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基于数码城市GIS的日照分析系统的设计与实现

收稿日期:2003203226;修返日期:2003206230

基金项目:国家自然科学基金NSFC(40001017);测绘遥感信息工程国家重点实验室开放基金资助项目((01)0304)

基于数码城市GIS 的日照分析系统的设计与实现

*

眭海刚,陈松林,朱 庆

(武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室,湖北武汉430079)

摘 要:针对传统的基于C AD 平台的日照分析系统不能适应城市规划与管理快速发展的需求,提出了将城市规划中的各种信息在统一的数据库平台上进行组织与管理,以数码城市GIS 及其他技术为核心,并在此基础上整合日照分析的应用专题及其他应用专题的思路。特别对涉及到的关键技术包括三维数据模型的设计、基于Oracle 的数据库管理、C AD 数据的嵌入与操作、日照分析技术、组件式GIS 技术等进行了详细的介绍。最后对基于数码城市GI S 软件C C GI S 日照分析系统C C SunAnalysis 的实现与应用作了简要介绍。关键词:数码城市;C AD;日照分析;城市规划;GI S

中图法分类号:TP311152 文献标识码:A 文章编号:100123695(2004)0620164204

Design and Implementation of S unlight Analysis System

Based on CyberCity GIS

SUI Hai 2gang,C HEN So ng 2lin,Z HU Qing

(State Key Labo ratory o f In f o rm ation Engine ering in Surveying ,Mapping &Rem ote Sens ing ,W uhan Unive rs ity ,W uhan Hube i 430079,C hina)

A bstract:Ai min g at the lack o f traditio nal sunli ght analy sis sy stem based on C AD sy stem for processing urban plan and management,

this paper presents an idea that based o n CyberCity GIS and o ther techniq ues,all kinds o f urban plannin g informati on are o rganized and managed o n uni te database platform and many applicatio n subjects o f urban planning are i ntegrated.So me relativ e key techniques in 2cluding the desi gn o f 3D data model,database management based on Oracle,the fusion between CAD data and G IS data,sunlight analy 2sis,Co mGIS and so o n are emphasized.And the implementation and application o f a sunli ght analy si s system:CCSunA nalysis based Cy 2berCi ty GIS software CCGIS i s described briefly.Key w ords:CyberCity;C AD;Sunlight A nalysis;Urban Planning;G IS 太阳能是宇宙为人类提供的最廉价的能源,建筑设计中如何充分利用太阳能建立良好的人居环境是非常重要的,每个家庭都希望住上一套阳光充足、空气新鲜、冬暖夏凉的理想住宅。我国城市规划部门已制定出有关法规,规定每户居民住宅在冬至日必须有1小时以上的有效日照时间[1]。但是,随着我国城市建设的飞速发展,高层建筑如雨后春笋,为了节约用地,不断提高楼群密度、缩短楼房间距,因此,节约土地与保证日照环境质量的矛盾日益尖锐,特别是在旧城区建设中,由于新建高层楼房遮挡了原有房屋住户本可得到的阳光,从而引发出大量的日照纠纷。同时建筑日照的求解是比较复杂而又烦琐的,对于某一建筑及周围环境来说,它的日照时间、日照面积、建筑阴影的变化都是随所研究的地点、季节(日期)、时间及周围环境的不同而不同,都是在不断地变化着的[2]

。因此,科学的评价手

段的迫切需要,促进了日照研究在方法上的发展和法规上的完

善。日照分析主要有两方面的用途

[3]

:1为了政府对建筑设计

的报批;o为了向公民作出解释,说明当局批准建设项目的准则。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,特别是日本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,制定了全国通用的日照法规并推动了应用软件的研制。国内也有不少单位做了大量的研制工作,并取得了相当成果,清华大学计算机系与清华大学建筑学院开发的日照环境分析系统,众智软件公司和无锡市规划局联合开发的日照分析系统软件S UN 在实际的应用中都取得了一定的效果。

但是,目前几乎所有实用的日照分析系统均是基于CAD 系统开发的,这在早期的以手工为主的规划设计系统中得到了普遍的应用。但是随着/图文办公一体化0概念的提出,用户对规划地理数据不断提出更高的要求,原来在各个专题系统里解决专题应用问题已经显得滞后于规划需要,用户普遍希望能够在一个统一的平台下解决所有的规划设计与管理中的应用问题。有五个理由促使日照分析系统与数码城市G IS 的结合:

