基于Unity的期房采光虛擬仿真定量分析系統的研究

關鍵詞：日照時長；期房采光；光照分析；Unity3D；虛擬仿真

1 概述

隨著房地產市場的蓬勃發展，期房銷售已成為房地產開發商的重要銷售策略之一。然而，購買期房的最大挑戰在于購房者未能直接看到實物效果。開發商為了提高利潤而縮小樓間距，導致了一系列問題，包括光照不足、景觀視野受限等不利因素無法評估，從而增加了購房者的決策難度和不確定性[1]。因此，研究一種能夠準確且直觀地分析目標期房光照的定量分析系統，對于提升購房體驗、增強購房者信心以及促進房地產市場的健康發展具有重要意義。

使用虛擬仿真技術，可以構建高度逼真的三維虛擬環境[2]。該環境包含建筑設計及周邊影響因素，并結合不同地區的緯度以及不同季節的光照條件，實現對期房不同采光點的光照情況進行定量分析[3-8]。這樣，用戶能夠獲得直觀的沉浸式體驗。通過準確計算并展示光照分布、時長等關鍵參數，幫助購房者直觀感受房屋交付時的光照條件和景觀視野，使指標明確化，從而降低購房風險。

2 系統中的相關技術

2.1 三維場景仿真

根據相關建筑參數，使用3D軟件進行建模，1：1 還原現實中的場景。通過攝像機的多角度旋轉，用戶能夠在三維場景中以不同視角全景觀察房屋外觀和周圍環境。系統通過虛擬仿真技術，為用戶提供更加直觀的房屋受光情況展示。

2.2 光照模擬

Unity提供了一系列用于模擬和渲染場景中光照效果的技術和功能。根據不同季節的日照位置，通過射線對監測點進行檢測運算，實時計算出某一時段內光照的傳播和反射。結合光照貼圖、反射探針等技術，使場景中的光照效果更加真實。

2.3 Shader

Shader 技術應用于系統的圖形渲染，合理設計Shader能夠實現更加真實的視覺效果，增強用戶在虛擬環境中的沉浸感。Shader能夠在虛擬場景中呈現出更具質感和真實感的外觀，為系統提供更高水平的圖形表現能力，從而為用戶提供更真實的選房預覽體驗。

3 系統設計與實現

期房采光定量分析系統的關鍵技術包括小區模擬仿真、太陽光照模擬和光照時長分析等。首先，采集期房的建筑結構數據、地理位置和周邊環境數據，將小區進行數字模型化。然后，通過光照系統模擬出不同時間點的光照情況，再根據采光分析算法計算在特定時間段內觀測點所接收到的光照時長。利用Unity的光照系統，對仿真模擬的小區光照進行實時渲染，通過輸入連續時間點計算出太陽軌跡，并利用RayCast對監測點進行實時監測，最后調用光照時長算法，計算出監測點的采光情況。系統流程和框架如圖1所示。

3.1 小區模擬

通過Unity的事件處理機制監聽用戶輸入，根據售樓時提供的布局圖獲取房屋的基本參數，如所處城市（緯度）、朝向、長寬高、間距等。然后，將房屋模型動態實例化，并將這些參數傳遞給新生成的房屋實例。通過調整房屋的Scale、Rotation和Position，實現對房屋基本屬性的修改。

針對不同房屋結構，使用字典數據結構存儲不同形狀的模型，包括板樓、類板樓、塔樓等。系統根據需求獲取相應的模型，并將其賦值給新建房屋對象，以實現對房屋類型的靈活定制。采用LineRenderer組件實現間距可視化，以便直觀展示房屋間的位置。

此外，根據不同城市的緯度、不同日期的日射角度以及各配置小區的條件，系統還原場景中影響光照時長的各種因素，如圖2所示。

3.2 光照模擬

設計采用Unity引擎內置的光照系統來模擬太陽的運行軌跡，從而實現實時的光影效果。系統使用Light組件，特別是借助Directional Light來模擬太陽光的照射效果。在這種模式下，所有的燈光將進行實時渲染，并以每秒60幀的速度更新光線照射到場景中的情況。

