城市道路照明数字化仿真研究

道路照明　２２　ＤＡ０ＬＵＺＨＡ０ＭＩＮＧ　Ｍａｒｃｈ．　、，０１．１０　２００６　Ｎｏ．１　城市道路照明数字化仿真研究　刘　波摘要陈仲林翁季　重庆大学建筑城规学院（４０００４５）　城市道路照明数字化仿真是在定性分析的基础上采用定量仿真的方法，通过数据库与仿真技术相　结合来描述城市道路照明，也就是将城市道路照明信息矢量化和网络化，这样有利于多用户同时编　辑、修改使用同一数字化照明系统，实现城市道路照明数据库实时刷新和城市道路照明的实时刷新。　数字照明，数字化仿真，实时道路照明，仿真技术　技术使人能够在三维虚拟世界中对具体形体的信息进　关键词１城市照明数字化仿真　１．１数字化仿真　城市照明仿真分定性仿真和定量仿真。定性仿真　是以非数字化手段处理信息输入、建模、行为分析和　结果输出等仿真环节，通过定性建模推导系统的定性　行为描述。定量仿真则以数字化手段处理信息输入、　建模、行为分析和结果输出等仿真环节，是通过定量　建模推导系统的行为描述。研究城市照明数字化仿真　的主要目的是对城市照明情况进行计算机仿真，通过　数学模型和各种参数的确定，建立仿真场景，对灯具　的实际应用效果进行预测和评估。通过生成各种形状　的道路和描绘各点的实际亮度，实现照明计算的可视　化，在计算机上真实地再现照明情景：包括形状和逼　真的表面亮度分布。利用一套适合于城市照明质量评　价指标体系，以及一个符合国际发展潮流的、更有利　于提高城市照明视觉功效、确保交通与行人安全的城　市照明标准。　１．２数字照明ｌｊ　数字照明是在数字城市的基础研究和技术支撑系　统的共同支持下，在某一特定城市地域中，通过数据　的采集、存储、传输处理和显示等技术，把软件开发　和硬件集成起来，建立可运行的、分布式的和开放的　城市照明网络信息系统。即利用有关的计算机软、硬　件，通过城市数据的获取及计算机输入，建立城市照　明数据模型及数字表达并进行城市照明数据的数据库　存储及处理，通过城市照明数据的共享、分析与应用，　达到进行数据的数字化、可视化与网络化的目的，这　也是城市照明数字化仿真系统建设的相关步骤。数字　照明的研究除包括软件开发、硬件集成、系统建立以　外，还包括数字化照明的实施管理以及维护等的研　究。　１．３城市照明数字化仿真　行操作和分析，它包括色彩处理、纹理映射、动画、雾　化效果、透明处理。将三维城市照明信息与二维数据　库链接起来，可进行一系列的零件分析和查询操作，　如三维坐标查询、建筑物属性查询、断面绘制及图形　和属性的编辑等功能。　以城市照明中的主城区道路照明的数字化仿真研　究为例，我们采用如下步骤：　１）综合分析国际照明委员会　城区照明指南》和　国内外道路照明标准，对主城区道路进行大量的调查　研究的同时，在改装的实验室里用视度仪研究道路照　明质量和数量指标的合理性，然后从道路照明的功能　性、艺术性、环境性角度出发，采用多维量表和层次　分析方法等，确定各基本因子的相对重要性，定量地　筛选出重要因子，对主城区道路照明进行合理分类，　确定合理的道路照明质量、评价指标体系和照明标　准。　城市照明的数字化仿真致力于将不同地区、不同　部门的各种信息通过互联网组织起来，借助于二维、　三维互补的城市照明信息模型，获得城市照明地理坐　标所描述的三维空间位置上每一点的全部信息，并提　供有效、方便和直观的检查、显示与分析手段，最终　实现三维空间位置及属性信息的可视化框架。可视化　２）利用主城区的电子地图或数码相机拍照的方法，　搜集道路照明有关灯杆或灯具等方面属性数据，然后　对来源和类型不同的数字高程模型（ＤＥＭ）数据、矢量　图形（ＤＬＧ）数据、地表景观的影像（Ｄ０Ｍ）数据和道路　照明方面的属性数据集成，并进行分类编码和数字化　系统数据建设。　