(1)将GIS 作为核心技术建立规划管理系统已成为城市规划领域的共识[4],传统的城市规划设计和管理手段已难以适应信息化社会发展的步伐和城市建设的需求,从规划设计与管理本身而言,迫切需要将常规的专题应用如日照分析集成到G IS 中。

(2)日照分析属于规划设计与管理中的一个环节,为了避免多种数据转换及其他操作的烦琐过程,从规划业务流程上有必要将它真正地与办公自动化及其他专题应用集成在一起,这需要构架在一个统一的技术平台上。

(3)日照分析计算不仅涉及到待分析的建筑物,而且还需

要其他大量的资料如地形资料、建筑用地红线、建筑规划设计条件、拟建建筑物周边现状建筑材料等,同时也要考虑其他的因素如消防、防震、管线埋设等,在实际的计算中还需要多种信息的综合查询和分析。这些方面要求一种集成的技术。

(4)规划设计与管理的同时,用户自行开发的以CAD 为支撑的系统大多采用面向过程的设计方法,缺乏深层的理论支持,不利于设计对象的抽象、描述以及系统的进一步开发、维护和扩充,因此在图形表现能力和对模型的交互操作等方面都明显不能满足CAD 技术不断发展的需要。例如,大多数规划设计系统为了借助日照分析功能评估设计效果,不得不将设计模型转入到诸如3D M AX 平台下进行动画显示,这些可视化平台与C AD 系统相互独立,缺乏一体化的数据管理,不能很好地进行数据共享。

(5)数码城市的一个主要应用就是在城市规划和设计中[5]。数码城市G IS 为城市规划提供了数据平台与技术基础。

鉴于此,完全有必要利用数码城市GIS 的各种技术包括计算机技术、三维GIS 技术、虚拟现实技术,结合日照分析等专题应用,将有关规划管理的各种信息综合起来,建立一个虚拟的环境,将城市建筑物模型(即数字城市的关键要素)及其他模型放入这样的虚拟环境中,即在数码城市的环境中来进行日照分析的计算、分析、评估与应用。

1 设计思想

随着各种技术的发展,城市规划设计与管理越来越需要丰富的数据库以及方便快捷的查询检索,当前信息系统已逐步从功能驱动发展为数据驱动,数据库成为整个系统的基础和核心,建立开放式的、海量的城市规划信息库并提供高效的数据共享和数据服务,是城市规划与管理的一个重要任务。各种以数据为中心的业务如日照分析迫切需要构建在统一的数据库上以避免不必要的、与业务本身无关的处理,同时需要能够提供空间与非空间的丰富的查询、统计与分析等功能的技术。

数码城市GIS 正是能满足这些诸多需求的系统。针对于此,系统的基本设计思路是将各类信息包括地理信息、专题信息以及其他各种信息在统一的数据库平台上进行组织与管理,在数码城市G IS 的基础上使用组件技术整合各个专题应用,特别是那些原先在规划中的常规业务应用如日照分析的应用,使得这些专题子系统一方面可以很方便地嵌入到整个规划设计与管理业务流程中,另一方面可以实时、便捷地使用数据库中的信息进行本业务系统的应用分析,同时还可以实现各业务系统间的无缝集成。

日照分析系统的设计从构架上分为四个层次:

(1)数据库管理层 主要包括D EM 数据管理和D O M 数据管理、三维模型数据管理、专题数据管理,该层次主要提供了对底层数据的建立、分发、查询与更新等功能;

(2)数据分析层 涉及了数据交换、数据查询、地形分析、二维数据操作、三维数据操作等;

(3)三维可视化 主要包括了关于可视化的各种操作与设置以及部分虚拟现实与仿真的功能;

(4)专题应用层 在这个层次上对相关日照分析的各种功

能进行了设计,形成了专门的日照分析。

对每个层次在技术上采用成熟的组件技术实现,并进行综合的集成应用,开发了专门针对于规划应用行业的日照分析系统。

2 关键技术

211 三维数据模型的设计

由于日照分析涉及的对象主要是三维建筑物,因此设计完整、高效的三维数据模型至关重要。但是尽管对三维数据模型有了很多的研究成果,也提出了很多的三维数据模型[6,7],但经过实践证明单纯采用其中任一种都不能很好地满足数码城市的需要。在总结前人成果的基础上,针对三维城市模型的快速可视化和应用,本文提出了一种面向对象的、结合R 2trees 概念和层次细节概念于一体的三维矢量数据模型(图1)。

