城市建筑日照分析

城市建筑日照分析

1.背景

随着城市建筑密度越来越大，建筑物的日照规范也被纳入城市规划的指标之中，一方面要衡量现有建筑是否符合规范，另一方面又要对未来城市规划提供参考依据。应用GIS空间分析方法可以方便的找出不符合建筑日照规范的建筑。

2.数据

（1） 某一城区建筑数据buildings.shp；

（2） 地块单元数据parcel.shp。

图1. 建筑数据（左）和地块单元数据（右）

3.要求

（1） 计算该地区各个单元的容积率

（公式1）

式中，建筑面积为各楼层建筑面积之和；用地面积为各地块单元（parcels.shp）面积。

（2） 请找出不符合国家规定日照标准的建筑。

我国建筑日照标准有如下规定：一个建筑底层日照要至少满足在冬至这一天，在12:00-14:00能接受到太阳照射。已知该地区纬度¢为32°，太阳赤纬计算公式为：

（公式2）

式中，θ为日角，即

，t0=N-1，N为积日，即为日期在年内的顺序号（1月1日为1，以此类推，非闰年的12月31日为365）。

时角t为

t=(s f/60-12)*15 （公式3）

式中，s为时，f为分。

太阳高度角h，即

（公式4）

太阳方位角A（方位角是以正南方向为0，顺时针为正，逆时针为负），即

（公式5）

（3） 注意：弧度与角度的转换（在三角函数中统一使用弧度）

4.工作流程

⑴ 计算容积率

根据给定的容积率计算公式,需要计算各地块的面积和地块内的建筑物的建筑总面积,而地块内建筑物的建筑总面积又与每个建筑物的建筑面积相关。因此，首先计算每个建筑物的建筑面积，然后将不同建筑物标识到其所属的地块内，以此得到地块内的建筑物的总建筑面积。同时，计算出各个地块的面积，依据公式1计算得到地块的容积率。

⑵找出不符合日照标准的建筑

在ArcGIS 10的三维分析工具中，提供了阴影分析的功能，该分析工具的光源为点状光源，而本例的太阳光源属于平行光光源，因此该阴影分析的功能无法满足本例的需要。ArcGIS提供的山体阴影工具，模拟的是太阳平行光源，可以用于本例的分析。因此，采用山体阴影工具（Hillshade）进行日照分析。

要提取太阳在规定时间内、不同方位角生成的建筑物阴影，必须获得建筑物的高度。因此，① 将矢量建筑物数据转为栅格，属性为建筑物高度。② 由于建筑物是体模型，在空间上具有一定的宽度，如果直接对建筑物提取山体阴影会造成判断错误。例如假设建筑物A与建筑物B在空间上存在阴影遮挡（即A挡住了B），则A在B向阳向的前方，B的房顶会遮盖住A的阴影，给遮蔽判断带来困难，如下图所示：

图2. 投影缺失（左）和正确情况（右）

因此，为解决这个问题，首先需要提取建筑物的背光面高度数据，由此提取[12:00 - 14:00]这段时间的“山体阴影”，并与建筑物进行叠加分析，从而判断建筑物是否满足日照标准。

要判断12:00 – 14:00建筑物的遮挡情况，还需要对太阳高度和角度的变化逐时刻模拟太阳日照，这是一个积分过程，微分时刻划分的越细，计算量越大，工作越复杂。在保证结果正确性的前提下，为了提高效率，我们只计算3个时刻（即12:00、13:00、14:00）的日照情况，如果这3个时刻都没有遮挡，则说明建筑物满足日照要求。

最后通过分析阴影与建筑物的空间叠加关系，找出不符合日照标准的建筑物。

工作流程图如下：

图3. 工作流程图

5.操作步骤

⑴ 求解地块容积率。

① 计算地块用地面积。

方法一：选择【空间统计工具】|【工具】}【计算面积】工具，打开对话框如下图：

图4. 面积计算工具对话框

图5. parcel_area属性表及面积计算结果

方法二：打开parcel文件属性表，选择add field命令，如下图：

图6. parcel属性表add field命令

添加“area”字段，设置“字段类型”为double。右键该字段名，在菜单中选择【calculate geometry】命令

图7. 选择calculate geometry命令

图8. 计算结果

② 计算各建筑物的总面积（建筑总面积=每层建筑面积×楼层数）。

打开buildings属性表，新建一个双精度字段“T_area”表示建筑物总面积（方法同上），右键该字段，选择【filed calculator】命令，在对话框中输入公式：[FLOOR]*[area]，得到建筑物总面积，如下图：

图9. field calculator对话框及总面积计算结果

③ 标识各个建筑所属地块，便于下一步计算各个地块内的建筑总面积。

选择【分析工具】|【叠加分析】|【标识】工具，打开对话框如图：

图10. Identity工具对话框

输入要素:buildings；

标识要素：parcel；

输出要素类：buildings_ID;

连接属性：ALL；

其它参数选择默认，生产结果属性表如图：

图11. 标识结果

④ 通过建筑物所属地块的ID属性来统计每个地块内的总建筑面积。

打开building_ID的属性表，右击ID_1字段 ,选择【summarize】命令，打开对话框及输出结果如图：

图12. 汇总工具对话框及汇总结果

⑤ 关联表Sum_Area和parcel_area的属性表。

右键parcel_area（或parcel）图层，选择【连接和关联】|【连接】工具，打开工具对话框如图：

图13. 连接工具对话框

设置parcel_area(或parcel)的ID字段和表Sum_Area的ID_1字段进行关联操作。在提示是否创建索引的对话框选择“是”。

图14. 关联结果

⑥ 计算每个地块的容积率

在parcel_area(或parcel)的属性表中，新建双精度字段Rate；右键该字段选择【field calculator】工具，输出公式：[Sum_Area.Sum_T_area]/[parcel_area.F_AREA](或[parcel.area])，计算结果就是容积率。计算完成后，右击parcel_area图层，选择【连接和关联】|【移除连接】|【Sum_Area】。结果如下图：

