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1. 研究目的与意义及国内外研究现状

城市天空遮蔽度是对地表形态开阔程度的定量描述，间接反映了通风、日照等城市物理性能。“开阔度（Sky View Factor）”是指地表受到周围凸起地形地物的遮蔽时，地表只能见到全部天空的一部分，其中可见部分与天穹半球的比值即为地表开阔度，是对地表形态开阔程度的定量描述，反映了周围地形地物对物理辐射及视线在半球范围内的遮蔽影响。而城市天空遮蔽度是不可见部分与天穹半球的比值。天空遮蔽度值比较大就意味着街道空间比较封闭，当自然风吹过城市时不易将街道内部的热量及时带走。

本文研究了城市天空遮蔽度的提取，对该算法实现方法与各项参数进一步研究，并以此建立天空遮蔽度的评价体系，实现对城市天空遮蔽度的定量化评价。对城市遮蔽程度的定量化表达能够体现文字所不能替代的功能，并且数学方法的广泛运用能够提高城市研究的科学性，有利于挖掘城市形态的规律，为城市设计、城市景观、城市规划等方面应用提供可量化的参考依据，也为城市三维形态演化的数值模拟提供研究基础。

国内外研究现状

关于天空遮蔽度的研究较早集中在自然地表方面。傅抱璞、李占清、翁笃鸣在计算山区地面辐射时考虑了自然地形的遮蔽影响，并给出了计算任意方向地形遮蔽角的思路和数学表达式，其地形遮蔽角的含义类似于目前的“开阔度”定义，其使用人工绘制方法在地形图上进行了粗略的测量和计算。Dozier提出，利用数字高程模型模拟自然地形参数计算太阳辐射的方法，从16个方向分别计算天空可视因子，然后求其平均获得天空可视因子的快速算法^［1-3］。李新借鉴计算机图形学成熟的光线追踪模拟地形对太阳辐射的遮蔽，为天空开阔度的计算提供了新的思路^［4］。曾燕、邱新法计算了起伏地形下受到地形遮蔽效应影响的可照时间，将地形开阔度的研究推进到实用阶段^［5］。孙娴、林振山探讨了中国地形开阔度的空间分布，以及空间尺度效应，并指出地形高度起伏变化对于地形开阔度的影响非常显著^［6］。但是，由于受数字高程资料的获取、模型效率和精度等因素的影响，上述研究都局限于自然地表。对于人类改造最为强烈的城市地区，人工建筑成为城市主体，城市中的地表开阔程度除了受自然地形影响之外，更加受到周围建筑的影响。然而，天空遮蔽度在中国地区的计算与分析仍未见相关文献。

关于城市天空遮蔽度的定义和算法研究，Oke提出了开阔度矢量计算模型^［7］，其原理同傅抱璞等计算遮蔽角的方法相似。由于受到计算模型和数据获取方法的限制，起先，计算模型集中于一个计算点，如 Oke利用卷尺和测角仪测量建筑高度，根据相关公式得到一个特定地点的开阔度^［7］；Clark和Follin利用装有超广角镜的标准单眼照相机拍摄照片，经过人工处理得到含有天空、地面和建筑的黑白图片，从而计算某一位置的开阔度^［8］。然而，上述方法难以实现城市区域大范围、大面积的开阔度提取。城市数字高程模型（Urban Digital Elevation Model,Udem）是包括城市自然地表和城市建筑物等信息的数字。模型随着ＵＤＥＭ的出现，为城市地表开阔度的计算及其特征研究提供了数据基础。Ratti等人提出了高分辨率城市数字高程模型的栅格计算模型，实现了城市地区开阔度的大面积提取^［9］。Souza等人用高分辨率城市数字高程模型，将固定地点开阔度的矢量计算方法，扩展至整个城市区域中^［10］。Unger对城市地表开阔度的研究作了全面综述，指出开阔度的计算结果在某些局部点不合理，城市地表开阔度的研究更应关注区域平均值，并阐述了地表开阔度的区域平均值与城市热岛效应的关系^［11］。Gal T对比了矢量计算模型和栅格计算模型，指出栅格计算模型更适宜于大范围、大数据量的城市地表开阔度的快速计算^［12］。以上研究不断完善了城市地区地表开阔度的计算方法。然而，仔细分析相关研究，首先，未见到国内城市地区地表遮蔽度的计算和分析；其次，国外城市开阔度研究都集中在地势非常平坦的城市地区，几乎认为城市自然地表是个平面，计算结果只反映了建筑遮挡信息，目前，仍未见到有自然地表较起伏地区的城市遮蔽度的相关研究。因此，本文选择自然地形有一定起伏的丘陵城市作为研究样区，利用高精度栅格形式的UDEM（5m分辨率），实现城市天空遮蔽度的算法提取和参数分析，并以样区为例计算样区的天空遮蔽度，分析城市的三维形态。

2. 研究的基本内容

主要研究城市天空遮蔽度的提取，天空遮蔽度描述天空被建筑物阻挡的形态学参数，常用于城市热岛现象的研究中。

论文内容如下：1）构建城市天空遮蔽度的模型并对城市空间各项相关指标进行解析 2）用鱼眼技术方法计算地表遮蔽度进行对比分析 3）城市天空遮蔽度模型的评价 4）城市地表遮蔽度模型的应用实例——以南京为例。

3. 实施方案、进度安排及预期效果

实行方案：

首先是资料梳理，包括对数据资料的搜集整理，已有的文献和成果进行分析归纳；在此基础上建立三维遮蔽度的概念模型，并构建三维遮蔽度量化指标；对基于的三维遮蔽度模型实现进行研究分析；将遮蔽度模型应用于城市区域三维模拟，最后进行相关类型归纳。

三维模拟的具体方法即在arcgis空间分析山影（hillshade）工具的基础上进行二次开发模拟。该工具中集成了阴影建模工具，阴影建模采用光线追踪原理，可以识别收栅格单元在固定光源照射下是否落入另一些单元阴影里，通过多次模拟太阳在不同高度角和方位角对地表照射情况，多次计算结果叠置分析，在阴影里的次数占总模拟次数的比率即为栅格单元的遮蔽度。

进度：

4. 参考文献

[1]傅抱璞.山地气候[m].北京：科学出版社，1983，21－35.

[2]李占清，翁笃鸣.一个计算山地地形参数的计算机模式[j].地理学报,1987，42(3)：269－278．

[3]dozier j,frew j.rapid calculation of terrain parameters for radiation modeling from digital elevation data[j].ieee transaction on geoscience and remote sensing,1990,28(5):963-969.