基于ArcGIS的三维建筑日照时态模拟

吴萍莉

（福州大学环境与资源学院，福建福州350108）

基于ArcGIS的三维建筑日照时态模拟

吴萍莉

（福州大学环境与资源学院，福建福州350108）

以福州大学怡山校区为例，在ArcGIS 10环境中,结合SketchUp构建三维建筑模型，对建筑物接受日照和产生阴影遮挡情况进行三维可视化时态模拟研究，提出了无需插件的MultiPatch三维模型创建思路以及三维建筑的日照分析方案。研究结果不仅可为城建规划部门及居民提供快捷可靠的科学日照分析手段，而且拓展了三维建筑模型在GIS中的应用。

ArcGIS；三维模型；日照分析

随着中国经济的快速发展，中国已进入城镇化加速时期，预计到2020年，将有50%的人口居住在城市，2050年则有75%的人口居住在城市。同时，随城镇居民的生活水平的不断提高，人们对居住环境的舒适要求也在不断提升，而居住建筑的日照条件无疑是人们衡量住宅环境舒适度的重要标准之一。大量研究证实，必要的日照对保持人体健康有重要作用[1]。然而，近年来由于建筑用地日益紧张，为了提高容积率来缓解建筑用地的不足，许多不合理的住宅建筑布局规划设计导致了建筑日照严重不足。如何有效地设计日照条件良好的住宅建筑已成为建筑设计者必须面对的问题。针对此问题，Bansal等人就GIS技术在建筑日照可视化方面做了可行性研究，结果表明GIS技术除了能够在建筑设计的不同阶段提供方案对比和成本控制以外，而且还可以为设计者提供有效控制建筑日照条件的方法[2]。据此，本文以福州大学怡山校区为例，尝试在ArcGIS 10环境中，结合SketchUp构建三维建筑模型，对不同时间点下建筑物接受日照和产生阴影遮挡情况进行三维可视化模拟研究。研究结果可为城建规划部门及居民提供快捷可靠的建筑日照科学分析手段。

1 三维建筑物建模

1.1 建模平台

ArcScene和ArcGlobe是ESRI公司ArcGIS系列软件中的三维分析平台，能够对ArcGIS的三维数据模型MultiPatch进行简单编辑，并实现 GIS分析功能。但是，在ArcGIS中并不能直接创建精细的MultiPatch三维模型，而需要借助其他三维建模平台构建三维模型，进而转化为MultiPatch格式才能在ArcScene或ArcGlobe中使用[3]。目前，主流的三维建模平台主要有美国Autodesk公司的3dsMax、Maya、Google公司的SketchUp等。其中，SketchUp是一个极受欢迎、易于使用的3D设计软件，并且用其创建的三维模型可以直接输出至GoogleEarth显示，也可以通过其地理定位功能（Geolocation）截取GoogleEarth影像图，从而便于在GIS环境中与其他数据源集成应用。因此，本研究采用SketchUp进行建筑三维模型的构建，在ArcScene10环境下进行建筑日照情况时态模拟分析。

1.2 三维建模技术流程

由于SketchUp建模周期短，而且模型数据量与精致度可达到很好的平衡，因此利用SketchUp构建三维模型已成为许多GIS研究者的首选[4-7]。这些研究大多采用了SketchUp提供的SketchUpESRI插件进行SketchUp与ArcGIS二者间的数据连接，本文提出了无需插件的MultiPatch建筑三维模型的创建思路，其基本操作流程如图1所示。

图1 MultiPatch三维模型构建流程图

2 建筑日照分析技术路线

随着城市建筑用地日益紧张，住宅建筑日照条件问题开始显得突出，如何充分利用阳光以满足室内采光和卫生要求，同时预防室内过热引起人体不适等不良影响越来越引起人们的重视。建筑日照分析的方法有多种，如早期的手工棒影图和日影图，这种方法费时耗工。近年来，涌现了许多日照分析软件，这些软件大多要求以建筑三维模型作为输入条件，对建筑物做全面的日照分析，操作方便，并以报表方式输出分析结果，具有很强的实用性，基本能解决实际需要。为减少三维建模等工作量，王诂等人研究并开发了利用天际线照片进行日照分析的软件[8]。但是，作为独立的专业分析软件，这些软件并不具备GIS技术所具有的多源数据整合、管理以及强大的空间分析功能。为拓展GIS技术在这方面的应用，本研究采用ArcGIS10软件，结合日照分析原理对实验区建筑物进行不同时间点下建筑接受日照和产生阴影遮挡的情况模拟分析，其技术流程如图2所示。

