基于ArcGIS的三維建筑日照時態模擬

吳萍莉

（福州大學環境與資源學院，福建福州350108）

基于ArcGIS的三維建筑日照時態模擬

吳萍莉

（福州大學環境與資源學院，福建福州350108）

以福州大學怡山校區為例，在ArcGIS 10環境中,結合SketchUp構建三維建筑模型，對建筑物接受日照和產生陰影遮擋情況進行三維可視化時態模擬研究，提出了無需插件的MultiPatch三維模型創建思路以及三維建筑的日照分析方案。研究結果不僅可為城建規劃部門及居民提供快捷可靠的科學日照分析手段，而且拓展了三維建筑模型在GIS中的應用。

ArcGIS；三維模型；日照分析

隨著中國經濟的快速發展，中國已進入城鎮化加速時期，預計到2020年，將有50%的人口居住在城市，2050年則有75%的人口居住在城市。同時，隨城鎮居民的生活水平的不斷提高，人們對居住環境的舒適要求也在不斷提升，而居住建筑的日照條件無疑是人們衡量住宅環境舒適度的重要標準之一。大量研究證實，必要的日照對保持人體健康有重要作用[1]。然而，近年來由于建筑用地日益緊張，為了提高容積率來緩解建筑用地的不足，許多不合理的住宅建筑布局規劃設計導致了建筑日照嚴重不足。如何有效地設計日照條件良好的住宅建筑已成為建筑設計者必須面對的問題。針對此問題，Bansal等人就GIS技術在建筑日照可視化方面做了可行性研究，結果表明GIS技術除了能夠在建筑設計的不同階段提供方案對比和成本控制以外，而且還可以為設計者提供有效控制建筑日照條件的方法[2]。據此，本文以福州大學怡山校區為例，嘗試在ArcGIS 10環境中，結合SketchUp構建三維建筑模型，對不同時間點下建筑物接受日照和產生陰影遮擋情況進行三維可視化模擬研究。研究結果可為城建規劃部門及居民提供快捷可靠的建筑日照科學分析手段。

1 三維建筑物建模

1.1 建模平臺

ArcScene和ArcGlobe是ESRI公司ArcGIS系列軟件中的三維分析平臺，能夠對ArcGIS的三維數據模型MultiPatch進行簡單編輯，并實現 GIS分析功能。但是，在ArcGIS中并不能直接創建精細的MultiPatch三維模型，而需要借助其他三維建模平臺構建三維模型，進而轉化為MultiPatch格式才能在ArcScene或ArcGlobe中使用[3]。目前，主流的三維建模平臺主要有美國Autodesk公司的3dsMax、Maya、Google公司的SketchUp等。其中，SketchUp是一個極受歡迎、易于使用的3D設計軟件，并且用其創建的三維模型可以直接輸出至GoogleEarth顯示，也可以通過其地理定位功能（Geolocation）截取GoogleEarth影像圖，從而便于在GIS環境中與其他數據源集成應用。因此，本研究采用SketchUp進行建筑三維模型的構建，在ArcScene10環境下進行建筑日照情況時態模擬分析。

1.2 三維建模技術流程

由于SketchUp建模周期短，而且模型數據量與精致度可達到很好的平衡，因此利用SketchUp構建三維模型已成為許多GIS研究者的首選[4-7]。這些研究大多采用了SketchUp提供的SketchUpESRI插件進行SketchUp與ArcGIS二者間的數據連接，本文提出了無需插件的MultiPatch建筑三維模型的創建思路，其基本操作流程如圖1所示。

圖1 MultiPatch三維模型構建流程圖

2 建筑日照分析技術路線

隨著城市建筑用地日益緊張，住宅建筑日照條件問題開始顯得突出，如何充分利用陽光以滿足室內采光和衛生要求，同時預防室內過熱引起人體不適等不良影響越來越引起人們的重視。建筑日照分析的方法有多種，如早期的手工棒影圖和日影圖，這種方法費時耗工。近年來，涌現了許多日照分析軟件，這些軟件大多要求以建筑三維模型作為輸入條件，對建筑物做全面的日照分析，操作方便，并以報表方式輸出分析結果，具有很強的實用性，基本能解決實際需要。為減少三維建模等工作量，王詁等人研究并開發了利用天際線照片進行日照分析的軟件[8]。但是，作為獨立的專業分析軟件，這些軟件并不具備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。為拓展GIS技術在這方面的應用，本研究采用ArcGIS10軟件，結合日照分析原理對實驗區建筑物進行不同時間點下建筑接受日照和產生陰影遮擋的情況模擬分析，其技術流程如圖2所示。

圖2 ArcGIS 10中建筑日照分析技術流程圖

2.1 創建太陽位置點數據

上述建筑日照分析流程中，太陽位置點采用ESRI公司ArcGIS資源中心開源Python腳本工具Create Sun Skymap Tool計算生成。該工具以用戶提供的具體日期與時間組合，利用建筑基底質心來計算太陽具體的空間位置與方位。該腳本工具的運行要求為：在ArcGIS 10環境下，安裝相應版本的PyEphem模塊，并以ArcGIS Multipatc格式建筑三維模型作為輸入。其中，PyEphem模塊是基于 Python編程語言各種天文算法的程序庫，給定具體日期時間和地表位置，則可以科學地計算出相應的太陽、月亮以及其他天體的具體位置。

