基于三维GIS的建筑物日照分析研究

Instructor ：Yaomin Zhang
ABSTRACT
Due to the rise in living standards, "living and environmental conditions" becomes one of the most attention hot topics. However, in the process of unban construction and renovation, increasing height of buildings and continuously shortening the distance between buildings lead to fewer and fewer residential sunshine, which enhance the conflicts between the quality of sunlight condition and improving the utilization rate of land. Therefore reasonable to determine the orientation of buildings and the impact of distance and shadows to meet the sunlight environment quality requirements of the residents has become an important problem that must be considered in current planning and design. With the development of three-dimensional GIS technology and the increasing deepening of the study on three-dimensional sunlight analysis model, traditional manual calculations and sunlight analysis system based on two-dimensional CAD platform have been difficult to meet the urban planning program in the fast and accurate sunlight analysis of the sunlight requirements. Therefore, this paper proposes to build three-dimensional building sunlight analysis system by using three-dimensional GIS and three-dimensional sunlight analysis model. Firstly, this paper introduces the basic parameters of calculating sunlight times and shadow. The paper analyzed the calculation method of buildings’ sunlight time and distance based three-dimensional GIS on the basis of the building sunlight analysis of traditional manual calculations and two-dimensional CAD. Secondly, in depth analysis of Google Earth three-dimensional modeling and development methods, three-dimensional building model are established in this paper, the overall design and the functional module design of the building sunlight analysis system based on three-dimensional GIS are carried on.
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西安科技大学硕士学位论文
在城市环境日益恶化的情况下，为了保证居民获得阳光的权力，保障居民能享受到 最低限度的日照，国家需要制订住宅建筑日照标准。住宅建筑日照标准是衡量居住区居 住环境质量水平的一项重要指标，它既决定着每户住宅的日照条件，居住区规划设计中 的住宅布局方位和住宅建筑间距，也决定了居住用地的利用状况。所以住宅建筑日照标 准的确定应当是个十分慎重的问题。 1999 年国家建设部和国家质量监督局发布的新 《住 宅设计规范》 ，规定在全国城市新建、扩建住宅设计中每套住宅至少有一个居住空间能 获得日照，当一套住宅中居住空间总数超过四个时，其中宜有两个获得日照。获得日照 要求的居住空间， 其日照标准应符合现行国家标准 《城市居住区规划设计规范》 (GB50180) 中关于住宅建筑日照标准的规定。 国家建设部颁布的专门针对居民住宅建筑的强制性规范——《住宅建筑规范（暂定 名） 》试行后，不符合规定的住宅无法开工，特别要求每套住宅至少应有一个居住空间 能获得日照。按说冬至日一小时的满窗日照已经考虑了我国人多地少的实际困难，因此 这仅仅是一个经济标准或者政策标准，不是一个卫生标准问题了。国家规定的标准是一 个最低标准，各地如北京、上海等一些城市也根据具体地理气候条件有自己的法规，但 不能为追求眼前的经济效益而牺牲居民的长期环境效益(白德懋，2001)[5]。 但是随着我国人民生活水平的不断提高和城市建设的飞速发展，建筑用地的紧张状 况越来越严重。与此同时，由于城市旧城改造的逐步深入，低矮、破旧的老房子逐渐被 形态各异的高层建筑群所代替，并且不断提高的楼群密度，缩短的楼房间距，不断增多 的高层和超高层建筑所导致的居民住宅日照不足从而引起的纠纷也日益增多，因此在城 市规划和建筑设计阶段，不仅需要对新建筑进行内部设计和施工，同时还要对建筑外形 的合理性、是否符合城市总体规划布局等进行分析评估，另外还要对所建建筑和周围建 筑群的相互遮挡所形成的阴影的影响进行适当的分析和评估。合理地确定建筑的朝向、 建筑的间距以及研究房屋的外形和房屋阴影所造成的影响，节约土地并保证日照环境质 量，为居民创造良好的居住条件是新时期规划设计中必须考虑的问题之一。 