(yīng)用于本實(shí)驗(yàn)。但是，在ArcGIS空間分析工具中的“表面分析”模塊中，有一個(gè)“山體陰影”工具，該工具的光源就是模擬太陽(yáng)發(fā)出的平行光線，符合實(shí)際情況[20]。應(yīng)用山體陰影工具

49、，根據(jù)不同時(shí)刻的太陽(yáng)位置，模擬生成三個(gè)時(shí)刻的建筑陰影。同樣以正午十二點(diǎn)為例，將輸出圖層命名為YY-12，結(jié)果如圖3-9所示。其它兩時(shí)刻皆同此原理，輸出結(jié)果如圖3-10與圖3-11所示。</p><p>　　圖3-9 建筑陰影（12:00)</p><p>　　圖3-10 建筑陰影（13:00）</p><p>　　圖3-11 建筑陰影（14:00）</p>

50、;<p>　　如上圖所示，黑色部分為建筑陰影，陰影柵格的值為0，要把三個(gè)時(shí)刻的陰影柵格單獨(dú)提取出來(lái)，提取目標(biāo)柵格同樣是關(guān)于柵格的計(jì)算，使用柵格計(jì)算器，編輯公式如“目標(biāo)圖層==0”，以十二點(diǎn)的建筑陰影數(shù)據(jù)為例，編輯公式“"YY-12" == 0”提取出建筑在十二點(diǎn)的陰影柵格，結(jié)果如圖3-12所示。同理可提取出其它兩時(shí)刻的陰影柵格，輸出結(jié)果如圖3-13與3-14所示。圖中值為0的柵格表示沒(méi)有數(shù)據(jù)的地方，值為

51、1的柵格就表示建筑陰影。</p><p>　　圖3-12 陰影柵格（12:00）</p><p>　　圖3-13 陰影柵格（13:00）</p><p>　　圖3-14 陰影柵格（14:00）</p><p>　　3.3.6疊加不同時(shí)刻的陰影柵格</p><p>　　因?yàn)橐袛嘟ㄖ镌诙寥諘r(shí)是否滿足至少三小時(shí)的光照標(biāo)

52、準(zhǔn)，就要把這三個(gè)時(shí)刻的陰影柵格進(jìn)行疊加，使得陰影柵格全部在一個(gè)新的圖層中表達(dá)出來(lái)，如果建筑物在陰影中，則不符合日照標(biāo)準(zhǔn)。這是一個(gè)基于柵格數(shù)據(jù)的疊置分析過(guò)程，在柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，地理實(shí)體都是通過(guò)規(guī)則的柵格單元來(lái)表示，對(duì)多個(gè)圖層的疊加操作都是根據(jù)每個(gè)柵格單元所對(duì)應(yīng)的數(shù)值之間的運(yùn)算來(lái)實(shí)現(xiàn)的[21]。所以本例要把三個(gè)時(shí)刻的陰影柵格累加到一個(gè)圖層上，只需對(duì)三個(gè)圖層的陰影柵格進(jìn)行代數(shù)運(yùn)算，計(jì)算原理如圖3-15所示，計(jì)算結(jié)果如圖3-16所示。</

53、p><p>　　+ + = </p><p>　　圖3-15 柵格運(yùn)算原理</p><p>　　圖3-16 三個(gè)時(shí)刻的建筑陰影</p><p>　　如圖3-16中所示，圖中有值為0、1、2、3的四種柵格，其中，定義沒(méi)有數(shù)據(jù)的地方

54、值為0，值為1的柵格表示有一個(gè)小時(shí)存在建筑陰影的地方，值為2的柵格表示連有兩個(gè)小時(shí)存在建筑陰影的地方，值為3的柵格表示三個(gè)小時(shí)都存在建筑陰影的地方。為了方便接下來(lái)判斷建筑物是否位于陰影區(qū)內(nèi)，要采用ArcGIS的空間選擇功能，該功能是基于矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行操作的，因此要把陰影柵格全部轉(zhuǎn)換為屬性為面的矢量數(shù)據(jù)，為了轉(zhuǎn)換方便就要統(tǒng)一陰影柵格的數(shù)值，在這里值大于0的柵格都為陰影柵格，因此采用重分類工具，把值為2、3的柵格的新值改為1即可，輸出結(jié)果如圖

55、3-17所示。同樣，值為0的柵格表示沒(méi)有數(shù)據(jù)的地方，值為1的柵格就表示建筑物在三個(gè)小時(shí)內(nèi)生成的陰影范圍。</p><p>　　圖3-17 陰影重分類</p><p>　　3.3.7分析建筑物與陰影區(qū)的遮擋關(guān)系</p><p>　　要分析建筑陰影對(duì)建筑物的遮擋情況，必須把建筑物數(shù)據(jù)層與陰影數(shù)據(jù)層進(jìn)行疊置分析，前面有提到，應(yīng)用ArcGIS的空間選擇功能要基于矢量數(shù)據(jù)