３）采用自编必需的软件将技术先进、功能完善的　城市建模与三维景观可视化系统和国内外有关的照明　定量计算软件合理链接起来，进行虚拟城市道路照明　仿真研究。　４）选择一段长为ｌｋｍ的主城区道路。实测必需的　道路照明的属性数据，进行深入的道路照明信息获　取、处理、存储及管理研究，建设实时三维数据库，创　建一个虚拟仿真的道路照明真三维环境，一旦示范研　究通过后，就进行主城区道路照明数字化研究，完成　本课题的研究任务。　２城市道路照明的数字化仿真基础　城市道路照明的数字化仿真基础的研究着眼于城　市照明各组成要素间的相互联系、相互作用的规律，　建立城市道路照明的物理模型、数字模型、信息模型　和计算机模型，进而建立三维城市道路照明可视化系　维普资讯 http://www.cqvip.com

２００６年３月　第１０卷第１期　刘波等：城市道路照明数字化仿真研究　２３　统。它涉及到城市发展理论、３ｓ技术与理论以及相关　标准规范等。　２．１城市道路照明的数字化仿真建模技术　建模技术是系统仿真的核心技术之一，随着仿真　系统的复杂性的不断增强，如何才能够更加有效地规　划和实现仿真系统中的模型，已经成为仿真系统建模　的一个主要问题。　由于城市道路照明的特点，城市道路照明数字化　仿真模型的建立包括数字地面模型，城市道路照明需　求模型、城市道路照明控制模型、网络分析模型、全　时空情景变化的漫游观测模型等的建立。　建立数字地面模型，一般要经过地形数据采集、　数据预处理、原始数据的排序与检索、待定点的高程　内插等主要过程；城市道路照明需求模型包括光源需　求模型和灯具需求模型；城市道路照明控制模型包括　道路固定照明控制模型和道路景观照明控制模型；网　络分析模型包括光源的选择模型和灯具的选择模型以　及城市道路照明的评价模型。　同时城市道路照明应建立全时空情景变化的漫游　观测模型，这样才能即时为用户提供实时刷新了的城　市道路照明数据库中的内容和实时城市道路照明情　况。　结构模型的建立需要经过选择构成系统的要素、　建立邻接矩阵和可达矩阵以及要素层次级别的划分，　而后建立结构模型。　２．２城市道路照明数字化计算２ｉ　目前城市道路照明的计算一般采用固定照明方　法，采用照度标准、亮度标准、小目标物体可见度　（ＳＴＶ）标准等城市道路照明设计标准，按照ＣＩＥ的４　级分类法，将干燥道路表面材料分成接近漫反射Ｒ　、　混合反射Ｒ，、轻微定向反射Ｒ　及定向反射Ｒ　类。根　据心理物理学研究成果表明，人的行为是受到一定的　人要实现的目的和人所处环境影响的综合影响结果。　外界光刺激量与人的视感觉量（生理因素）之间的关系　可用韦伯——费西诺定理表示；但是人的视知觉程度　要受到人的经验和知识等影响（心理因素），所以光刺　激量与视知觉程度之间的定量关系宜用广义韦伯——　费西诺定理表示。城市道路照明中驾驶人员的反应时　间是一种视知觉表现形式，而可见度仅是一种视感觉　的表现形式，但它们均要涉及到光度学、色度学、视　觉科学、物理学、生理学、心理学和环境心理学等领　域的研究内容。总之，知觉是感觉的综合，且受人的　知识和经验影响。　在具体的科学研究和工程设计中将会提出各种各　样的本性数学模型，这些模型一般都比较复杂，需建　立合适的数字仿真算法。在实际应用时，各种复杂的　数字仿真算法一般都是由一些基本算法组合而成，灵　活应用这些基本算法就能根据实际问题的需要构造实　用的仿真算法。基本算法主要有：函数插值与拟合、非　线性方程和方程组的解法、线性方程组的解法、动力　学系统数字仿真的一般算法及实时数字仿真算法Ｉ３】Ｉ　等。　