三维日照分析在规划审批中的应用

卢丹丹，吴易璿，潘澄

(武汉市测绘研究院，湖北 武汉 430022)

三维日照分析在规划审批中的应用

卢丹丹*，吴易璿，潘澄

(武汉市测绘研究院，湖北 武汉 430022)

为了改善传统二维日照分析中存在的操作过程繁琐、表达效果不直观等问题，本文采用成熟的三维仿真与GIS技术，通过研究三维日照分析的数值计算方法，搭建了城市规划三维审批辅助系统，将三维效果表现与数值表达结合，使日照查询分析结果更直观、更准确，实现了三维日照分析方法在建筑规划审批中的应用，提高了建筑规划审批的直观性、科学性和准确性。

城乡规划审批；三维日照分析；三维仿真技术；日照分析模型

1 引 言

近年来，我国随着城市建设的发展，城市居住环境愈来愈受到人们的重视，百姓对生活居住环境要求也在不断提高。其中，日照作为居住环境的重要组成部分已普遍得到百姓的重视，如何保护已有的“阳光权”已成为备受社会大众及媒体关注的话题。

城乡规划审批通常以建筑日照作为判断居住环境质量水平的一项重要标准，它既决定着每户住宅的日照条件，也决定着居住区规划设计中的住宅布局方位和住宅建筑间距。而目前实践中，普遍采用建筑间距方法来笼括该指标定义，但是间距指标不等同于建筑日照的衡量：

(1)具体审批建筑的实际情况(高层、异型、非正南北方向等因素)各有不同，遇到特别的案例时，不同的承办人员对间距控制的理解和把握分寸各有不同；

(2)《城市居住区规划设计规范》(GB50180-93)对建筑物的窗户日照时间有明确规定：城市居住建筑墙外窗户的满窗日照时间不应低于冬至日(大寒日)日照 2 h，而该规定无法在建筑间距指标中控制；

(3)在建筑物被遮挡处没有窗户，或者有窗户而没被遮挡的情况下完全可以压缩建筑间距，而建筑间距控制却不能提供有效的控制方法。

因此，在城乡规划审批过程中如何直观准确地进行建筑日照分析，合理确定建筑物朝向、间距以及研究房屋形体和房屋阴影造成的影响，节约土地并保证日照环境质量，为居民创造良好的条件是新时期城乡规划与管理必须考虑的问题。

2 三维日照分析简述

2.1 三维日照分析

三维仿真技术以计算机技术为基础，利用高性能、高集成的计算机硬、软件，集成图形图像技术、网络技术、人机交互技术、传感技术及多媒体技术，营造了一个“3I”(交互性Interactivity、沉浸感Illusion of Immersion和构想性Imagination)的虚拟环境。在城乡规划审批过程中，三维仿真技术常用于方案对比、方案调整、辅助规划设计、日照分析、领导决策、宣传展示等方面。

日照分析主要以建筑及其周围环境所在地点、季节、时间为考察对象，利用太阳运动规律，通过棒影日照图解算，评定出日照指标。其中日照指标主要包括日照时间、日照质量。日照时间是以住宅向阳房间在规定的日照标准日受到的日照时数为计算标准。日照质量是指每小时室内地面和墙面阳光照射面积累计的大小以及阳光中紫外线的效用高低。

三维日照分析是建立在三维仿真技术平台之上，通过建立审批区日照分析三维模型，得到影长与太阳运动时间的关系，解算出日照时间，遮阳与阴影关系，最后利用显示硬件的Stencil技术，以实时渲染方式显示在三维仿真场景内的过程。

2.2 三维日照分析与传统方式的比较

传统的日照计算方法是手工绘制棒影日照图，从而获得该建筑物总的日照时数。随着计算机技术的发展，城市规划部门逐步采用二维CAD方式进行计算。但是，二维CAD方式没有考虑地形和建筑物屋顶的影响。且表现方式主要以书面报告呈现，数据指标以抽象、专业的日照等时线图表达，不容易解释，表示上容易造成纠纷，制作周期较长。

与传统日照分析相比，三维日照分析其基本算法和思想同二维CAD方式一致，且具备以下几个方面的优点：

(1)三维日照分析构建了与实际相仿的三维环境，采用动态交互的方式对规划模型与现状模型进行全方位的观察，可以以各种漫游模式进行场景的浏览，如：行走、驾车、飞行、定制路径、绕点飞行。

(2)三维日照分析采用三维仿真技术，在虚拟的三维场景中进行日照阴影模拟和日照时间计算，第一时间将计算结果直接表现于三维模型上，回避了日照图表的专业性，缩短了制作周期，真正实现了日照计算结果的所见即所得。

(3)日照指标的计算采用改良的算法，可以快速计算出日照时间与日照关系，满足三维仿真系统的实时要求，并且表现形式上采用阴影模拟、满窗时间标识、日照曲面运动模拟、区域日照分析图斑等表达方式，能够直观、简单的解释抽象概念的数据。

3 三维日照分析发展状况

3.1 国外应用现状

目前国外的一些发达国家如日本、美国、英国等对日照问题比较重视，特别是英国在有关日照方面的研究和实用方面，走在了其他国家的前面，制定了其国内通用的日照法规并推动了应用软件的研制。英国Waterslade公司开发的日照阴影分析软件拥有全面的日照时间和阴影分析功能，为城市规划、建筑师以及居民等提供科学准确、完善的日照分析数据。

