ArcGIS輔助建筑物陰影分析

程德強,趙牡丹,張倩,馮園

西北大學城市與環境學院,陜西西安710127

ArcGIS輔助建筑物陰影分析

程德強,趙牡丹*,張倩,馮園

西北大學城市與環境學院,陜西西安710127

本文以簡單單棟建筑物作為研究對象，在ArcGIS10.1環境下，對由于建筑物遮擋而產生的陰影，結合日照分析原理，使用相關陰影分析工具實現對建筑物陰影遮蓋區域陰影時長的求解，對相關時刻進行陰影的模擬，并使用Model Builder完成了通用模型的構建，從而擴展了ArcGIS的陰影分析功能。本研究結果不僅可以為植被綠化提供科學的依據，同時還將為建筑物空間結構優化提供一定參考。

ArcGIS;Model Builder;陰影模擬;空間分析

陰影與人類的生產與生活密切相關，對陰影的研究有其現實實用意義。在計算機技術尚未出現以及普及之前，建筑師只能憑借以往的相關經驗，感覺預測光照環境，進而通過繁雜的手工計算，繪制得到手工棒影圖和日影圖等，該種研究建筑物陰影的方法在費時耗工的同時，也制約著陰影研究的精度與效率。計算機技術的快速發展，促進了計算機技術在建筑物陰影模擬相關方面的應用研究，為陰影的分析帶來了一場革命，通過計算機強大的數值計算與圖像處理能力，可以實現對陰影模擬的快捷、高效、直觀展示。

國外對日照陰影問題的研究歷來比較重視，因此制定出臺了相應的法律法規，研發了許多可以進行日照及陰影分析的專業軟件或在其他軟件上進行了此方面功能的擴展，相關產品如Water Slade公司日照陰影分析軟件[1]，Ecotect綠色建筑分析及輔助設計軟件等，許多優秀的三維制作軟件如3ds max、SketchUp等也提供了陰影模擬分析的輔助功能，而在GIS產品領域，諸如ArcGIS、Skyline等功能強大的GIS專業軟件在日照陰影模擬分析方面的功能也日益強大。國內，應用較多的是基于CAD軟件開發的日照陰影分析軟件，這些軟件一般基于二維CAD[2]進行實現，如眾智SUN日照分析軟件、THSEA日照環境分析系統、聯圖日照分析軟件、HYSA城市規劃日照分析軟件、天正軟件日照分析模塊[1]、飛時達日照分析計算軟件FastSUN、湘源控規日照分析模塊，這些軟件各有特點，但基本功能基本一致，國內所采用的日照分析軟件，大部分是基于AutoCAD的二次開發來實現的，是對AutoCAD生成的矢量文檔.dxf的分析，分析過程依賴于AutoCAD的建模功能，只有少數分析軟件可以脫離AutoCAD平臺[3]。

1 研究思路

上文中提及的眾多日照陰影分析軟件基本都可以實現對相關地理實體對象的陰影分析，操作方便，并通過報表的方式輸出分析結果，實用性強，基本能解決實際需要，但是，也不得不認識到，這些獨立的專業分析軟件，往往也存在自身的局限性，即這些軟件對陰影的求解往往是某一時刻陰影的投射狀態或者某一點上受到光照的開始時刻與結束時刻，但對于相關分析中實現陰影時長的面狀分布往往忽略，同時，基于CAD開發的相關陰影分析軟件往往不具備GIS技術所具有的多源數據整合、管理以及強大的空間分析功能，從而會一定程度上限制對陰影的進一步分析與應用。

ArcGIS作為GIS領域最優秀的軟件代表之一，它的三維分析模塊通過與其他模塊結合，能夠為三維地理問題分析和解決提供相關可行方案，雖然其三維分析功能仍主要停留在2.5維水平，但卻已基本反映三維GIS的最新研究成果,具有完備性、集成性和兼容性，從而使之成為目前進行地理數據三維分析的最佳選擇之一[4]，此外，Model Builder作為ESRI公司研發的ArcGIS模型生成器，提供了一個圖形化的操作環境，可以在其中創建及修改模型[5]，具有簡化繁瑣工作，提高處理效率，結果客觀等優點[6]，十分適合應用于對批量數據的處理。

在綜合考慮相關陰影分析軟件的特點與局限性的基礎上，本文的研究在于通過使用ArcGIS10.1的相關陰影分析工具，在Model Builder中構建相關數據處理模型，實現在GIS環境下對陰影的模擬與陰影時長的定量自動求取，并對相關時刻陰影進行模擬再現，從而實現對不同地點陰影時長的直觀認識。