图2 ArcGIS 10中建筑日照分析技术流程图

2.1 创建太阳位置点数据

上述建筑日照分析流程中，太阳位置点采用ESRI公司ArcGIS资源中心开源Python脚本工具Create Sun Skymap Tool计算生成。该工具以用户提供的具体日期与时间组合，利用建筑基底质心来计算太阳具体的空间位置与方位。该脚本工具的运行要求为：在ArcGIS 10环境下，安装相应版本的PyEphem模块，并以ArcGIS Multipatc格式建筑三维模型作为输入。其中，PyEphem模块是基于 Python编程语言各种天文算法的程序库，给定具体日期时间和地表位置，则可以科学地计算出相应的太阳、月亮以及其他天体的具体位置。

2.2 创建建筑物天际线

天际线这一概念最开始起源于城市规划学中的城市定型理论，通俗地讲就是一个人站在城市的某一个位置上，眼前的高楼大厦与天际形成的相交线。在建筑日照分析中，天际线代表以太阳作为观察点，阳光所能照射到的建筑与天际形成的相交线。给定太阳具体位置，利用ArcGIS 10提供的3D Analyst Tools中的Skyline工具可以容易地获得建筑日照分析中所需的天际线（Skyline）或阴影轮廓（Shadow Silouettes）。

2.3 创建建筑日照区域及阴影区域

基于上述天际线和太阳点位置，利用ArcGIS10提供的3DAnalystTools中的SkylineBarrier工具，可生成建筑物天际线扇区，该扇区具体由太阳所在点连接天际线上第一个结点，以该连接线作为扫描线逐点经过天际线上所有结点扫描而成的一个区域。通过适当的颜色和透明度调整，即可逼真地展现现实中建筑物接受日照的结构部分。另外，通过创建给定太阳位置下的建筑物阴影轮廓，同样利用ArcGIS10提供的3DAnalystTools中的SkylineBarrier工具，即可生成由于建筑物遮挡所产生的阴影区域。

3 实验与分析

3.1 构建建筑三维模型

本文利用ArcGIS 10结合Google SketchUp 8对福州大学怡山校区建筑物进行三维建模。由于缺少实验区总平面规划图，本实验采用GoogleEarth卫星影像截图作为建模底图。主要的操作过程为：1）在SketchUp8中，利用Geo-location添加实验区卫星影像图，以此为底图进行建筑三维模型的建模，并将所建模型保存为SketchUp 6版本，以便与ArcGIS 10兼容使用；2）在GoogleEarth中，截取实验区卫星影像图，利用GPS现场采集控制点，在 ArcMap中对卫星影像进行空间配准；3）在ArcCatalog中创建地理数据库（PersonalGeodatabase），并在该数据库中新建类型为MultiPatch的地物类；4）在ArcScene中，添加配准后的卫星影像和新建的MultiPatch数据，打开3D Editor工具条，对新建MultiPatch数据进行编辑，在编辑状态下，点击添加工具，在影像图上适应位置逐个放置相应的 SketchUp三维模型，必要时可做位置或角度调整。完成后，退出编辑状态并保存编辑，即完成实验区MultiPatch三维模型的构建（见图3）。

图3 福州大学怡山校区MultiPatch三维模型

3.2 ArcGIS日照分析

根据上述日照情况分析流程，本实验利用ArcGIS软件中的ModelBuilder工具设计了一个用于创建建筑物接受日照区域及遮挡阴影区域的模型（Sun Analyst，见图4）。该模型只需用户输入所要分析的三维建筑模型，并设定需要分析日照的具体时间或时间段间隔，即可自动生成相应的建筑日照区域和阴影区域。