3.2 国内应用现状

近些年来，国内许多单位陆续推出了日照分析软件，例如众智软件有限公司与无锡规划局于2000年主项开发的SUN日照分析软件，天正工程软件有限公司的日照分析模块，清华大学计算机系与清华大学建筑学院开发的THSEA日照环境分析系统，联图公司的日照分析软件2.0以及鸿业科技开发的城市规划日照分析软件——HYSA v3.0等等。这些日照分析软件在规划和设计单位得到较好应用。

3.3 发展趋势

上述日照分析软件大都是基于二维CAD实现，不仅操作过程比较繁琐，而且在阴影遮挡分析方面，绘制的平面日照阴影分析图不直观，人们感兴趣的是在真实的“再现场景”中进行漫游、规划、设计，实时体验环境的变化。因此，武汉市测绘研究院利用成熟三维仿真技术，开发三维日照分析的数值计算模块，从而打破了三维仿真仅在景观表现上的应用局限，完全将效果表现与数值表达结合。既方便设计人员从容设计，又为决策者提供科学和准确的审批途径。

4 三维日照分析在规划审批中的应用

武汉市测绘研究院在已研制的《城市规划三维审批辅助系统》基础上开发了日照分析子系统SunAnalysis。该子系统采用面向对象的编程思路，完成日照分析算法的优化，集成现状模型、规划模型及相关属性信息，实现了三维日照的模拟、计算及分析。

4.1 数据内容

围绕日照分析所需的数据对建筑的采集与处理应包括以下几方面内容：

(1)基础数据：建筑总平面施工图、地形图；

(2)必备数据：建筑物高程(基地高程、房顶高程、室内地坪)、窗户信息(窗户方位、窗底高程、窗户宽度、窗户高度)。

城市日照分析涉及建筑物数量巨大，如何高效准确的获取这些基本数据是进行日照分析的关键步骤之一。其中建筑物的地理经纬度和地形高程数据可以从基础数据上准确获得，而必备数据的采集目前常用的方式有两种：航测立体像对的内业采集和人工外业三角高程测量。

4.2 系统集成

该日照分析子系统主要包括数据交换、数据建库、规划数据管理、三维可视化、日照分析等模块，如图1所示。

4.3 功能概述

在准确的日照分析时间基础上，结合规划审批规范要求，针对日照分析，该子系统提供以下基本功能：

(1)单点日照分析：选择三维场景中任意空间，即可实时计算出该点在当天的累计日照时间、最长日照时间，并绘制日照圆锥曲线。

(2)窗户日照分析：选择三维场景中任意建筑物窗户，即可实时计算出该窗户在当天的左窗日照时间、右窗日照时间和满窗日照时间。

(3)单体日照分析：选择三维场景中任意建筑物，即可实时计算出该建筑外墙每一窗户的满窗日照时间，并将计算结果分时段以不同颜色表现，使用户一目了然窗户日照情况。

(4)日照遮挡分析：选择任意区块，即可实时计算当前区块中建筑物的当天相互遮挡情况。

(5)区域日照分析：选择任意区域，给定时间和距离间隔，即可实时计算出当前区域地面各间隔点在当天的日照时间，并将计算结果分时段以不同颜色绘制于三维地形之上。

(6)日照阴影模拟：不仅实现建筑物日照阴影的静态模拟，而且实现全天日照阴影的动态模拟。

4.4 项目案例

武汉市测绘研究院利用三维日照分析子系统，以武汉市武昌区某商用住宅小区为案例，制作并完成了该小区的日照分析报告，图2～图5分别为对该小区进行的单体阴影静态模拟、单点日照分析、单体窗户日照分析和区域日照分析功能演示。该小区的日照分析案例受到了同行的一致好评。

图2 单体阴影显示

图3 单点日照分析

图4 单体窗户分析

图5 区域日照分析

5 结 语

三维日照分析是一项新型的技术应用，目前对数据采集提出了较高的要求。如何准确、高效地采集并制作三维日照分析需要的数据，并将其融合到规划审批实际环节，是一项复杂的系统工程，还需要进一步深入研究。

[1] 朱庆，林珲. 数码城市地理信息系统[M]. 武汉：武汉大学出版社，2004：110.

[2] 吴颖. 数码城市GIS中的日照分析研究[J]. 测绘通报，2007(12)：62～65.

[3] 眭海刚，陈松林，朱庆. 基于数码城市GIS的日照分析系统的设计与实现[J]. 计算机应用研究，2004(6)：164～167.

[4] 刘艳，马劲松，张永玉. 三维GIS中R树空间索引研究[J]. 测绘科学，2010，35：167～168.

[5] 范文兵. 建筑日照分析测量内容及方法探讨[J]. 城市勘测，2006(8)：28～30.

[6] 刘满仓. 日照分析软件在规划管理中的意义[J]. 山西焦煤科技，2003(7)：39～40.

[7] 王立言，孙培巨，阎峰等. 日照分析软件在规划管理中的应用[J]. 青岛理工大学学报，2007，28：111～113.

[8] 张野. 数码城市GIS日照分析模型[J]. 中国科技博览，2009(29)：31～32.

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 作者简介：卢丹丹(1981—)，女，硕士，高级工程师，主要研究方向为三维地理信息系统研发与应用。 基金项目：精密工程与工业测量国家测绘局重点实验室开放基金项目(PE2009-4)