考虑城市道路照明的特点，采用小目标物体可见　度（ＳＴＶ）标准。　研究内容是一排小目标物的大小、形状、反射比、　颜色，平面或立体的合理选择，并考虑背景对象的差　别，以及对面来车的前照灯引起的失能眩光，定影时　间（０．２秒）和实验对象（美国取６０岁成年人）等不同情　况。　获得良好的道路路面亮度分布，确定最佳的灯具　位置和间距，合理的光源光谱分布（含有较多蓝绿色光　的高压钠灯）等均可提高可见度。可见度也称为视度或　能见度　】。　可见度水平是目标的对比与阈值的对比的比值，　／、ｒ　并可表示成ＶＬ－　一　ＪＪｎ　式中：△Ｌ——是目标与其背景的亮度差；　△Ｌ　——是目标（有一个固定的角度大小）刚刚可　见时与其背景所需亮度的差。　美国ＲＰ－８－００ｄ￣目标物体可见度水平（ＳＴＶ）计算　中部公式为：　ＳＴ　Ｌ有衬于平均值　一ＩＯｌｇ（ＡＲ　因为美标ＳＴＶ是目标亮度，紧邻背景亮度、邻近　环境的适应水平和失能眩光这４种的可见度水平的加　权平均值，所以可采用层次分析法、模糊数学和灰色　理论来研究。　３城市道路照明数字化仿真内容　城市道路照明的数字仿真是通过数据库与仿真技　术相结合来描述城市道路照明，也就是将城市道路照　明矢量化和网络化，这样有利于多用户同时编辑、修　改使用该系统，实现城市道路照明数据库实时刷新。　当前有关数字城市研究的热点问题主要是海量数据的　管理、数据共享与互操作以及三维可视化系统的研究　等，这些技术也是城市道路照明数字化仿真实现的关　键。　３．１网络化的矢量图形系统　要实现城市道路照明的数据共享与互操作，首先　得解决图形的矢量化和网络化问题，解决这一问题的　焦点集中在以下几个方面：　①对数据库的实时操作，因为有多个用户同时进　行编辑、修改，所以需要将每个用户的修改反映到数　据库中，从而实现对数据库实时刷新。　②对城市道路照明的实时刷新，即将最新的照明　光源、照明灯具、照明方式等实时反映。城市道路照　明的实时刷新可采用定时刷新、人为交互触发、实时　全部刷新和实时局部刷新。　３．２几伺数据存储与管理　（下接第５３页）　维普资讯 http://www.cqvip.com

２００６年３月　第１０卷第１期　赵金兴：浅谈城市照叫规划的掬筑　５３　完整的壮丽画卷。而商业街则应是灯光色彩斑斓，可　以用闪烁的霓虹灯、五光十色的招牌、广告和橱窗照　明，渲染出一种热闹气氛和繁荣景象。对于重要的文　化街区和建筑物，特别是作为历史文化名城的重要风　貌保护　和重点文物保护单位，灯光照明要慎重考　虑，要烘托文化精品自身神韵，更好展示其艺术魅力，　透发其文化内涵，决不能喧宾夺主，或大相径庭。对　起的做法，其好处是显而易见的。首先，可以将道路　照明与景观照明在设计上统一考虑；其次，可以依托　道路照明的管理系统，对连续的独立建筑景观进行电　力资源共享，大大降低建设成本；再次，可以集中管　理维护城市照明设施及档案资料；第四，可以对城市　照明实行完全统一的实时监控。　于正在构建中的商业中心区，灯光照明应当明亮、简　洁、高品位，写字楼可以多采用一些内透光方式增强　现代化气息。住宅区照明则要明亮适度，营造成温馨、　应当把城市照明规划纳入城市总体规划，量力而　行、逐步实施。对新建设施的亮化方案是否符合城市　照明规划的标准，这一点应当成为立项审批内容的一　部允对已建成设施可以通过差额照明电价等经济手　段来限制或鼓励景观照明的发展，使之符合照明规划　的要求。　宁静、舒适的安居环境，避免造成光污染。还有公园　绿地休闲场所，曼在保护生态环境的前提下，适度地、　点缀性地照明，既丰富城市夜色，义保证宜人的休息　小环境。　