56、來(lái)操作，通過(guò)分析建筑物與陰影的矢量包含關(guān)系，來(lái)找出被遮擋的建筑物。首先利用“柵格轉(zhuǎn)面”工具，將柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為矢量面數(shù)據(jù)，后再與矢量表示的建筑數(shù)據(jù)進(jìn)行疊置分析，按照目標(biāo)圖層要素（建筑物）在源圖層要素（陰影）中的位置，采用不同的空間選擇方法，高亮顯示出不符合日照標(biāo)準(zhǔn)的建筑物。結(jié)果如圖3-18和3-19所示。</p><p>　　圖3- 18

57、 圖3-19</p><p><b>　　3.3.8結(jié)果分析</b></p><p>　　如上圖所示，圖3-18是按目標(biāo)圖層要素（建筑物）的質(zhì)心在源圖層（陰影）要素內(nèi)的空間選擇方法來(lái)選擇出不符合日照標(biāo)準(zhǔn)的建筑。高亮顯示出的建筑物表示在冬至日這天，該棟建筑的大部分區(qū)域在12:00-14：00這段時(shí)間內(nèi)一直受到建筑陰影的遮擋，多數(shù)住宅不能達(dá)到日照標(biāo)準(zhǔn)，因此人們?cè)谫?gòu)房

58、時(shí)，就要慎重選擇，特別是對(duì)低層住宅的選擇，這時(shí)，需要要進(jìn)行更深一步的日照分析，找出不符合日照標(biāo)準(zhǔn)住宅的具體位置（樓層），進(jìn)而為人們提供可靠的依據(jù)，以免上當(dāng)受騙。</p><p>　　同理，圖3-19是按目標(biāo)圖層要素（建筑物）完全位于源圖層要素（陰影）范圍內(nèi)的空間選擇方法得出的結(jié)果，圖中高亮顯示的建筑物表明，在冬至日這天，這些建筑在12:00-14:00這段時(shí)間內(nèi)整棟都位于陰影之中，完全不能接受陽(yáng)光的照射，此為不符

59、合日照標(biāo)準(zhǔn)的建筑，人們購(gòu)房時(shí)可將其直接排除，同時(shí)，對(duì)城市規(guī)劃管理部門來(lái)說(shuō)，這些建筑都是可以拆除的建筑物，或者可以改變其周圍建筑的高度，來(lái)使這些建筑達(dá)到日照標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)重新規(guī)劃設(shè)計(jì)，調(diào)整布局方式，找出最適宜的建筑高度和密度等，盡可能的達(dá)到科學(xué)的建筑設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)維護(hù)公民權(quán)益、節(jié)約土地資源的目標(biāo)。</p><p><b>　　4 總結(jié)</b></p><p>　　本文基于對(duì)G

60、IS空間分析功能的認(rèn)識(shí)，通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)日照分析方法的研究，探討出這種基于ArcGIS的建筑日照分析方法，并結(jié)合實(shí)例分析，從基本原理、技術(shù)要求、工作流程等方面進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，結(jié)果證明這是一種比較簡(jiǎn)便實(shí)用的分析方法，其工作量少、技術(shù)要求低、分析結(jié)果直觀可靠，最重要就是對(duì)于普通民眾來(lái)說(shuō)容易理解，易于操作，可以大大降低日照分析的成本，達(dá)到既經(jīng)濟(jì)又省時(shí)、省力的目的。但是這種方法的不足之處就是具有籠統(tǒng)性，第一，該方法只能分析出不符合日照標(biāo)準(zhǔn)的建筑物，而不

61、能具體落實(shí)到對(duì)某間住宅或某個(gè)樓層進(jìn)行較為詳細(xì)的日照分析，這需要利用更先進(jìn)的日照分析軟件和更成熟的分析方法。第二，對(duì)建筑物進(jìn)行日照分析是一個(gè)復(fù)雜繁瑣的過(guò)程，除了要考慮太陽(yáng)位置、日照間距、建筑物的高度、外形和布局對(duì)日照情況的影響外，還要考慮不同建筑物的材質(zhì)，不同地方的小氣候等因素對(duì)日照情況的影響[22]。因此，在未來(lái)的日照分析發(fā)展中，要結(jié)合實(shí)地情況，綜合所有的影響因素，進(jìn)行更深入的研究，使日照分析結(jié)果更具參考價(jià)值，進(jìn)而為現(xiàn)代化城市建設(shè)、解決

62、民生問(wèn)題，構(gòu)建社會(huì)主義和諧社會(huì)、實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略作出更大的貢獻(xiàn)。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)：</b></p><p>　　[1] 魏鑫, 王天棟, 劉彥花. 居住區(qū)規(guī)劃和建筑設(shè)計(jì)中日照分析的問(wèn)題解析[J]. 科技展望, 2015, 05: 25-29.</p><p>　　[2] 劉經(jīng)緯. 我國(guó)城市土地資源管理的現(xiàn)狀和對(duì)策[J].

