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1、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
2、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，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 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
3、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。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
4、筑物的高度。因此， 将矢量建筑物数据转为栅格，属性为建筑物高度。 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
5、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 求解地块容积率。 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
6、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 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 标识各个建筑
7、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 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 关联表Sum_Area和parcel_area的属性表。右键parcel_a
8、rea（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 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
9、，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 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【spaiti
10、al 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. 太阳位置时刻表时间12:0013:0014:00高度角34.7519732.9204927.75121方位角016.456931.2727ArcGIS中的方位角180196.4569211.2727* 角度单位为。4) 假设在t0时刻太
11、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) &
12、(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hi
13、llshade。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:
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)