图4 基于ArcGIS ModelBuilder的建筑日照分析模型

3.3 实验结果

本实验以福州大学怡山校区的科学楼为实验对象，设定日照日期为2012年8月1日，时间从早上8点至下午6点，日照分析的时间间隔为2h（见图4b））。运行所创建的Sun Analyst模型后，在ArcScene中加载模型运行生成的日照区域和阴影区域图层，通过添加图层属性表时间信息字段，并启用图层属性中时间选项卡的时态功能，该图层则可作为时态数据使用。最后，通过设置ArcScene中的时间滑动工具（Time Slider）即可进行不同时间点下建筑日照情况的时态模拟（见图5）。图中日照区域为 70%透明度的黄色区域，阴影区域为40%透明度的深灰色区域。

图5 不同时间点下实验区科学楼日照情况图

实验结果表明：结合SketchUp三维建模，在ArcGIS 10环境中，不仅可以实现建筑物日照情况和阴影遮挡情况的实际分析，而且通过加入时间信息，可使得分析结果以更加直观逼真的方式进行时态模拟，同时，也让大量的建筑三维模型在GIS中得到了充分利用。

4 结语

随着建筑用地日益紧张，保证住宅建筑必要的日照条件关系到每个居住者的健康。过弱或过强日照对健康均有不利影响，利用计算机模拟现有或拟建住宅建筑日照情况的优势显而易见。本文结合SketchUp的三维建模功能和ArcGIS10的三维分析功能，不仅提出了模拟建筑日照情况的解决方案，更拓展了三维建筑模型在GIS中的应用。

然而，建筑日照分析是一项复杂的工作，除建筑布局、日照间距、建筑外形以及朝向等外部影响因素外，建筑材料等因素也同样影响其日照情况。因此，后续研究需根据实际情况结合各种影响因素进行更深入的日照综合分析。

[1] 袁博成.基于健康的住宅建筑日照研究[J].国外医学卫生学分册,2009,36(1):23-28

[2] Bansal V K and Pal M.Extended GIS for Construction Engineering by Adding Direct Sunlight Visualizations on Buildings[J]. Construction Innovation,2009,9(4):406-419

[3] Kennedy K H.Introduction to 3D Data:Modeling w ith ArcGIS 3D Analyst and Google earth[M].New Jersey:Wiley,2009

[4] 周靖斐,章皖秋.GIS系统中实现规模化建筑物的三维建模方法[J].地理空间信息,2011,9(1):85-90

[5] 陈松林,刘专.应用ERDAS和SketchUp构建城市三维景观模型实验[J].地理空间信息,2011,9(1):46-49

[6] 王秋平,段瑞.基于ArcGIS的三维可视化分析[J].交通科技与经济,2011(1):115-118

[7] 单楠,况明生.基于SketchUp和ArcGIS的三维GIS开发技术研究[J].铁路计算机应用,2009,18(4):14-17

[8] 王诂,荣浩磊.天际线照片在建筑日照分析中的应用[J].建筑学报,2002(7):37-38

Temporal Simulation of Sunlight on Buildings Based on ArcGIS

by WU Pingli

This paper took Yishan campus of Fuzhou University as an example to study the methodology for temporal simulation of direct sunlight on buildings under ArcGIS 10 environment by using SketchUp to create the 3D building models.In this study,an efficient method of creating 3D building MultiPatch models without the plug-ins between Arc-GIS and SketchUp,and a scheme of sunlight and shadows analysis in ArcGIS were proposed.The results of this study not only depicted the sunlight

and shadows caused by the 3D buildings at different time in a vivid visualizationway,butalso expanded the applicationof 3D building models in GIS field.

ArcGIS,3D models,sunlight analysis

2012-08-15

项目来源：福建省自然科学基金资助项目（2010J01252）。

P208

B

1672-4623(2012)06-0094-03

吴萍莉，讲师，主要从事地理信息系统科研与教学。