016年第十三届五一数学建模联
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
硕 士 生：李黎 （签名）
指导教师：张耀民 （签名）
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。
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）
Instructor ：Yaomin Zhang （signature）
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.
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 technology.
Key words
：Three-dimensional GIS Three-dimensional Model Sunlight analysis
Google Earth COM API
Thesis
：Application Research
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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)。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)。
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)。
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)。
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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)。
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)。
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
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地区的应用已有数年的时间，但是它们仍然属于传统模式下的孤立应用，缺乏基本GIS
的3D集成可视化与3D分析的能力。
目前三维GIS的软件不多，主要有Google Earth、NASA免费开源的WorldWind、
GeoFusion公司的GeoMatrix工具包和从数字地球起家的Skyline。本文试着在已有三维
GIS软件Google Earth的基础上，添加日照分析功能，实现日照阴影的三维可视化。这
也是本文的研究意义所在。
1.2 国内外研究现状
早在古代，建筑师的头脑中就有居住区日照环境与住宅相关的概念，但是这种概念
是模糊地、感性的。直到20世纪初随着建筑体系的科学化和多学科融合，以及城市扩
张带来居住区大量建设的客观要求，对居住日照、天然光环境和用地合理规划的研究才
逐渐纳入了科学的轨道。随着当前居住区的日益密集，居住区日照，特别是日照时数成
为天然光环境研究的开端。作为研究居住区日照与用地关系科学的先声，现代建筑四大
师之一的格罗庇乌斯曾以太阳照射角度为设计准则进行了许多居住区的规划设计(诺
曼·福斯特，1997)。此后的研究主要从以下几个方面展开：
（1）太阳运行带来的日照遮阴与建筑布局关系
19世纪50到60年代，国外开始对日照、土地利用与建筑形式问题做比较深入而系
统的研究。在居住区建设中，按太阳高度角建造的不同类型住宅建筑面积系数与层数之
间建立数学模型进行科学分析，进而将这一成果上升到城市规划的高度，以阳光等高线
的形式绘出建筑物容许高度的界限，并研究影响提高建筑高度的因素，提出了取得最合
理建筑密度的城市建设概念和方案。
（2）建筑空间布局与物理环境质量的结合
对建筑规划中日照的研究将逐渐与建筑群热环境、光环境的研究互相渗透。国外出
现了将太阳辐射遮挡系数、街道开阔度、建筑朝向和布局、太阳辐射、绿化覆盖率等作
为参数的综合模型(诺曼·福斯特，1997)，用于建筑群及城市的环境预测和评价。国
内也出现了对规划布局与太阳的热研究，包括建筑师如何合理地设计居住区、在建筑方
案中争取更多的太阳能资源以及炎热季节减少住宅热负荷等。19世纪50至70年代清华
大学等科研院所还在日照设计知识的基础上在北京等地区规划设计了大量太阳房住宅，
并在太阳能资源丰富的广大地区得到了普及。
（3）日光引入技术在建筑中的应用
随着生态意识的增强和采光技术的发展，人们不仅期待太阳为我们带来热，而且希
望利用太阳光谱中的可见成分提供更多的光明，利用其光谱中的紫外成分增强健康。如
光伏发电，根据光电效应把太阳光直接变成电能供照明使用等。也有研究将日光引入其
无法直接达到的建筑空间，提高日光的强度、密度和利用效率。建筑中天然光引入技术
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按照收集和传输方式的不同大致可以分为平面反光镜反射法、导光管法、棱镜组反射法、
光导纤维法等。这些技术的发展为建筑中日光的引入和利用开辟了更为广阔的空间。