2 陰影分析涉及的相關概念

2.1 太陽高度角與太陽方位角

太陽在天空中的位置可以用太陽高度角與太陽方位角進行表示，太陽的高度角及方位角與研究區地理位置、觀測時間密切相關。其中太陽高度角是指地面上某點與太陽的連線與地平面之間相交所形成的夾角，其值在0°到90°之間變化，而太陽方位角指的是太陽與地面上某點的連線在地面上形成的投影與正南方向的夾角，正南方向為0°，逆時針方向為負，順時針方向為正，在正北方向時方位角可以為180°或-180°[3]。

2.2 日出及日落時間

地球自轉給人的直接印象是太陽的東升西落，日出及日落時間將決定日照時間的長短，本文中，將采用天文學意義上對日出日落時刻的定義，即在地面上所見的日面上邊緣與地平線相切的時刻作為日出日落時刻。

對日出日落時刻的確定，是根據在日出日落時太陽高度角為0°這一條件，根據相關公式進行計算確定的，依據楊晚生[7]在其所著《環境建筑學》中關于太陽高度角與太陽方位角的計算，對相關公式進行整理后，在將太陽高度角假設為0°的條件下，得到關于日出日落時間的求取公式：

上式中，S為當地真太陽時，單位為小時（h）；φ為地理緯度，單位為度（°）；d為赤緯，單位為度（°），對于赤緯的計算，本文采用Peter.lumde所提出的一年中逐日赤緯的粗略計算公式（公式2）；N為從1月1日起開始計算的天數，單位為天。

3 ArcGIS軟件中的陰影分析工具簡介

在ArcGIS10.1版本之前的版本中，已經出現關于陰影分析的山體陰影工具，該工具的作用是通過考慮照明源的角度和陰影，其作用只是根據表面柵格創建地貌暈渲。在2012年Esri公司對外發布的ArcGIS10.1軟件中，3DAnalyst工具箱的可見性工具集下首次出現了太陽陰影體工具，其功能是利用每個輸入要素，在給定日期和時間的光照條件下，通過所投射出的陰影來創建模型。因該工具出現時間不長，在相關文章與應用出現較少，如何利用該工具，并對該工具進行更進一步的功能開發將對后續的文章與應用提供相關借鑒。

查閱相關資料后，可知該工具具有以下特點：

1)輸入要素可以是拉伸3D圖層或是多面體要素，從而保障了數據輸入的多元性，尤其是多面體要素，可以通過其他軟件構建然后導入ArcGIS中進行應用。

2)在僅提供日期的條件下，可進行日出和日落陰影計算，日出與日落時間可以通過屬性表進行查看，其中起始日期與時間是必填項，結束日期與時間是可選項，在僅輸入起始日期的條件下，只生成當日日出陰影體；

3)所有輸入要素都應位于相同的區域內；

4)如果太陽在給定日期和時間不可見，或太陽的相對位置與輸入要素成90度直角，則不會創建陰影體；

5)所生成太陽陰影體為一個閉合的多面體，且同一建筑物的太陽陰影體會交疊在一起；

6)陰影體始終始于垂直平面并止于垂直平面，兩個平面和太陽光方向的水平投影相垂直；

7)太陽陰影體要素類屬性中，DATE_TIME字段用于計算太陽位置的當地日期和時間，AZIMUTH字段為太陽方位角，VERT_ANGLE字段為太陽高度角。

由上文表述可知，該工具的作用是生成一定時間間隔下的太陽陰影體，該陰影體可以在ArcScene或ArcGlobe中進行展示，因此如何利用該工具實現陰影時長的定量求取，實現有視覺感知到定量化的數值獲取是本文研究的重點。

4 單日建筑物陰影時長定量求取

4.1 單日建筑物陰影時長定量求取的分步實施

4.1.1 對太陽陰影體工具的簡單檢驗因太陽陰影體工具在ArcGIS10.1中首次出現，相關文章與應用提及較少，為確認工具可靠性，需要對該工具進行相關的驗證，筆者通過對比人工對日出日落時間的求取與通過在僅輸入日期運行該工具得到的日出日落時間進行對比來達到對工具可靠性檢驗的目的。

本文選取2014年的夏至日（6月21日）進行相關驗證，根據上文中提及的公式，確定相關參數（研究區緯度φ為34.145°、N值為172）計算得到了研究區日出當地真太陽時時間為S日出=4.859點時，日落當地真太陽時時間為S日落=19.141點時。

因ArcGIS相關陰影工具所輸入的時間為北京時間，因此有必要確定當地真太陽時與北京時間的換算關系，依據相關文獻[7]，在已知研究區所處經度為108.87°E，時區屬于東七區，時區中心線為105°E，并依據文獻中提供的相關公式求得該日平均時差為-0.0481 h的條件下，確定了當地真太陽時與地區標準時間、地區標準時與北京時間之間的關系，經整理獲得了研究區該日當地真太陽時與北京時間換算關系：