总之，城市照明规划是指导城市合理发展，创造　舒适城市环境的重要依据和手段，是城市照明发展的　城市照明是一项系统工程，它既要有一个行之有　效的规划方案，又要有一个专业机构对城市亮化设施　进行统一的监控和管理，还要有完善的法规为其实施　管理提供可靠的保障。　目前，国内城市对城市照明管理机构的设置并不　蓝图，城市照明规划要体现以人为本、居民至上的原　则，要坚持经济实用、节约用电、保护环境的原则，要　考虑照明建设与当地经济水平相适应的原则，另外，　只有建立和完善法规、规章制度，城市照明规划与建　设才能有法可依，避免和克服以往的城市景观照明只　重视建设，忽视管理的现象，从而为广大群众提供一　个优美、安全、健康的城市夜空。　统一，有的甚至还有多头管理的现象。笔者认为，象　无锡市将城市亮化管理办公室和路灯管理处设置存一　（上接第２３页）　来，借助于二维、三维互补的城市道路照明信息模型，　城市道路照明中的空间数据仓库体系，与一般的　大型ＧＩＳ空间数据仓库体系一样，是由ＧＩＳ源数据、　数据处理、空间数据仓库、仓库管理及数据分析工具　共５大部分组成。空间数据仓库作为城市道路照明数　字化的信息源管理者与逻辑提供者，能对城市道路照　明中的海量空间数据及其属性数据进行有效的组织管　理，并综合运用多学科领域的思想。方法和技术，对　这些数据进行标准化、优化、分类、聚集等空间数据　获得城市道路照明地理坐标所描述的三维空间位置上　每一点的全部城市道路照明信息，并提供有效、方便　和直观的检查、显示与分析手段，最终实现城市道路　照明三维空间位置及属性信息的可视化框架。可视化　技术使人能够在三维虚拟世界中对具体形体的信息进　行操作和分析，它包括色彩处理、纹理映射、动画、雾　化效果、透明处理。　４结语　城市道路照明的数字化仿真是通过数据库与仿真　技术相结合，将城市道路照明矢量化和网络化，实现　挖掘操作，得到无缝集成的空间数据源，以满足数字　照明的应用与服务对信息源的需求。　３，３互操作　城市道路照明数字化仿真系统具有开放性的系统　结构和开放性的平台层次结构。城市道路照明系统的　顺利运行依赖于其中各层次子系统问的信息交换，系　统中的任何～‘项典型的行为都会牵涉到多层次、多部　门的信息交换。城市道路照明数字化仿真系统中互操　作性不仪可以【口Ｊ答普遍存在的城市道路照明信息不能　互相操作的问题，提出解决共享、交换、互操作等问　题的方法，解决城市道路照明信息不能互操作给各领　域带来的负面影响而且有效地利用已有的城市道路　旦｛｛明信息系统资源，城市道路照明的数字化的实现奠　定基础。　多用户同时编辑、修改使用该系统，实现城市道路照　明数据库实时刷新。当前有关数字城市研究的热点问　题主要是海量数据的管理、数据共享与互操作以及三　维可视化系统的研究等，这些技术也是城市道路照明　数字化仿真实现的关键。　参考文献：　【ｌ】刘波・数字照明技术研究・　道路照明　，２００３．１２．　【２］ＲＰ一８—００　Ａｍｅｒｉｃａｎ　Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｓｔａｎｄａｒｄ　Ｐｒａｃｔｉｃｅ　ｆｏｒ　Ｒｏａｄｗａｙ　Ｌｉｇｈｔｉｎｇ．　【３】吴重光主编．仿真技术．北京．化学工业出版社．２０００　【４】秦林祥，杨泰敏编．计算方法．北京．兵器工业出版　社．１９８０．　３．４城币道路照明的可税　６ｉ　【５】庞蕴凡・　视觉与照明》，中国铁道出版社，１９９３．　【６】项震、Ｉｔｆ。关荣・道路照明的计算机仿真，　照明工　程学报》，２００１年９月．　城市道路照明的交互式三维可视化技术致力于将　不同区域的各种城市道路照明信息通过互联网组织起