（4）计算机技术引入日照和天然光环境的预测与评价
随着计算机技术的发展和应用，如何充分利用既有的理论和数据，更为方便的实现
日照和天然光环境的预测与评价已经成为国内外研究的重点。利用计算机和数字图像技
术，对日光的虚拟与再现获得了空前的发展；利用计算机的数值计算功能和图形图像处
理功能，可以为研究日光的直射和漫射提供光度计算的实时性、快捷性和光度计算结果
的可视性，从而使建筑师摆脱了凭借经验和感觉预测光环境实际效果的局面，使其在建
筑设计的早期阶段就能改善设计的效果，建造有效利用阳光的建筑。国内也结合建筑设
计软件开发了能够准确预测建筑日照遮挡情况和太阳能热效应的软件，并在理论研究和
工程实践中得到了广泛的应用。
目前发达国家如美国、英国等对日照问题比较重视，特别是英国在日照方面的研究
和使用方面，制订了全国通用的日照法规并推动了应用软件的研制。早在1993年，英
国WaterSlade公司开发的日照阴影分析软件就拥有全面的日照时间和阴影分析功能，为
城市规划、建筑师以及居民等提供科学准确、完善的日照分析数据。
但在国内许多规划管理部门进行日照分析时还是采用传统的手工方法，即将日照棒
影图与规划图相叠加来判断日照遮挡范围。这种方法很费时，并且计算结果也不准确。
随着CAD技术的普及，逐渐出现了各类日照分析软件，如众智软件有限公司与无锡规
划局于2000年研发的SUN日照分析软件、清华大学计算机系与建筑学院开发的THSEA
日照环境分析系统、联图公司的日照分析软件2.0、鸿业科技开发的城市规划日照分析
软件——HYSA v3.0、天正工程软件有限公司的日照分析模块等(张颖，2005)。
但是这些日照分析软件大都是基于二维CAD实现的，操作过程复杂，并且在阴影
遮挡分析方面，绘制的平面日照阴影分析图不够直观和生动，而人们习惯的是在真实的
三维场景中进行漫游、规划、设计，实时体验环境的变化。刘颖通过对现有的室内漫游
的全局光照模型进行了改进，使得模型能较好地应用于室内虚拟漫游系统，但是缺乏规
划分析功能(刘颖，2005)。张颖将GIS技术运用于数码城市的日照分析中的日照时间
和日照间距的计算上，主要从阴影显示和日照时间两个角度研究了三维日照时间、阴影
计算方法及计算结果的显示，但是功能实现不能在实践中方便地应用，也未对日照评价
的另外两个因子（日照阴影面积和日照强度）进行研究(张颖，2005)。
1.3 研究内容和研究思路
1.3.1 研究内容
论文在分析原有二维CAD和部分三维日照分析方法和分析Google Earth软件功能
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的基础上，基于Google Earth软件建立建筑物三维模型，基于Google Earth设计和实现
日照分析系统，实现日照时间计算、日照阴影分析等日照分析功能。因此本文的研究内
容主要有：
（1）建筑物三维模型日照分析方法
深入分析二维CAD和部分三维日照分析方法，分析Google Earth用于三维空间分
析方面的功能，探讨在三维GIS中结合建筑物三维模型进行日照时间计算进而进行各种
日照分析功能的方法。
（2）三维建筑物模型的建立
以建筑物三维模型日照分析方法为基础，探讨相对应的建筑物三维模型的建立方
法。
（3）分析Google Earth二次开发方法及其在日照分析系统中的应用
分析Google Earth二次开发方法，在建立的建筑物三维模型的基础上，利用Google
Earth的二次开发功能，实现系统建筑物三维模型显示、导航、控制操作、日照时间计
算、日照阴影分析等功能。
1.3.2 研究思路
基于本文的研究内容，本文的研究思路如下：
（1）深入分析原有二维CAD中日照分析方法和部分三维日照分析方法，提出在三
维GIS中，结合建筑物三维模型进行日照时间计算等的方法，并探讨太阳光照在全年各
天的日出和日落之间时间段内，动态模拟地各建筑物之间的遮蔽情况以及建筑物之间的
日照阴影分析。
（2）目前Google Earth中三维模型的建立基本上都是采用Google SketchUp建立的
方式，即使用SketchUp创建准确而简单的三维模型，然后导入Google Earth中构建虚
拟环境。本文拟用SketchUp来建立建筑物三维模型，导入Google Earth中与其中的三
维地形数据整合，从而构建虚拟环境。
（3）Google Earth的最重要的开发方式是基于Google Earth COM API用来控制
Google Earth的视角，实现动画。本文使用Visual C++ 6.0平台，利用Google Earth COM
API，实现系统建筑物三维模型的显示和渲染，在此基础上，实现系统的各项功能。
本文的研究流程见图1.1。
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图1.1 论文的研究流程
1.4 论文的框架结构
论文共分六章。
第一章，绪论。论述了论文的研究背景与意义，简单介绍了国内外研究现状，提出
了论文的研究内容和研究思路，并介绍了论文的框架结构。
第二章，建筑物日照分析数学模型。介绍了日照时间和阴影相关计算的基本参数，
介绍了传统手工以及二维CAD的建筑物日照分析方法，分析了基于三维GIS的建筑物
日照时间和日照间距计算方法。
第三章，建筑物日照分析系统平台简介。介绍了系统依赖的Google Eearh平台及相
