城市高密度化背景下日照模拟的输入数据需求 (Input data requirements for daylight simulations in urban densifications)
Karolina Pantazatou, Jouri Kanters, Per-Ola Olsson, Johannes Lande Nyborg & Lars Harrie
城市高密度化的最大挑战之一是确保充足的日照。本研究探讨了使用语义三维城市模型作为日照模拟输入数据的潜力，聚焦于从地理数据、三维城市模型规范和测绘准则这三个角度来探究日照模拟对于输入数据的需求。本研究使用了来自瑞典两个城市的三维城市模型数据，以及我们在 CAD 和 GIS 环境中构建的三维城市模型数据，来探讨在日照模拟中使用不同细节程度（LOD）和位置精度的三维城市模型对瑞典和欧洲法律及设计规范的影响。此外，本研究还评估了与阳台和其他立面构件相关的测绘准则和三维城市模型规范要求，以及立面的反射特性和颜色的使用情况。研究发现，对于大多数不同屋顶类型的建筑，LOD 1级别的模型已满足日照模拟中测量阻挡角的要求；但对于坡屋顶等类型的建筑，则应使用LOD 2级别的建筑模型。对于上述日照模拟的参数指标来说，分米级的位置精度已经足够。日照模拟要求在三维城市模型中体现突出超过几分米的阳台和立面构件，以及立面的材料和颜色信息。该研究的结果可以用于补充和完善三位城市模型的信息列表和模型规则，以支持更为准确的日照模拟。
引用
Pantazatou, K., Kanters, J., Olsson, PO. et al. Input data requirements for daylight simulations in urban densifications. Urban Info 2, 2 (2023).
https://doi.org/10.1007/s44212-023-00024-6
研究背景与研究问题
许多国家都支持城市高密度化而非城市扩张。与后者相比，城市高密度化被认为是一种更可持续的解决方案，然而城市高密度发展也带来一些问题。缺乏自然光照会导致照明能源需求的增加，居住者健康状况不佳以及生产力下降。对城市规划设计，满足对住房和商业建筑日益增长的需求，同时保证充足的阳光以创造良好的生活条件是一个挑战。现代城市环境和日照指标（即确定日光可用性和质量的方法）的复杂性阻碍了相关研究的推进。因此，需要建立一种适用于规划设计过程的日照模拟的标准化方法。
日照模拟中的衡量指标会影响模拟软件的选择，而模拟软件又决定了输入数据的类型。一些衡量指标只需要建筑几何形状的数据，而另一些衡量指标还需要了解墙壁的反光特性、窗户特性、气候和太阳位置等。大部分的国家和地区，例如瑞典，政府只采集和维护基础的二维地图和最常见的三维建筑模型，但这些数据并不是为日照模拟而定制的。因此，城市规划和设计工作中，为了日照模拟，需要在数据处理上花费大量时间。GIS数据，尤其是三维城市模型，可以作为日照模拟的输入数据。然而，这需要三维城市模型包含用于计算日照衡量指标的所有相关信息，并且细节水平和数据质量是足够的。
本研究的目标是，确保即将推出的瑞典三维城市模型标准（目前正在开发中）能够支持在城市规划设计早期阶段的日照模拟。为了实现这一点，我们首先确定欧洲和瑞典的规划建设法规和准则，以明确日照模拟的衡量指标。然后，我们提出了以下两个研究问题：
这些日照衡量指标需要什么类型的地理空间数据？
应该如何明确三维城市模型的规范和评估准则，以获得准确的日照模拟结果？
研究内容
本研究包含了两个案例，以评估GIS数据（由当前可用的规范定义）在多大程度上满足瑞典和欧洲的建筑法规规定的日照衡量指标要求：遮挡角（OA）、阳光照射和日照系数（DF）。案例一估测了遮挡角，从GIS数据来看，遮挡角的计算主要受建筑物的详细程度（LOD）和位置精度的影响。案例二的研究基于CAD工具，由两部分组成：第一部分探究了阳光照射，研究了建筑构件（如阳台和阳台栏杆）对阳光照射模拟的影响；第二部分讨论日照系数，在高密度的城市区域，需要考虑阳光在建筑外墙上的反射，因此对具有不同光学反射特性的建筑外墙材料进行了评估。本次研究中没有讨论建筑周边植物遮挡对于日照的影响。
在案例一的第1部分研究中，我们发现可以使用LOD1.3三维城市模型来测量日照的几何指标，例如遮挡角。因为对于大多数屋顶类型（图1），与相应的LOD2三维城市模型相比，前者的误差很少超过1°。然而，以坡屋顶建筑为主的街区需要做三维城市模型的预处理，因为遮挡角有时超过10°，因此LOD2可以更详细地表示屋顶的几何形状。除了坡屋顶外，锥形屋顶和金字塔尖屋顶等类型也是如此，用LOD1.3模型替换LOD2模型会高估（屋脊）或低估（最高屋顶边缘）建筑部分的高度和遮挡角（图2）。案例一的第2部分评估了通过挤出建筑轮廓线生成三维城市模型的位置精度，探究其可能对日照遮挡角的影响。大多数结果表明，LOD2和LOD1.3都产生了相似的遮挡角，差异不超过1°。验证了如果三维建筑模型和建筑轮廓线遵循测量的位置精度规范，足够用于模拟计算日照遮挡角。
图1：大部分的平屋顶和坡屋顶建筑
图2：部分坡屋顶建筑在LOD1.3和LOD2模型的差异