從而求得相對應的日出日落北京時間：

上述太陽日出日落時間均是通過上文中所提及的相關公式計算求得的，具有一定的科學性，通過使用“太陽陰影體”工具在僅輸入日期的情況下，生成了日出與日落時刻的太陽陰影體，通過查看其屬性，通過軟件計算獲得的日出時間為5時37分37秒，日落時間為19時54分50秒，比較公式求取時間與軟件生成的時間后，兩者差異性不大，同時對于ArcGIS文檔中對DATE_TIME字段的理解，即“用于計算太陽位置的當地日期和時間”中的“當地日期和時間”應理解為當地所用的日期與時間，非當地真太陽時時間。在分析人工計算日出日落時間與軟件計算日出日落時間兩者的差異上，認為可能主要是在人工求取日出日落時間時使用了平均時差造成的，使人工計算結果出現了一定偏差，通過上述比較后一定程度上驗證了該工具的科學性與可靠性。

4.1.2 三維建筑簡單模型的構建以經過配準的高分辨率遙感影像作為底圖，選取校區內某單體建筑所在位置作為模型構建的位置，模型的底面輪廓通過該棟建筑物的底面輪廓進行確定，以便在本研究中所構建的建筑物能夠更好地在建筑物朝向上接近真實建筑物，通過拉伸的方式構建30 m高的建筑物模型。在實際應用中，在構建建筑物時，若所研究建筑物構造相對復雜，可以采用在Sketchup等三維模型制作軟件中進行建模然后導入ArcScene中的方法[8]。

4.1.3 太陽陰影體求取依據上文中所求取的夏至日日出日落時間，將其轉換為時分秒格式后，在ArcScene中，使用太陽陰影體工具，對陰影進行模擬，起始日期設定為經過計算獲得的2014年6月21日5時38分57秒，結束時間為當日的19時55分51秒，上述時間均為北京時間，迭代時間間隔在經過多次試驗后，在考慮精度與效率的前提下，選取2 min作為迭代時間間隔，生成太陽陰影體。

4.1.4 二維陰影覆蓋面的生成通過太陽陰影體工具獲得的建筑物投射陰影是以多面體進行呈現的，并不具備有可量測性，只是在每一迭代時刻會生成一個多面體，僅僅表現為視覺上的直觀性，但并不能給出定量的表示，因此在參考有關投影的相關思想的基礎上，可以將陰影體進行投射，但是在不同高度上所得到的陰影投射面是不同的，鑒于此，通過拉伸一個二維矢量平面（命名為“大地平面”），并將其拉伸成高度為0.001 m的三維模型，通過“3D圖層轉要素類”工具轉換成多面體要素，構建一厚度為0.001 m的“大地體”，再使用“3D相交”工具，產生一厚度為0.001 m的相交體，最后使用“多面體覆蓋區”工具實現二維覆蓋面的生成，從而實現了三維結果向二維結果的轉變。

4.1.5 字段添加與賦值通過上一步的操作，完成了從三維向二維轉變的過程，但在這一轉變中，在構建太陽陰影體時所設置的時間間隔并沒有體現出來，通過對陰影覆蓋面要素添加短整型“分鐘”字段，并賦值為2，完成時間間隔的屬性表現。

4.1.6 陰影覆蓋面分離上步操作結束后生成的覆蓋區要素類包含429個要素，且相互疊壓在一起，為保證后續實驗順利進行，需要將這429個工具分別抽離成獨立要素，若采用手工的方法，工作量過于龐大，因此需要通過迭代功能實現要素分離，在使用迭代功能對各獨立要素進行提取時所依靠的是其本身所帶有的默認字段OID字段。

4.1.7 矢柵轉換抽離的各要素獨立存放，通過“要素轉柵格”工具，在設定像元大小為0.5 m，轉換屬性設置為分鐘字段，完成矢柵轉換。

4.1.8 建筑物周邊陰影時長圖的獲取將矢柵轉換得到的所有柵格文件，通過“像元統計數據”工具，進行“總和”的疊加統計，最終生成1 d內建筑物對太陽光的遮擋產生陰影而生成的各位置陰影時長（分鐘）的累計柵格，為便于對陰影時長的直觀認識，采取將柵格轉為浮點型并除以60的方法，將時間累計柵格的單位變為小時。選擇了最鄰近像元法構建影像金字塔，使其表面自然過渡[9]，通過查詢工具，可查詢柵格影像灰度值，其值大小即為該點陰影時長值。