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69、 335-338.</p><p>　　[15] 湯國(guó)安, 劉學(xué)軍, 閭國(guó)年, 盛業(yè)華, 王春, 張婷. 地理信息系統(tǒng)教程[M]. 北京: 高等教育出版社, 2007, 209-213.</p><p>　　[16] 王建, 杜道生. 矢量數(shù)據(jù)向柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的一種改進(jìn)算法[J]. 地理與地理信息科學(xué), 2004, 01: 31-34.</p><p>　　[17]

70、姜立, 王會(huì)一, 任燕翔, 張雷. 建筑日照分析原理與計(jì)算方法的研究[J]. 土木建筑工程信息技術(shù), 2009, 02: 63-69.</p><p>　　[18] 徐豐, 王波, 張海龍. 建筑日照分析中太陽(yáng)位置計(jì)算公式的改進(jìn)研究[J]. 重慶建筑大學(xué)學(xué)報(bào), 2008, 05: 130-134.</p><p>　　[19] 趙軍, 劉勇. 地理信息系統(tǒng)ArcGIS實(shí)習(xí)教程[M]. 北京

71、: 氣象出版社, 2009, 185-189.</p><p>　　[20] 湯國(guó)安, 楊昕等. ArcGIS地理信息系統(tǒng)空間分析實(shí)驗(yàn)教程[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2012, 567.</p><p>　　[21] 黎夏, 劉凱. GIS與空間分析—原理與方法[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2006, 59-60.</p><p>　　[22] 吳萍莉. 基于

72、ArcGIS的三維建筑日照時(shí)態(tài)模擬[J]. 地理空間信息, 2012, 06: 94-96.</p><p>　　Analysis of building sunshine based on ArcGIS</p><p>　　—Taking Fucheng District of Mianyang as an example</p><p>　　College of

73、 Resource Engineering Surveying and Mapping Engineering</p><p>　　2012092531 Tang Huatian Instruct teacher: Gao Peng</p><p>　　Abstract: With the accelerating process of urbanization in our cou

74、ntry, the rapid growth of urban population, the height and density of the building increasing, the problem that buildings block the others’ sight becomes more and more serious. Coupled with people of high quality of life

75、 and the pursuit of rights-protection consciousness, sunshine analysis has been attracting attention of the whole society.This paper aims to explore a new method for the analysis of sunlight through the study of th</p

76、><p>　　Key words: Sunshine analysis; spatial analysis; overlapping-analysis; ArcGIS10.2</p><p><b>　　致謝語(yǔ)</b></p><p>　　時(shí)光飛逝，不知不覺(jué)中，我的大學(xué)生活已接近尾聲，回首過(guò)往，難免心生感慨，依依不舍。四年中既有歡暢，也有失意、有成

77、功，也有失敗，這都是我人生中一筆寶貴的財(cái)富。四年大學(xué)生活，讓我學(xué)會(huì)了獨(dú)立自強(qiáng)、勵(lì)精圖治、奮發(fā)向上，更讓我學(xué)會(huì)了感恩。在這里我要感謝那些在這四年中一直伴我成長(zhǎng)的可愛、可敬的人兒。</p><p>　　我要感謝我的老師們，是他們辛勤無(wú)私地教導(dǎo)，才讓我學(xué)到了一生受益的生存本領(lǐng)，是他們苦口婆心的教誨，領(lǐng)著我們走上正確的道路；是他們無(wú)微不至的關(guān)懷，才讓我們?cè)谀婢持懈惺艿綔嘏o予我們力量，讓我們勇往直前。要特別感謝我的論文

78、指導(dǎo)老師，高鵬老師，是她無(wú)私的講解和悉心的指導(dǎo)，才使我能順利地完成畢業(yè)論文，讓我收獲頗多，受益匪淺。</p><p>　　我要感謝我的同學(xué)們，感謝他們陪我一起成長(zhǎng)，讓我成長(zhǎng)之路豐富多彩。是他們教會(huì)我怎樣與一群性格迥異的人和平共處、友愛互助、攜手共進(jìn)，是他們讓我發(fā)現(xiàn)自己的亮點(diǎn)與不足，讓我在學(xué)習(xí)生活中學(xué)會(huì)時(shí)刻反省，不斷完善自我，因?yàn)橛兴麄?，讓我收獲了一份真摯的同學(xué)情誼。</p><p>　　我