对于这个问题，除了在宏观上采取调整规划的措施之外，还可以采用日照分析软件 和 CAD 方法代替传统的手工绘制日照分析图进行日照分析。而面对日益提高的城市化 水平，以手工为主的传统管理方式以及基于二维 CAD 的日照分析软件已不能适应城市 迅速发展的需要，在日照分析中引入三维模型就显得势在必行。GIS（地理信息系统） 作为一种空间分析与决策技术已经渗透到各个领域， 三维 GIS 技术也得到了空前迅速的 发展。在日照分析中主要使用了三维 GIS 的建筑物三维模型。建筑物三维模型不仅具有 多重细节层次的几何表达，还可以提供具有相片质感的表面描述如逼真的材质和纹理特 征以及其它相关的属性信息(Gruber M. and Wilmersdorf E.，1997)[7]。 建筑物三维模型在城市规划、设施管理、电信与旅游应用等方面明显优于当前的二 维 GIS。虽然一些类型的二维 CAD 模型、透视图与三维动画以及虚拟显示系统在某些
西安科技大学 硕士学位论文 基于三维GIS的建筑物日照分析研究 姓名：李黎 申请学位级别：硕士 专业：地图学与地理信息系统 指导教师：张耀民 2011
论文题目：基于三维 GIS 的建筑物日照分析研究 专 业：地图学与地理信息系统 （签名） （签名）
硕 士 生：李黎 指导教师：张耀民
摘
要
随着人们生活水平的提高， “居住与环境”已成为公众最为关注的热门话题之一。 但是在城市建设和改造的过程中，楼群高度不断提高，建筑间距不断缩短，导致居民住 宅日照越来越少，使得确保日照环境质量和提高土地利用率之间的矛盾日益突出。合理 地确定建筑的朝向、间距以及阴影造成的影响，满足居民对日照环境的要求，成为目前 规划设计必须考虑的重要问题之一。 随着三维 GIS 技术的发展和三维日照分析模型研究的不断深入， 传统的手工计算和 基于 CAD 平台的日照分析系统已很难满足城市规划方案中快速、准确、形象地进行日 照分析的要求。因此，本文提出利用三维 GIS 和三维日照分析模型建立三维建筑物日照 分析系统。 首先，本文介绍了日照时间和阴影计算的基本参数，并在传统手工以及二维 CAD 建筑物日照分析方法的基础上， 分析了基于三维 GIS 的建筑物日照时间和日照间距的计 算方法。 其次，在深入分析 Google Earth 三维建模方法和 Google Earth 开发方法的基础上， 本文对建筑物三维模型进行了设计， 并对基于三维 GIS 的建筑物日照分析系统进行了总 体设计和功能模块设计。 最后，本文以 Visual C++ 6.0 为开发环境，采用 Google Earth COM API 组件技术， 开发了基于三维 GIS 的建筑物日照分析系统， 实现了建筑物三维模型的显示和渲染以及 日照时间计算、日照阴影分析等功能。
Key words ：Three-dimensional GIS
Google Earth COM API
Three-dimensional Model
Sunlight analysis
Thesis
：Application Research
1 绪论
1 绪论
1.1 研究背景与意义
今天的中国， “居住与环境”无疑已成为公众最为关注的热门话题之一(王立红， 2003)[1]。居住环境是人们起居生活最主要的场所，它提供生活、文化、教育、科技、休 闲、娱乐，艺术等众多功能。优美的居住环境不仅可以能作为居室的外景，而且能为居 民提供人文、艺术、科技、历史等多方面的信息，可以被看作是一种综合的社会形态。 同时，人很容易受到各种环境因素的影响，居住环境一旦建成，它就会较长时间与人共 存，成为生活中的一部分，会无声地作用于人的心灵。此外，居住环境营造是现代城市 景观建设的重要内容之一，也是城市文明的标志之一(黄晓鸾，1994)[2]。 纵观我国的居住环境建设，经历了从 20 世纪 50 年代住房单纯追求数量的计划经济 模式到引进邻里单位、居住街坊和居住小区等设计理论，并逐步形成我国自己的住区规 划思想、体制和理论方法体系；上世纪 80 年代初实行城镇住房建设体制改革和住房制 度改革，住区规划普遍开始注重公建的合理配置、组群组合形态和空间的多样化及绿化 庭院的建设。此时的住宅布局注重朝向，考虑到居民对日照的需求，并出现了受到居民 普遍欢迎的集中绿地，但环境素质尚未体现出来；到 20 世纪 90 年代中期以后，城市建 筑学、 可持续发展理论以及后来小康理论的出现， 逐渐加大了改善住区环境的力度。 1999 年 5 月，建设部颁布了“国家康居示范工程”标准，住区规划彻底打破行列式的传统布 局，结构组织向多元化发展，更注重人的生化活动规律和空间环境的塑造，住宅建筑风 格多元化， 空中花园等立体绿化手法更为普及， 住区环境的休闲性、 娱乐性进一步加强， 整体的设计水准不断提高。 但是，我国的居住环境在发展的过程中也出现了一系列问题，诸如部分建筑的日照 间距不够合理，朝向与当地的气候环境不符；住区道路的朝向不合理，宅前路与建筑距 离过小造成其终年处于阴影中，给人造成消极心理感受；绿地系统设计不合理，如植物 的搭配、树种的选择及栽植的位置不合理等直接影响到住区景观的营造及夏季的遮阳效 果；人为的营造一些仅为增加卖点的景观，如大面积暴晒于阳光下的铺地广场，缺乏必 要的公共设施，以及公共设施如廊架、坐凳位置摆放不合理等，忽视了人的正常行为规 律，忽视儿童的天性和老年人的活动规律等(黄王琨，2009)[3]。 上述问题中最重要的一个就是日照问题。一个适宜的居住环境，阳光、空气、水和 绿化是四大不可或缺的要素，而离开阳光，空气无法杀菌，水体无法自净，植物更无法 生长。作为居住者的我们人类，经过千万年的进化也只适宜于在有阳光的环境中健康生 活，这种适应性是人工光源无法替代的(袁磊，2003)[4]。
关 键 词：三维 GIS；三维模型；日照分析；Google Earth COM API 研究类型：应用研究
Subject
：Research on Daylight in Building Based on 3D GIS
Specialty ：Cartography and Geographic Information System Name ：Li Li （signature） （signature）
Finally, the building sunlight analysis system based on three-dimensional GIS has been developed, which put Visual C++ 6.0 as the developing environment, Google Earth COM API as component techຫໍສະໝຸດ Baiduology.