图15. 地块容积率计算结果

⑵ 找出不符合日照标准的建筑。

1)将buildings.shp转化为栅格数据。选择【convention Tools】|【To Raster】|【Polygon To Raster】工具，打开工具对话框，如图：

图16. 面转栅格对话框

输入要素：buildings；

值字段：height；

输出栅格：buildings_g;

像元大小：1

其他参数默认设置，点击确定，生成栅格数据，如图：

图17. 建筑物栅格数据

2)对于上面栅格数据，须将NoData转为数值0，否则获得的阴影数据将不完整。

选择【spaitial analyst tools】|【reclass】|【reclassify】工具，

输入栅格：buildings_g；

重分类字段：value；

将NoData的值改为0，其它值保持不变；

输出栅格：dem_buildings。

图18. 重分类结果

3)分别根据给定的公式，计算12:00、13:00和14:00这3个时间点太阳的高度角和太阳方位角（如下表）。

表1. 太阳位置时刻表

* 角度单位为°。

4)假设在t0时刻太阳的方位角为A，则建筑物在t0时刻的向光面坡向为[A-90，A 90].依据此原理，分别提取不同时刻的建筑物背光面轮廓。（下面说明12:00的背光面轮廓提取步骤）。

选择【spaitial analyst tools】|【surface】|【aspect】工具。打开工具对话框如图。

输入栅格：dem_buildings；

输出栅格：aspect12；

生成坡向数据如图：

图19. 12:00建筑物的坡向数据

5)选择【spaitial analyst tools】|【map algebra】|【raster calculator】工具。打开工具对话框如下左图。

输入公式：~(("Aspect12" >= 90) & ("Aspect12" <=>= 0)。计算12:00方位角为180°时建筑物背光面的轮廓。

输出栅格：back12；

图20. 栅格计算器对话框和提取结果

6)提取建筑物背光面的高度数据。

选择【spaitial analyst tools】|【map algebra】|【raster calculator】工具。输入公式："back12" * "dem_buildings"。

输出栅格：dem12。

图21. 栅格计算器对话框和12:00建筑物背光面高度提取结果

同样的方法提可以取出13:00和14:00的建筑物背光面轮廓的高度数据：dem13和dem14。

7)根据3个时间点计算得到的建筑物背光面高度数据，生成hillshade。

选择【spaitial analyst tools】|【surface】|【hillshade】工具。打开工具对话框如图。

图21. hillshade工具对话框及参数设置

输入栅格：分别为dem12、dem13和dem14；

输出栅格：分别设为hillshade12、hillshade13和hillshade14；

“方位角”和“高度角”参数分别根据不同时刻输入相应的数据；

选择“模拟阴影”选项，输出栅格会同时考虑本地光照的角度和阴影，其中0值表示阴影区域。

所得3个时刻阴影数据分别如下所示：

图22. 12:00时刻的建筑物阴影数据

图23. 13:00时刻的建筑物阴影数据

图24. 14:00时刻的建筑物阴影数据

图25. 局部建筑物与阴影的遮挡关系（虚框为建筑物，黑色为阴影区）

8)由于获得的hillshade数据中，仅值为0的栅格为建筑物的阴影，为了方便对该时间段阴影的叠加分析，首先应先将hillshade数据进行【重分类】，对阴影栅格（hillshade值为0）数据，赋值为1，其它数据对应值为0 。

图26. 对hillshade数据重分类结果

然后，利用【raster calculator】将3个时刻的阴影栅格，累加为一个图层sh_all，即建筑物在12:00 – 14:00时段内的阴影范围。其取值分别为0、1、2、3；

值为0的区域属于非阴影区；

值为1的区域说明在某一时刻存在阴影；

值为2的区域说明在其中两个时刻存在阴影；

值为3的区域说明该区域3个时刻都存在阴影；

这里认为凡是值大于0的区域在12:00 ~ 14:00内有建筑物被遮挡。

图27. 阴影区域累加结果

9)对累积结果进行重分类。

因为阴影区的数值还不统一，所以用【重分类】工具对sh_all数据分类，使“阴影栅格”为1，非阴影栅格为0.

图28. 阴影区与非阴影区重分类结果

10)通过矢量包含关系来判断建筑物与阴影的遮挡关系。

所以我们需要将栅格数据转换为矢量面数据。打开上面的栅格文件的属性表，选中值为1的字段；再选择【转换工具】|【由栅格转出】|【栅格转面】工具，打开对话框如下图：

图29. 栅格转面工具对话框

输出结果如下图：

图30. 转换为矢量后的结果

11)查询不符合日照标准的建筑物（即质心落在阴影内的建筑物）。

选择菜单栏中的【selection】|【select by location】工具，如下图：

图31. 选择“按位置选择”工具

该工具对话框如下图：

选择方法：“从以下图层中选择要素”

目标图层：buildings；

源图层：shadow_polygon；

空间选择方法：“目标图层要素的质心在源图层要素内”

图32. “按位置选择”工具对话框及参数设置

点击确认，生成查询结果，如下图所示，其中高亮框选中区域为被遮挡的建筑物。

图33. 查询结果

12)将查询结果导出新图层。

右击查询后的buildings图层，选择【数据】|【导出数据】，打开工具对话框，如下图：

输出要素类设置为illegal。

图34. 导出数据对话框

将illegal图层和buildings、parcel数据叠加显示，得到不符合日照法规的建筑物分布情况，如下图：

图35. 不符合日照法规的建筑分布图（高亮建筑为不达标建筑物）