图1 系统中设计的三维数据模型

R+树是目前应用最为广泛的一种空间索引结构,它具有较高的空间效率,可以保证其空间利用率在50%以上。采用基于三维BO X 范围的分层聚簇式R +

树空间索引有利于

数据的快速存取,并能有效组织不同尺度(实现不同细节水平LO D 的控制)的模型,也为数据的分段处理与快速动态装载创造了条件。为了完整地表示城市三维景观,引入了数字地面模型(D T M)和数字地面影像(DO M)作为两类特殊的对象,用来真实地描述城市地面景观。

面向对象的思想直观地体现了人们认识客观世界的规律,其设计方法和技术使得人们能够方便地实现他们眼中的对象客观世界。其抽象机制可以让人们从纷繁复杂的地理对象中得出它们的本质规律,并将各种共同属性和对它们的操作/方法封装为具有独立结构的类;其继承机制可以让祖先类(超类)的属性和方法遗传给其子孙类,从而实现共享,减少冗余;其聚集和联合机制可以让人们方便地构造任意复杂的对象。212 基于Oracle 的数据库管理

在数码城市中,三维建筑物形状的重建和绘制、表面性质的描述和材质参数都已成为数据库的一部分。一个成熟的3D 数据库包括几何关系数据、照片纹理和其他附加信息数据,加起来将达到几千亿字节的数据,如深圳市的数字城市模型数据至少有100G B 。如此复杂、庞大的海量数据必须进行有效的组织和管理。传统的文件管理由于在数据共享、并发控制等方面的弱点使得它无法成为海量数据管理的主流,数据库是发展的必然趋势,近几年来发展起来的对象关系型数据库如O racle 对海量的空间数据管理有它独特的优势。由于对象关系型数据库既保留了关系数据库的优点,也采纳了面向对象数据库设计的某些原则,具有将结构性的数据组织成某种特定数据类型的机制,这使得能够在逻辑上将需要以整体对待的数据组织成一个对象。因此,设计的系统选用了典型的Oracle 数据库对数据进行管理。

但是,直接使用Oracle 数据库本身的管理功能并不能完全

适用于空间数据特别是海量空间数据的管理,必须进行特殊的数据组织和建立恰当的空间索引机制。对于栅格数据,金字塔式的分层数据组织结构通常是行之有效的方式,不同分辨率的数据可分别构架在不同的层次上,同时各层之间的联系可通过元数据的组织来描述。对于矢量数据,采用分区、分层、分类的方式进行组织。栅格数据的空间索引是通过引入层、片、块、格网的概念来实现的,三维矢量模型的空间索引则是通过改建的特殊的R+

树索引方式完成的。针对Oracle 数据库的特点,

在数据存取方面,采用了二进制大对象(Binary Large Object,BLO B)作为基本的数据存储类型。从数据库存取数据的方式也有几种,由于使用开放数据库连接(O pen D atabase Connectivi 2ty,OD BC)需要经过OD BC 驱动程序管理器和O DBC 驱动程序两层才能和数据库通信接口建立联系;与之相比,Oracle 接口调用(O racle Call Interface,OCI)由于直接与通信接口联系,所以建立在O CI 上的应用程序的执行效率会更高些。同时在O CI 基础上开发的数据库应用程序,可以执行用户在运行时刻输入的SQL 语句,对数据库表的操作将更加灵活。因此在OCI 的基础上设计数据库管理引擎。213 CAD 数据的嵌入与操作

