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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容积率建筑面积 / 用地面积（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：0.006894- 0.399512cos 0.072075sin- 0.006799cos20.00089sin2 （公式 2）式中，为日角，即2 t 00， N 为积日，即为日期在年内的顺序号（1， t =N-1365.2422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harcsin（ sin sincos cos cost）（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Aarccos sinh sinsin/ coshcos（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 【 calculategeometry 】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_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 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 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 t 0 时刻太阳的方位角为A，则建筑物在t 0 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，其中影区域。0 值表示阴所得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，累加为一个图层物在 12:00 14:00 时段内的阴影范围。其取值分别为 0、1、 2、 3；sh_all，即建筑值为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）
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