系統通過動態地更改Directional Light組件的位置和朝向，實現對房屋從不同角度的照射效果。這種動態光照不僅為房屋場景增添了更為真實和細致的光影效果，還能夠準確地反映出不同時間段內光照的變化，為用戶提供更直觀的光照信息，如圖3所示。

3.3 光照時長計算

在光照時長的計算中，研究采用了NOAA（Na?tional Oceanic and Atmospheric Administration） 的算法。通過以下公式計算太陽方位角和高度角，以及測試日期太陽總光照時間。

利用太陽高度角、方位角和時間，可以計算出太陽在某一時間的位置。系統通過輸入連續的時間來模擬太陽軌跡，最后通過監測點來模擬被照射時間，計算太陽高度角和方位角。

其中，Azimuth 為方位角，表示太陽光線在地平面上的投影與正南方向的夾角；H 為時角，表示太陽相對于當地正午的位置；A 為赤緯角，表示太陽直射點相對于地球赤道的角度。

綜合考慮時間、緯度及年月份等核心因素，系統精確計算某一時刻的太陽高度角與方位角，從而推算出太陽的準確位置。在運行時，每幀對應5秒，都會計算一次太陽高度角與方位角，并實時更新太陽位置。系統從太陽位置向預定的監測點發出射線，如果在途中與物體發生碰撞，則迅速捕捉到相關屬性信息并進行判斷。如果碰撞的對象是預設的監測點，則該監測點的模擬被照射時間將增加1。這種方法能夠精準地追蹤和記錄每個監測點受到陽光照射的時長，如圖4 所示。

對于監測點的實際被照射時間，通過以上方式得到監測點模擬被照射時間和太陽模擬運行的總時間，可以通過兩者的比例和實際中太陽的總光照時長計算出監測點的現實被照射時長：

其中，RT 為監測點的實際被照射時間，VT 為監測點的模擬被照射時間，AT 為系統運行時間。當系統運行時間越長，得到的監測點被照射時間與實際時間的誤差就越小。

4 使用結果與分析

最后，對本文實現的系統進行了多組測試，以觀察運行狀況和驗證準確性。測試選取了湖南婁底、湖北武漢等多個地區進行。其中，在婁底根據某小區布局圖結合周邊參數生成模型，如圖2所示。測試點選定在2棟和3棟，分別為22層和23層，層高2.8米，工字型A類結構，朝向正北，所在城市緯度為27.73°。影響采光的因素見表1。

測試日期設置為3月26日和冬至的12月22日。在3月26日15點整時，對2棟和3棟的光照效果進行了模擬和實際測量，結果分別如圖5所示。模擬與實際效果基本保持一致。

在冬至日的測試中，2棟7樓和8樓的日照時長分別為2.19小時和3.96小時，而10樓和11樓的日照時長分別為6小時和6.98小時。這些結果與實際測量時間基本吻合，最大誤差約為2%。這些數據表明，系統的測算結果具備較高的準確性，購房者可以結合模擬結果與實際邊界值作出最優選擇，從而在購房決策中作出更為明智的判斷。

5 結束語

本文研究基于NOAA的算法，在Unity3D引擎下實現了針對期房的采光定量分析。通過多參數的模擬，該系統能夠在不同地理位置、日期和時間下，準確計算太陽照射的位置及其投射至房屋觀測點的光線軌跡，并對不同位置進行日照時長的精細計量。此外，場景的還原還能同時進行景觀視野的預覽，從而突破了以往依賴經驗估算的局限，顯著增強了設計決策的客觀性和準確性。

未來，系統將不斷深化其智能化程度和技術整合優勢，全面考慮環境影響因素，為業主提供更精確、高效的分析服務。這將幫助業主預判采光效果，定制更加宜居且與現代生活需求高度契合的理想居所，確保每位業主都能享受到科技帶來的便捷與舒適，擁有更好的居住體驗。