通常规划设计中有相当一部分数据是由CA D 系统生成的,这部分直接使用CAD 系统(3D Studio MA X/Au to CAD(3D)/Multi 2G en)设计的数据可以逼真地表示规划设计城市的精细结构和材质特征,不仅能展示城市外观,而且还能充分展现建筑物的内部形态,从设计的层次上可以达到较高水平的细节程度(/真三维0实体)。但是该方法成本很高而且模型数据量很大,所以CAD 系统的设计方法一般用于局部表现和创建一些复杂但重要的地物模型。尽管如此,由于C AD 系统在规划设计行业中影响是如此巨大,以致在规划设计中必须考虑这部分业务与整体系统的衔接。在进行日照分析应用中,必须将这部分CAD 设计的数据融入到整个的平台中进行可视化表达和分析应用,同时也有必要将CAD 数据进行管理以便使CA D 系统或开发平台能方便地操作数据库中的C AD 数据。因此如何将CA D 数据嵌入到数码城市G IS 数据并进行各种相关的操作是很关键的问题。系统在处理这个问题时提供了三条路径:

(1)提供C AD 数据和数码城市GIS 数据的交换功能,值得注意的是二者的数据交换不仅仅是两种文件格式的简单交换,更重要的是二者概念和内容的转换。CAD 数据考虑的主要是造型设计和建模,因而在图形数据的组织和表现上有强大的优势,同时它不关注实体之间的拓扑关系,对实体的属性信息也常常忽视;相比之下GIS 更关注实体对象间的拓扑关系,强调空间信息和属性信息的紧密结合,以及在此基础上的查询和分析等。所以系统提供了一系列的工具来处理这些问题。

(2)将C AD 对象作为G IS 数据的一种完整对象直接进行表示和应用,即将CAD 数据当作一个/数据包0放入数据库中,只有当应用分析时才对其进行剖析或转换为GIS 数据,这种方式适合于C AD 系统的调用和数据库中C AD 数据与GIS 数据的交换。

(3)这种方式与第(2)种方式类似,但需要将CAD 数据进

行分析并对数据重新组装以形成新的适合于可视化与应用分

析的高效结构。214 日照分析技术

日照分析中的主要技术是太阳运行轨迹的计算、日照时间的计算、日照间距的计算,其他相关的技术包括阴影分析、日照平均测试、日照等时线、满窗计算、临界轮廓计算等均可通过上述三个方面扩展而得。

(1)太阳运行轨迹的计算

要想准确计算日照环境数据,必须计算太阳在任一时刻的位置,而太阳的位置可由太阳的高度角和方位角来确定[7]。

1求太阳高度角Hs

sinHs=si n ê#sin D +cos ê#cos D #cos t

(1)

其中,Hs 为太阳高度角,ê为地理纬度,D 为赤纬角,t 为时角(角度单位均为度)。

o求太阳方位角A s

cos As=(sinHs #sin ê2sin D )cos Hs #cos ê

(2)

其中,As 为太阳方位角。根据上述计算公式,可计算出从日出至日落时的太阳运行轨迹数据。

(2)日照时间分析新算法的设计

计算空间中某一点是否被建筑物遮阳是日照时间分析的关键技术。目前使用较多的判断遮阳的方法如日棒影图、日照圆锥面等的基本思路都是先取建筑物底面所在高度上的水平面为阴影承影面,然后求取建筑物在该承影面上的二维阴影多边形,通过判断该点与二维阴影多边形的位置关系则可得出该点是否被建筑物遮阳的结果。这种算法计算结果准确的条件是欲计算的点在承影面上,但在实际应用中,要计算的点常常不在承影面上,这种错误的发生导致了日照时间计算的精度较低,甚至产生计算的结果与实际情况明显不符的情况。解决问题的办法在于摒弃二维思维的限制,在三维空间中考察这一问题。

本文采用了点与影域(Shado w Volu me)[9]的关系来判断该点是否被遮阳的方法,它的主要思路是先对建筑物的每个面,判断点是否在(空间多边形)这个面形成的影域内,然后对所有面的判断结果进行求交的过程,只要点落在建筑物的其中一个面的影域内,则点就落在建筑物的影域内,也就是点被建筑物遮阳。实际应用中为了加快计算速度可以在进行点是否在墙面的影域内判断之前,判断该墙面是阳面还是阴面,只需要对阳面进行点在墙面影域的判断即可,而对阴面不需要判断。这样可以减少将近一半的计算量,从而提高计算的速度。判断该墙面是阳面还是阴面的方法(图2)如下:先计算多边形墙面的法向量和太阳光的方向向量,分别记为N w 和Ns,然后计算Nw 和Ns 的夹角。如果该角大于90b ,即Nw @Ns <0,则该墙面多边形为阳面,否则为阴面。