2.2 創建建筑物天際線

天際線這一概念最開始起源于城市規劃學中的城市定型理論，通俗地講就是一個人站在城市的某一個位置上，眼前的高樓大廈與天際形成的相交線。在建筑日照分析中，天際線代表以太陽作為觀察點，陽光所能照射到的建筑與天際形成的相交線。給定太陽具體位置，利用ArcGIS 10提供的3D Analyst Tools中的Skyline工具可以容易地獲得建筑日照分析中所需的天際線（Skyline）或陰影輪廓（Shadow Silouettes）。

2.3 創建建筑日照區域及陰影區域

基于上述天際線和太陽點位置，利用ArcGIS10提供的3DAnalystTools中的SkylineBarrier工具，可生成建筑物天際線扇區，該扇區具體由太陽所在點連接天際線上第一個結點，以該連接線作為掃描線逐點經過天際線上所有結點掃描而成的一個區域。通過適當的顏色和透明度調整，即可逼真地展現現實中建筑物接受日照的結構部分。另外，通過創建給定太陽位置下的建筑物陰影輪廓，同樣利用ArcGIS10提供的3DAnalystTools中的SkylineBarrier工具，即可生成由于建筑物遮擋所產生的陰影區域。

3 實驗與分析

3.1 構建建筑三維模型

本文利用ArcGIS 10結合Google SketchUp 8對福州大學怡山校區建筑物進行三維建模。由于缺少實驗區總平面規劃圖，本實驗采用GoogleEarth衛星影像截圖作為建模底圖。主要的操作過程為：1）在SketchUp8中，利用Geo-location添加實驗區衛星影像圖，以此為底圖進行建筑三維模型的建模，并將所建模型保存為SketchUp 6版本，以便與ArcGIS 10兼容使用；2）在GoogleEarth中，截取實驗區衛星影像圖，利用GPS現場采集控制點，在 ArcMap中對衛星影像進行空間配準；3）在ArcCatalog中創建地理數據庫（PersonalGeodatabase），并在該數據庫中新建類型為MultiPatch的地物類；4）在ArcScene中，添加配準后的衛星影像和新建的MultiPatch數據，打開3D Editor工具條，對新建MultiPatch數據進行編輯，在編輯狀態下，點擊添加工具，在影像圖上適應位置逐個放置相應的 SketchUp三維模型，必要時可做位置或角度調整。完成后，退出編輯狀態并保存編輯，即完成實驗區MultiPatch三維模型的構建（見圖3）。

圖3 福州大學怡山校區MultiPatch三維模型

3.2 ArcGIS日照分析

根據上述日照情況分析流程，本實驗利用ArcGIS軟件中的ModelBuilder工具設計了一個用于創建建筑物接受日照區域及遮擋陰影區域的模型（Sun Analyst，見圖4）。該模型只需用戶輸入所要分析的三維建筑模型，并設定需要分析日照的具體時間或時間段間隔，即可自動生成相應的建筑日照區域和陰影區域。

圖4 基于ArcGIS ModelBuilder的建筑日照分析模型

3.3 實驗結果

本實驗以福州大學怡山校區的科學樓為實驗對象，設定日照日期為2012年8月1日，時間從早上8點至下午6點，日照分析的時間間隔為2h（見圖4b））。運行所創建的Sun Analyst模型后，在ArcScene中加載模型運行生成的日照區域和陰影區域圖層，通過添加圖層屬性表時間信息字段，并啟用圖層屬性中時間選項卡的時態功能，該圖層則可作為時態數據使用。最后，通過設置ArcScene中的時間滑動工具（Time Slider）即可進行不同時間點下建筑日照情況的時態模擬（見圖5）。圖中日照區域為 70%透明度的黃色區域，陰影區域為40%透明度的深灰色區域。

圖5 不同時間點下實驗區科學樓日照情況圖

實驗結果表明：結合SketchUp三維建模，在ArcGIS 10環境中，不僅可以實現建筑物日照情況和陰影遮擋情況的實際分析，而且通過加入時間信息，可使得分析結果以更加直觀逼真的方式進行時態模擬，同時，也讓大量的建筑三維模型在GIS中得到了充分利用。

4 結語

隨著建筑用地日益緊張，保證住宅建筑必要的日照條件關系到每個居住者的健康。過弱或過強日照對健康均有不利影響，利用計算機模擬現有或擬建住宅建筑日照情況的優勢顯而易見。本文結合SketchUp的三維建模功能和ArcGIS10的三維分析功能，不僅提出了模擬建筑日照情況的解決方案，更拓展了三維建筑模型在GIS中的應用。

然而，建筑日照分析是一項復雜的工作，除建筑布局、日照間距、建筑外形以及朝向等外部影響因素外，建筑材料等因素也同樣影響其日照情況。因此，后續研究需根據實際情況結合各種影響因素進行更深入的日照綜合分析。

[1] 袁博成.基于健康的住宅建筑日照研究[J].國外醫學衛生學分冊,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系統中實現規模化建筑物的三維建模方法[J].地理空間信息,2011,9(1):85-90

[5] 陳松林,劉專.應用ERDAS和SketchUp構建城市三維景觀模型實驗[J].地理空間信息,2011,9(1):46-49

[6] 王秋平,段瑞.基于ArcGIS的三維可視化分析[J].交通科技與經濟,2011(1):115-118

[7] 單楠,況明生.基于SketchUp和ArcGIS的三維GIS開發技術研究[J].鐵路計算機應用,2009,18(4):14-17

[8] 王詁,榮浩磊.天際線照片在建筑日照分析中的應用[J].建筑學報,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

項目來源：福建省自然科學基金資助項目（2010J01252）。

P208

B

1672-4623(2012)06-0094-03

吳萍莉，講師，主要從事地理信息系統科研與教學。