三維日照分析在規劃審批中的應用

盧丹丹，吳易璿，潘澄

(武漢市測繪研究院，湖北 武漢 430022)

三維日照分析在規劃審批中的應用

盧丹丹*，吳易璿，潘澄

(武漢市測繪研究院，湖北 武漢 430022)

為了改善傳統二維日照分析中存在的操作過程繁瑣、表達效果不直觀等問題，本文采用成熟的三維仿真與GIS技術，通過研究三維日照分析的數值計算方法，搭建了城市規劃三維審批輔助系統，將三維效果表現與數值表達結合，使日照查詢分析結果更直觀、更準確，實現了三維日照分析方法在建筑規劃審批中的應用，提高了建筑規劃審批的直觀性、科學性和準確性。

城鄉規劃審批；三維日照分析；三維仿真技術；日照分析模型

1 引 言

近年來，我國隨著城市建設的發展，城市居住環境愈來愈受到人們的重視，百姓對生活居住環境要求也在不斷提高。其中，日照作為居住環境的重要組成部分已普遍得到百姓的重視，如何保護已有的“陽光權”已成為備受社會大眾及媒體關注的話題。

城鄉規劃審批通常以建筑日照作為判斷居住環境質量水平的一項重要標準，它既決定著每戶住宅的日照條件，也決定著居住區規劃設計中的住宅布局方位和住宅建筑間距。而目前實踐中，普遍采用建筑間距方法來籠括該指標定義，但是間距指標不等同于建筑日照的衡量：

(1)具體審批建筑的實際情況(高層、異型、非正南北方向等因素)各有不同，遇到特別的案例時，不同的承辦人員對間距控制的理解和把握分寸各有不同；

(2)《城市居住區規劃設計規范》(GB50180-93)對建筑物的窗戶日照時間有明確規定：城市居住建筑墻外窗戶的滿窗日照時間不應低于冬至日(大寒日)日照 2 h，而該規定無法在建筑間距指標中控制；

(3)在建筑物被遮擋處沒有窗戶，或者有窗戶而沒被遮擋的情況下完全可以壓縮建筑間距，而建筑間距控制卻不能提供有效的控制方法。

因此，在城鄉規劃審批過程中如何直觀準確地進行建筑日照分析，合理確定建筑物朝向、間距以及研究房屋形體和房屋陰影造成的影響，節約土地并保證日照環境質量，為居民創造良好的條件是新時期城鄉規劃與管理必須考慮的問題。

2 三維日照分析簡述

2.1 三維日照分析

三維仿真技術以計算機技術為基礎，利用高性能、高集成的計算機硬、軟件，集成圖形圖像技術、網絡技術、人機交互技術、傳感技術及多媒體技術，營造了一個“3I”(交互性Interactivity、沉浸感Illusion of Immersion和構想性Imagination)的虛擬環境。在城鄉規劃審批過程中，三維仿真技術常用于方案對比、方案調整、輔助規劃設計、日照分析、領導決策、宣傳展示等方面。

日照分析主要以建筑及其周圍環境所在地點、季節、時間為考察對象，利用太陽運動規律，通過棒影日照圖解算，評定出日照指標。其中日照指標主要包括日照時間、日照質量。日照時間是以住宅向陽房間在規定的日照標準日受到的日照時數為計算標準。日照質量是指每小時室內地面和墻面陽光照射面積累計的大小以及陽光中紫外線的效用高低。

三維日照分析是建立在三維仿真技術平臺之上，通過建立審批區日照分析三維模型，得到影長與太陽運動時間的關系，解算出日照時間，遮陽與陰影關系，最后利用顯示硬件的Stencil技術，以實時渲染方式顯示在三維仿真場景內的過程。

2.2 三維日照分析與傳統方式的比較

傳統的日照計算方法是手工繪制棒影日照圖，從而獲得該建筑物總的日照時數。隨著計算機技術的發展，城市規劃部門逐步采用二維CAD方式進行計算。但是，二維CAD方式沒有考慮地形和建筑物屋頂的影響。且表現方式主要以書面報告呈現，數據指標以抽象、專業的日照等時線圖表達，不容易解釋，表示上容易造成糾紛，制作周期較長。

與傳統日照分析相比，三維日照分析其基本算法和思想同二維CAD方式一致，且具備以下幾個方面的優點：

(1)三維日照分析構建了與實際相仿的三維環境，采用動態交互的方式對規劃模型與現狀模型進行全方位的觀察，可以以各種漫游模式進行場景的瀏覽，如：行走、駕車、飛行、定制路徑、繞點飛行。

(2)三維日照分析采用三維仿真技術，在虛擬的三維場景中進行日照陰影模擬和日照時間計算，第一時間將計算結果直接表現于三維模型上，回避了日照圖表的專業性，縮短了制作周期，真正實現了日照計算結果的所見即所得。

(3)日照指標的計算采用改良的算法，可以快速計算出日照時間與日照關系，滿足三維仿真系統的實時要求，并且表現形式上采用陰影模擬、滿窗時間標識、日照曲面運動模擬、區域日照分析圖斑等表達方式，能夠直觀、簡單的解釋抽象概念的數據。

3 三維日照分析發展狀況

3.1 國外應用現狀

目前國外的一些發達國家如日本、美國、英國等對日照問題比較重視，特別是英國在有關日照方面的研究和實用方面，走在了其他國家的前面，制定了其國內通用的日照法規并推動了應用軟件的研制。英國Waterslade公司開發的日照陰影分析軟件擁有全面的日照時間和陰影分析功能，為城市規劃、建筑師以及居民等提供科學準確、完善的日照分析數據。