图2 日照时间分析中判断墙面性质的算法

(3)日照间距的计算

日照间距通常按下面的方式进行[7]:

1根据要求建筑物达到的全天最小日照时间(min T)确定所需计算的时刻T 。

T=122minT

o计算时刻T 的太阳高度角Hs 和太阳方位角As(公式(1),公式(2))。

?计算日照间距系数

Coeficient=c tanHs #cos(As 2A )

(3)

其中,A 为建筑物的方位角。

?计算日照间距L

L=H #C oeficient

(4)

其中,H 为前栋建筑物的高度。215 组件式GIS 技术

自从微软提出O LE/ActiveX 控件规范以来,组件式软件技术已经成为当今软件发展的潮流之一,在面向对象的编程技术发挥了它的全部潜力之后,它已经成为一群对象的孤岛,这些对象不能穿越应用程序的边界这一海洋,因而不能以一种有意义的方式彼此交流信息。而组件式设计思想的关键点在于:程序代码片段可直接使用,无须重新编译,开发人员不需要程序源码;组件不限于一种编程语言,即所谓/二进制重用0。与传统的GIS 系统在集成上存在着系统整合性差、自带的二次开发语言难以开发复杂的应用模型、应用开发难度大、成本高的缺陷相比,由于CO M 技术已事实上成为了业界标准,G IS 开发人员可以自由选择各种语言如VC,VB,VF,B C,D elphi,C ++Builder,PB 等专用程序设计语言来开发出高效无缝、低成本的GIS 应用系统,同时在与MIS 耦合、Internet 应用和使用复杂性等方面具有明显优势。把G IS 各功能模块做成控件,利用软件开发工具以搭积木的形式集成起来,构成地理信息系统基础平台和应用系统是Co mGIS 的基本思想。组件式GIS 以组件或插件的形式提供给相关的各种信息系统有关GIS 和界面的功能,由组件对象通信层、空间数据管理层、GIS 功能层和GIS 应用层共同搭建起一个GIS 服务组件为各种信息系统服务。随着空间数据一体化数据引擎的实现,解决了空间数据共享和互操作问题,能支持用户与服务器之间的异步数据更新,从而大大提高用户端分布系统工作运行效率及数据安全性。

3 系统实现

基于上面的关键技术和算法,武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室在已研制的数码城市G IS 软件CCGIS 基础上使用组件技术开发了日照分析系统CCSunA nalysis 。CC GIS 是专门为数码城市的建设研发而成的,CCGIS(Cy berCity GIS)旨在建立一个城市三维空间信息在赛博空间(CyberSpace)的数字模型,即数码城市Cy berCity [10]。研制开发的日照分析系统的运行平台是Windo ws 2000/N T/X P,三维可视化引擎是O penG L 1.1。系统的主要模块包括数据交换、数据建库、规划数据管理、三维可视化、日照分析等;主要的日照分析功能包括太阳运行轨迹的计算、单点日照、多点日照、日照等时线、日照平均测试、满窗计算、临界轮廓计算等。图3是使用开发的日照分析系统对深圳威尼斯区部分建筑物进行的阴影显示,图4是单点日

照时间计算的实例。

图3 使用日照分析系统进行建筑物阴影显示

图4 使用日照分析系统进行单点日照时间计算

4 结束语

本文对基于数码城市GIS 构建的日照分析系统的设计从基本原理、关键技术的分析、算法的研制、应用实例等方面作了详细介绍。所研制的日照分析系统CCSunAnalysis 可为城市规划设计、小区规划设计及建筑设计的日照时间、日照面积及建筑阴影、日照区变化提供科学准确的依据,同时还可对旧城改造、居民挡光纠纷提供准确的日照分析。数码城市G IS 技术为城市规划设计与管理提供了更加方便、快捷的技术手段,增加了信息量,提高了分析问题和解决问题的能力。随着数码城市各种技术的逐步完善和在城市规划与管理中的应用,相信必将带来城市规划设计与管理的重大变革。参考文献:

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作者简介:

眭海刚(19732),男,博士,研究方向为三维GIS 与虚拟现实、RS 与GIS 集成的理论与应用。

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