案例二的第1部分评估了不同LOD模型对阳光照射模拟的影响。在计算阳光照射小时数时，我们选取了欧洲推荐标准，即在2月1日至3月21日的一天内，一个房间（卧室或客厅）至少能接受1.5小时阳光直射。结果表示，阳台和阳台栏杆等立面构件，可能在确定房间是否符合日照要求方面具有重要作用，尤其是当建筑物位于高密度的城市环境中时。尽管增加阳台和阳台栏杆的几何形状影响的窗户数量相对较低（13%-17%），但受影响的窗户中有30%不满足日照要求。需要注意的是，对于受影响的窗户，50%的窗户的阳光直射时间差异在1.5–3.5小时之间（图3）
图3：有无阳台和阳台栏杆对于太阳直射小时数的影响
案例二的第2部分讨论了周围建筑物的立面光学特性信息对日照系数的影响，证明了在高密度城市环境中包含这些信息的重要性，以及在包含语义信息的三维城市模型中存储和管理这些信息的价值。对于位于较低楼层和底层的房间，周围建筑物的立面光学特性对日照系数的影响是显著的（图4）。立面的颜色、反射率和粗糙度特性与相应的瑞典和欧洲日照标准之间的强正相关关系表明了这一点。在具有高反射率和不平整表面的材料上使用明亮的颜色，从而导致光线反射扩散，即使是位于底层的房间也有可能满足当前的日照规范要求（图5）。外墙材料和颜色对于增加日照系数确实很重要，但也可能造成眩光等危险影响。
图4：周围建筑立面颜色对底层房间能否满足瑞典
和欧洲建筑日照法规的影响
图5：不同反射特性的立面材料对满足瑞典和欧洲建
筑日照法规的底层房间比例的影响
阳台会显著影响建筑内部的阳光直射，因此我们在探究了其在高密度城市中的影响程度。皮尔逊相关结果显示，建筑物外墙突出超过1.25m的阳台与房间的日照系数之间存在强烈的负相关关系。当检查房间是否符合瑞典建筑日照法规时，阳台影响了位于较低楼层的更多房间，不包括阳台的建筑可能会更符合瑞典标准（图6）。
图6：有无阳台和阳台栏杆对满足日照系数（瑞典和
欧洲建筑日照法规）的房间比例的影响
另一个可能影响日照模拟的因素是表示建筑物三维几何形状的DSM（Digital Surface Model）的分辨率以及模拟计算网格的分辨率。本研究的第一个案例（计算遮挡角）中使用的DSM（0.1 m）的分辨率足够高，可以代表LOD2.2中所有屋顶结构和立面构件。此外，案例二中使用的日照模拟计算网格对于阳光照射为0.1 m分辨率，对于日照系数为0.2 m分辨率，考虑到模拟计算的网格分辨率远高于已有相关研究中使用的网格分辨率，模拟结果是可信的。
为了准确的日照模拟，需要关于三维建筑外部（建筑围护结构）和内部（例如，房间和地面）、窗户、阳台、立面构件、建筑轮廓和周围植物的信息。这些信息中的大部分可以被容纳在三维城市模型中，但重要的是，模型的规范和评估准则要确保数据存储管理且数据质量良好。3CIM的三维城市模型规范基于CityGML，可能满足上述要求，但在获取现有建筑的窗户、阳台、立面材料/颜色和建筑内部信息方面存在一些困难；对于尚未建成的建筑，这些信息可从建筑报建审批过程中提交的CAD或BIM模型中获得。根据案例研究，我们对三维城市模型的规范，特别是对瑞典的建筑规范进行以下总结：
1. 国家的建筑规范和3CIM允许多个LOD的建筑对象。本研究建议使用LOD2.2进行日照模拟。LOD1.3（在最高屋顶边缘定义高度）可以用于多种屋顶类型（平屋顶、单坡屋顶），但不适用于其他的坡屋顶。复杂的坡屋顶建筑的LOD2.2和LOD1.3之间的遮挡角差值通常超过5度。
2. 分米精度的三维城市模型数据能够满足日照模拟的需求。
3. 阳台的数据应该被包含在三维城市模型中。尽管有无阳台并没有影响许多窗户的是否接受到直射阳光；但仍然有32%的窗户会受到阳台遮挡的影响，而不满足1.5小时的阳光直射的要求。
4. 采光系数的模拟中，我们可以发现关于立面材料、颜色和光谱特性的信息至关重要，应包含在3CIM规范中。3CIM是一个包含语义信息的三维城市模型，支持扩展其语法结构以包括这些参数。
5. 如果要在高密度的城市规划项目的早期阶段，对现有建筑做采光系数的模拟，则有必要获取并管理客厅、卧室等建筑室内信息。
Karolina Pantazatou，瑞典隆德大学（Lund University）博士研究生。她的研究关注于基于3D城市模型的日照和噪音模拟，以实现城市高密度背景下的可持续发展。此外，她还从事了遥感、地质统计学和地理信息系统的研究。
https://www.researchgate.net/profile/Karolina-Pantazatou-2
Jouri Kanters: 瑞典隆德大学（Lund University）高级讲师。他是一位注册建筑师，他的研究聚焦于太阳能在城市规划、建筑设计和可循环建筑设计中的应用。
https://www.researchgate.net/profile/Jouri-Kanters
Per-Ola Olsson: 瑞典隆德大学（Lund University）博士后研究员。主要研究方向为遥感信息、无人机、地理信息系统、3D城市模型。
https://www.researchgate.net/profile/Per-Ola-Olsson
Johannes Lande Nyborg:
瑞典隆德大学（Lund University）研究员。主要研究方向为遥感信息、地理信息系统、3D城市模型。
Lars Harrie:: 瑞典隆德大学（Lund University）教授。主要研究方向为地理信息系统、地理制图、地理空间数据等。
https://www.researchgate.net/profile/Lars-Harrie-2
END
编辑：徐志萌、李舒阳
审核/指导：刘信陶、肖之阳