应的系统开发环境，分析了Google Earth三维模型的建立方法，并利用Google SketchUp
建立了系统需要的建筑物三维模型。
第四章，建筑物日照分析系统设计。按照系统设计目标和原则，在建立的建筑物三
维模型的基础上，对系统数据模型和体系结构进行设计，并进行了系统功能设计，介绍
了系统各个功能模块的详细设计。
第五章，建筑物日照分析系统基本功能实现。介绍了系统各个功能模块的实现思路
并展示各项功能效果。
第六章，结论。总结本文的主要工作及其不足，提出以后需要改进的地方。
2 建筑物日照分析数学模型
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2 建筑物日照分析数学模型
2.1 日照时间和阴影相关计算的基本参数
2.1.1 日照原理
地球表面上，一天中有昼夜之分，一年中又有四季之分。这些自然现象说明太阳与
地球的运动有着特定的规律，这些特定规律就是影响建筑日照的外部因素。要了解日照
变化的规律，就必须了解太阳与地球的运动规律，根据相对运动原理，观测和计算各个
经纬度地平面上的太阳方位角和太阳高度角的变化，根据观测和计算所得的数据来解决
建筑设计中的日照问题(卜毅，1988)。
地球围绕太阳逆时针公转是循着一个偏心率很小的椭圆轨道前进的，这个椭圆形的
轨道面称为黄道面。地球绕太阳公转周期为一年。在这一年中，地球距太阳最近时约为
1.47×108km(1月初)，距太阳最远时约为1.53×108km(7月初)，如图2.1所示。地球除绕
太阳公转外，还以1天为周期绕地球自转，形成昼夜更替。地轴与地球绕太阳公转的黄
道面的法线呈固定的倾角，其倾角为23°27′(杨晚生，2009)。
图2.1 地球的公转与自转
地球在公转时，阳光直射地球的射线变化范围用赤纬
d
表示。赤纬就是太阳光线与
地球赤道平面的夹角，它与太阳光线和地轴之间夹角互补为90°，其值随地球公转轨道
上的位置，即日期的不同而变化。赤纬从赤道平面算起，向北为正，向南为负。全年赤
纬在－23°27′～＋23°27′之间变化。图2.1给出了地球在公转轨道上的几个典型位置。
6月21或22（夏至）这天，地球自转轴的北端向围绕太阳的公转轴倾斜，倾斜角
file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image002.jpg
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23°27′，即赤纬
d
＝＋23°27′，即赤道以北的地区日照时间最长，日照面积最大。12月
22或23日（冬至）那天，地球自转轴的北端向围绕太阳的公转轴偏离23°27′，即赤
纬
d
＝－23°27′，此时，地球赤道以北的地区日照时间最短，也是照射面积最小的一天，
赤道以南的情况恰好与上述情况相反。在整个公转周期内，3月21或22日（春分）与
9月22或23日（秋分）两天地球自转轴与围绕太阳的公转轴成直角，即赤纬
d
＝0°，
此时，南、北半球的昼夜均等长，赤道南、北地区的日照时间都完全相等，这一天地球
赤道地区，正午时刻阳光垂直照射地面。
地球在绕太阳公转的行程中，不同日期有不同的太阳赤纬。一年中逐日的赤纬可用
Peter.J.Iumde等人建议的公式粗略计算
360
370
80
sin45.23
N
d
(2-1)
式中，
d
——赤纬，°；
N
——从1月1日开始计算的天数，d。
冬至那天南纬23°27′一线上中午时刻的阳光垂直地面，而夏至那天北纬23°27′一线
上中午时刻的阳光垂直地面，此二线称作南北回归线。此外，冬至那天，北纬66°33′
以北的地区整天见不到太阳。但在夏至那天，此线以北的地区又整天能有日光照射，因
此，北纬66°33′一线称作北极圈。同理，南纬66°33′一线称作南极圈。
北纬地区冬至日日照时数最短，夏至日日照时数最长，但并不意味这两天是这一地
区全年最冷和最热日。由于地球是一个庞大的物体，当它收到不同辐射量的阳光照射而
使地球表面气温发生变化时，都需要有一相当的时期，一般最冷、最热的天气分别出现
在冬至和夏至一个月以后的大寒和大暑日左右。
因为太阳入射角是一个与日期、时间、经纬度相关的一个变量，我们只要能建立描
述这些变量之间关系的模型，就能得到任意时间、任意地理位置的太阳入射角度(张颖，
2005)。此外严格来讲，太阳是一个点光源，即太阳光是从一点发出的，但是由于地球
与太阳的距离十分遥远，当太阳光到达地球表面时，光线几乎是平行的了。所以在本文
中假设光源为平行光，光源的距离为无穷大。
2.1.2 真太阳时与北京时间
任何地点在地球上的位置，都可以用地球的地理经度和纬度来表示。在建筑日照设
计中，两观测点虽在不同经度，但在同一纬度上，则每天的太阳运行轨迹是相同的。另
一方面，如果它们虽在同一经度上，但纬度不同，则每天的太阳运行轨迹是不相同的。
可见，太阳每天的运行轨迹只与该地的地理纬度有关，而与经度无关。纬度相同经度不
同则每天的太阳运行轨迹是相同的，只不过正午出现的时间有前有后而已；纬度不同经
度相同则每天的太阳运行轨迹是不相同的，但正午出现的时间是相同的(张颖，2005)。
太阳辐射量与日照时间等不仅与地球公转的位置有关，而且与地球自转位置相关。
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