3.2 國內應用現狀

近些年來，國內許多單位陸續推出了日照分析軟件，例如眾智軟件有限公司與無錫規劃局于2000年主項開發的SUN日照分析軟件，天正工程軟件有限公司的日照分析模塊，清華大學計算機系與清華大學建筑學院開發的THSEA日照環境分析系統，聯圖公司的日照分析軟件2.0以及鴻業科技開發的城市規劃日照分析軟件——HYSA v3.0等等。這些日照分析軟件在規劃和設計單位得到較好應用。

3.3 發展趨勢

上述日照分析軟件大都是基于二維CAD實現，不僅操作過程比較繁瑣，而且在陰影遮擋分析方面，繪制的平面日照陰影分析圖不直觀，人們感興趣的是在真實的“再現場景”中進行漫游、規劃、設計，實時體驗環境的變化。因此，武漢市測繪研究院利用成熟三維仿真技術，開發三維日照分析的數值計算模塊，從而打破了三維仿真僅在景觀表現上的應用局限，完全將效果表現與數值表達結合。既方便設計人員從容設計，又為決策者提供科學和準確的審批途徑。

4 三維日照分析在規劃審批中的應用

武漢市測繪研究院在已研制的《城市規劃三維審批輔助系統》基礎上開發了日照分析子系統SunAnalysis。該子系統采用面向對象的編程思路，完成日照分析算法的優化，集成現狀模型、規劃模型及相關屬性信息，實現了三維日照的模擬、計算及分析。

4.1 數據內容

圍繞日照分析所需的數據對建筑的采集與處理應包括以下幾方面內容：

(1)基礎數據：建筑總平面施工圖、地形圖；

(2)必備數據：建筑物高程(基地高程、房頂高程、室內地坪)、窗戶信息(窗戶方位、窗底高程、窗戶寬度、窗戶高度)。

城市日照分析涉及建筑物數量巨大，如何高效準確的獲取這些基本數據是進行日照分析的關鍵步驟之一。其中建筑物的地理經緯度和地形高程數據可以從基礎數據上準確獲得，而必備數據的采集目前常用的方式有兩種：航測立體像對的內業采集和人工外業三角高程測量。

4.2 系統集成

該日照分析子系統主要包括數據交換、數據建庫、規劃數據管理、三維可視化、日照分析等模塊，如圖1所示。

4.3 功能概述

在準確的日照分析時間基礎上，結合規劃審批規范要求，針對日照分析，該子系統提供以下基本功能：

(1)單點日照分析：選擇三維場景中任意空間，即可實時計算出該點在當天的累計日照時間、最長日照時間，并繪制日照圓錐曲線。

(2)窗戶日照分析：選擇三維場景中任意建筑物窗戶，即可實時計算出該窗戶在當天的左窗日照時間、右窗日照時間和滿窗日照時間。

(3)單體日照分析：選擇三維場景中任意建筑物，即可實時計算出該建筑外墻每一窗戶的滿窗日照時間，并將計算結果分時段以不同顏色表現，使用戶一目了然窗戶日照情況。

(4)日照遮擋分析：選擇任意區塊，即可實時計算當前區塊中建筑物的當天相互遮擋情況。

(5)區域日照分析：選擇任意區域，給定時間和距離間隔，即可實時計算出當前區域地面各間隔點在當天的日照時間，并將計算結果分時段以不同顏色繪制于三維地形之上。

(6)日照陰影模擬：不僅實現建筑物日照陰影的靜態模擬，而且實現全天日照陰影的動態模擬。

4.4 項目案例

武漢市測繪研究院利用三維日照分析子系統，以武漢市武昌區某商用住宅小區為案例，制作并完成了該小區的日照分析報告，圖2～圖5分別為對該小區進行的單體陰影靜態模擬、單點日照分析、單體窗戶日照分析和區域日照分析功能演示。該小區的日照分析案例受到了同行的一致好評。

圖2 單體陰影顯示

圖3 單點日照分析

圖4 單體窗戶分析

圖5 區域日照分析

5 結 語

三維日照分析是一項新型的技術應用，目前對數據采集提出了較高的要求。如何準確、高效地采集并制作三維日照分析需要的數據，并將其融合到規劃審批實際環節，是一項復雜的系統工程，還需要進一步深入研究。

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The Application of 3D Sunshine Analysis in Planning Approval

Lu Dandan，Wu Yixuan，Pan Cheng

(Wuhan Geomatics Institute，Wuhan 430022，China)

In order to improve the shortcoming of the traditional 2D sunlight analysis，this paper uses the proven 3D and GIS technology，develops the function of numerical calculate and three-dimensional show in sunlight analysis，building the 3D system of urben planning approval，the combin of 3D and numeric expression make the analysis more intuitive and more accuracy，realizes the application in urban planning approval，upgrades the effect and efficiency of planning approval.

urban and rural planning approval；3D sunshine analysis；3D simulation technology；sunshine analysis model

1672-8262(2017)01-55-04

P208.2

B

2016—08—22 作者簡介：盧丹丹(1981—)，女，碩士，高級工程師，主要研究方向為三維地理信息系統研發與應用。 基金項目：精密工程與工業測量國家測繪局重點實驗室開放基金項目(PE2009-4)