4.1.9 建筑物陰影的時態模擬通過上文中的多個步驟，實現了對建筑物周邊陰影時長的直觀認識，為了對建筑物陰影的遮蓋情況有一個形象化的認識，通過對使用“太陽陰影體”工具生成的陰影體啟用圖層屬性中時間選項卡的時態功能，使該圖層可作為時態數據使用，使用時間滑塊工具，實現了對不同時間點對陰影的時態模擬，根據需要，也可以制作相應的三維動畫以提供直觀逼真動態的可視化效果[10]。

圖1 不同時刻陰影展示Fig.1 Shadow show at different times

4.2 建筑物陰影時長定量求取的通用模型構建

上文中對陰影時長的求取各步驟實施較為分散，考慮到模型工具的通用性，通過Model Builder工具對上述各過程進行整合，針對單日陰影時長的求取，構造了“建筑物單日太陽陰影體求取”、“建筑物周邊單日陰影時長求取”兩個模型，其特點如下：

1）在僅輸入日期條件下，能夠在設定的時間間隔條件下，生成太陽陰影體，改進了原太陽陰影體工具在僅有日期條件下只能生日出與日落兩個陰影體的限制，模型的內部開始時間與結束時間均有太陽陰影體生成并進行反饋。

2）時間間隔直接設定為小時，并保證和最終輸出結果也以小時為單位進行展示，保證了結果的一致性。

3）鑒于覆蓋面過多的情況，通過將迭代工具與收集器工具進行組合，降低了繁雜的手工輸入，提高了整體操作的自動化。

4）根據相關提示進行參數的相關輸入，保證了模型輸入參數的簡單化，提高了模型的復用性，易于模型的推廣與應用。

圖2 模型參數輸入界面Fig.2 Model parameter input interface

5 結語

本文通過合理的技術路線，實現了在ArcGIS下對單日建筑物陰影時長的定量化計算，依據生成的結果可以通過識別工具獲得相應的陰影時長值，并在Model Builder中實現了通用模型的構建，并通過減少相關參數，保證了模型的簡單易用性，擴展了ArcGIS的陰影分析功能。本文雖只對單棟建筑物的單日陰影進行了相關分析，但借助上述技術路線，對于大范圍的多棟復雜建筑物更長時間尺度的陰影分析也是可以通過相關模型的改進與參數調整來實現的。在本次建筑物陰影時長計算過程中，還存在一些不完善的地方，例如由于條件的限制，筆者只能從理論與思路方法上對陰影時長的求取進行論述，模型的正確性的高低還需要后續在實際使用中進行相關驗證，筆者希望通過本文的相關研究，推動陰影在相關領域更廣泛的研究。

[1]李黎.基于三維GIS的建筑物日照分析研究[D].西安:西安科技大學,2011

[2]張穎.基于三維城市模型的日照分析研究[D].武漢:武漢大學,2005

[3]倪劍龍.建筑日照分析與仿真系統的設計與實現[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學,2009

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[5]羅鵬,石軍南,孫華.基于GIS空間模型的庫區生態敏感性評價研究[J].水土保持研究,2007,14(2):255-258

[6]周揚,李瀟麗,吳文祥,等.基于Model Builder的庫區生態敏感性分析[J].安徽農業科學,2009,37(29):14272-14275

[7]楊晚生.建筑環境學[M].武漢:華中科技大學出版社,2009:7-11

[8]吳萍莉.基于ArcGIS的三維建筑日照時態模擬[J].地理空間信息,2012,10(6):94-96

[9]馬震,王玉麗.ArcGIS三維可視技術在山區水庫庫盤選址中的應用[J].內陸地震,2011,25(3):269-274

[10]賈晉太.ArcGIS中制作三維動畫的方法[J].華北國土資源,2009(2):51-53

TheAnalysis on the Shadow of Building With the ArcGIS

CHENG De-qiang,ZHAO Mu-dan*,ZHANG Qian,FENG Yuan
College of Urban and Environmental Science,Northwest University,Xi'an 710127,China

Using a single building as the research object in ArcGIS10.1,the shadow will be created and calculated with the help of sunshine analysis theory and shadow analysis tools.The shadow of certain time can be simulated as well.Models which can be used universally are made in Model Builder,and it extends the ArcGIS shadow analysis function.The research results can help to provide the scientific basis for greening and a reference for optimizing the structure of buildings.

ArcGIS;Model Builder;shadow simulation;spatial analysis

P90

A

1000-2324(2015)03-0403-05

2014-08-11

2014-11-19

程德強(1990-),男,碩士研究生,主要從事GIS空間分析.E-mail:381643318@qq.com

*通訊作者:Author for correspondence.E-mail:zmudan@nwu.edu.cn