基于City Engine的日照分析研究

闫文勇 吴靓 黄振东 郝晓东 褚永彬

摘要：讨论了光照分析原理以及所准备的数据，提出了基于City Engine的日照分析方法，实现了小区居民楼光照分析。也为快速构建三维大场景建筑物的光照分析提供方法。

關键词：City Engine；光照分析；三维模型

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）04-0262-03

City Engine Based Sunlight Analysis

YAN Wen-yong， WU Jing， HUANG Zhen-dong， HAO Xiao-dong， CHU Yong-bin

（Chengdu University of Information Technology College of Resources and Environment， Chengdu 610225， China）

Abstract： The article talks about illumination analysis principle and the prepared data， it puts forward sunshine on the current analysis by City Engine， which realized the analysis of residential buildings light， it also provides a method for quickly analyzing the illumination of buildings in three-dimensional large scenes.

Keywords： City Engine； lighting analysis； three-dimensional model

伴随着城市中越来越多的楼房、高架桥和高架路等高大建筑物的建成，人们开始逐渐意识到高大且密集的建筑物，直接影响了1年中光线在不同方向不同地点的光照情况，进而影响其年平均光照强度和采光时间[1]。而在区域建筑构造过程中，科学的光照分析，有利于最大化利用光照和土地资源，并且合理安排采光条件也是人民幸福感提升的必然要求。

在现有日照分析技术下，国内外学者主要利用日照时数、日照阴影[2]、日照间距、建筑遮挡判断遮挡关系，提出了建筑物CAD法通视分析法[3]、几何光学法等方法[4]。建模方式主要采用拉伸附加屋顶结构的方式构造建筑物模型，这种建模方式未考虑现实世界中日照分析场景的真三维特性[5]，简单的拉伸不便于描述现实世界中建筑实体的复杂性。从严格意义上讲，这是一种伪三维场景。然而现实世界是三维的，作为对现实世界日照情况的刻画，日照分析也必须基于真实地理场景下的众多真三维地形/地物要素进行快速、准确的分析与模拟[6]。City Engine可以利用二维数据快速创建三维场景，通过交互式工具根据建筑物侧面纹理交互式的创建详细的建模规则，从而实现批量建模。本文利用City Engine快速构建三维大场景建筑物的技术优势，光照分析，实现真实地理场景中快速、准确的日照分析。

1 几何City Engine的空间数据模型

以GIS、RS、GPS为主的3S系统的迅猛发展为快速构建三维城市提供了重要保障。纹理映射、光照模型、遥感影像处理等三维景观模拟的关键技术的不断革新，以此为基础建立了从矢量图形输入、三维规则编写等技术路线，能够直接应用于大范围虚拟地形环境视景数据库的三维景观模拟分析的技术流程[7]。

1.1 数据范围

本文选取成都市双流县某小区为研究区域，该区域地处东经—，北纬—，建筑物为六层楼房建筑，绿化区树木高大枝叶茂盛。

1.2 数据准备及预处理

构建三维建筑物模型一般需要准备建筑物投影底图、底图矢量数据（包括矢量化道路中心线、建筑地面、绿化等），此外，纹理贴图部分需要准备纹理图片、数字正射影像（DOM）[8]等数据使得所构建的模型外观与建筑物相同。矢量化后须要对矢量数据添加属性字段，编辑道路宽度、建筑高度和风格等。

1.3 建筑物外立面三维模型的建立

建筑物模型规则建模的思路较为简单，首先，对纹理以及形状基本相同的建筑物只需将一个通用的规则调用到矢量图层上，因此对于一般区域只需编写几个常见建筑物类型的规则就可以快速、批量地构建三维建模[9]，而建筑结构复杂建筑物之间由于存在的共性并不多，表面纹理存在明显差异，通常针对建筑物单独编写相应规则，使得所构建的三维模型真实可靠。

2 日照分析的基本模型

太阳光照分布情况与太阳高度角、太阳方位角、建筑物的地理位置有着密切的关系[10]。

2.1 推算公式

2.1.1 太阳时角

太阳时角是指，日面中心的时角，即从观测点天球子午圈沿天赤道量至太阳所在时圈的角距离，通常用T表示。从日照原理可知，地球每小时自转15度，设时间为t（0≤t<24）。

2.1.2 太阳高度角

太阳高度角是指，某地太阳光线与通过该地与地心相连的地表切面的夹角。用a表示。计算公式：

其中，表示太阳赤纬角，表示该点的地球纬度值，表示太阳时角。日出和日落时间即是太阳高度角的时间。

2.1.3 太阳方位角

太阳方位角是指，指太阳光线在地平面上的投影与当地经线的夹角，可近似地看作是竖立在地面上的直线在阳光下的阴影与正南方的夹角。一般规定正南方向是0度，正西为正值，正东为负值。计算公式：

其中，b表示太阳方位角，a表示太阳高度角，表示太阳赤纬角，表示该点的维度值。

3 辅助空间日照决策支持