張凇源 蔡永香 劉景潔 林思奇 胡苛榆

摘要：城市照明是我國節(jié)約資源、實現可持續(xù)發(fā)展的一項社會性工程。城市中一些道路照明的分布存在著不合理性，可能造成大量資源浪費，同時還有一些道路由于燈具老化等原因，導致路燈照度降低，這給人們的夜間出行帶來諸多不便。利用GIS空間分析技術，基于ArcEngine設計開發(fā)了一個道路照明分析系統(tǒng)，可對道路照明數據進行分析，并可視化地表達出研究區(qū)域的道路照明情況;基于該系統(tǒng)對長江大學武漢校區(qū)的道路照明情況進行了可視化分析，其結論和建議能為道路照明的節(jié)電改造降耗等提供科學參考，為路燈管控提供定量支持。

關鍵詞：ArcEngine;道路照明;可視化分析;節(jié)能改造

中圖分類號：TP311.1? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）15-0043-03

隨著經濟的發(fā)展，人們對居住條件和照明環(huán)境的要求也在不斷提高。道路照度不足，不方便人們的夜間活動，甚至存在安全隱患;道路照度過量，又會造成資源浪費，帶來環(huán)境污染。因此，一些研究人員展開了有關路燈照明管控方面的研究。

華北電力大學的李茂偉[1]在驅動管理一體化LED路燈終端的基礎上，研究了基于GIS的路燈控制管理系統(tǒng)，提高了監(jiān)控管理效率;上海交通大學姜曉斌[2]建立了一個智能路燈照明管理系統(tǒng)平臺，用于更便利地管理城市的路燈照明。研究人員圍繞道路照明智能管控這一方向，進行了一系列的研究[3-6]。

對區(qū)域空間照度進行分析和可視化表達是照明系統(tǒng)高效管控的基礎，本研究建設一個基于GIS的道路照度分析系統(tǒng)，并基于該系統(tǒng)對長江大學武漢校區(qū)的道路照明情況進行了可視化分析，其分析結果能為道路照明改造提供科學參考。

1 照明標準與測量

1.1 道路分類標準

《城市道路照明設計標準》（CJJ 45—2015）[7]中將道路根據人流量的不同，分為了4個類型等級：1）高流量道路;2）流量較高的道路;3）流量中等的道路;4）流量較低的道路。并對不同種類型道路給出了平均照度、最小照度的標準值，如表1所示。

1.2 測量方法

根據《照明測量方法》（GB/T 5700-2008）[8]的要求，照度測量可采用四點法或中心點法進行。四點法是指將測量區(qū)域劃分為大小相同的矩形網格，每個矩形網格的四個角即為測點[8]。中心點法是指將測量區(qū)域劃分為大小相等的矩形網格，每個矩形網格的中心即為測點[8]。

除了測量點外，在進行照度可視化時，道路上其他空間點位的照度可用空間插值獲得。

2 系統(tǒng)設計與實現

2.1 系統(tǒng)設計

本系統(tǒng)的目的是基于GIS空間分析技術，對照度數據進行分析，可視化地表達出道路照度的空間分布狀況。因此，本系統(tǒng)除了兼具GIS系統(tǒng)所需的數據加載與編輯、圖層管理、顯示與導出等功能外，還需要有對測量數據進行照明分析以及可視化表達等功能?；谝陨闲枨螅M行了系統(tǒng)設計，系統(tǒng)總體框架如圖3所示。系統(tǒng)一共分為四個功能模塊，分別是數據加載與輸出、地圖功能、數據處理、照明分析，每個模塊又包含若干個子功能。系統(tǒng)在Visual Studio 2010開發(fā)環(huán)境下調用ArcEngine 10.2 組件編程實現。系統(tǒng)主界面分為菜單欄、圖層管理、主視圖、鷹眼視圖以及坐標顯示等5個區(qū)域，調用ArcEngine提供的MapControl、TOCControl、ToolbarControl等控件完成。

2.2 系統(tǒng)實現

數據加載與地圖導出，該模塊包括三個部分，數據加載、地圖保存和地圖導出。ArcEngine提供的相關接口和方法可以實現數據加載[9]。數據輸出可分為地圖保存和地圖導出，地圖文檔的保存可分為地圖保存和另存為，通過調用IMapDocument接口可實現，地圖導出可用IActiveView接口中的output方法實現。

地圖功能分為地圖瀏覽、地圖標注和圖層管理三個部分。地圖瀏覽功能可通過調用MapControl提供的方法、屬性或者函數實現[9]。地圖標注實現的方式有兩種，一是TextElement標注，即將地圖中某一圖層的某一屬性值顯示在地圖上，二是MapTips顯示，當鼠標停留在某一個要素顯示標注，可以避免地圖上顯示的內容過多造成信息擁擠。圖層管理功能在系統(tǒng)中即為TOCControl的右鍵事件，只需要添加ContextMenuStrip控件，然后在這個控件中添加圖層管理的功能即可實現。

照明數據處理，用照度測量相關儀器進行照度測量獲取部分數據，其余數據可通過空間插值得到。但在插值過程中，有些區(qū)域插值會出現照度值為負的情況，可使用條件分析功能將照度為負的值修改為0。條件分析功能主要使用IConditionalOp接口以及RasterConditionalOpClass類來實現。

照明分析和可視化表達，空間分析是地理信息系統(tǒng)軟件區(qū)別于其他計算機軟件的重要特點。在ArcMap軟件中，空間分析的工具均存放在ArcToolbox中，進行二次開發(fā)時，可通過調用Geoprocessor類實現空間分析功能。本系統(tǒng)通過調用GP工具，實現了道路照明分析和可視化表達的功能。柵格渲染用于將照度可視化結果數據進行渲染，可根據需要進行拉伸渲染或分類渲染。圖層透明是將某些圖層根據需求設置為透明，方便用戶查看可視化分析表達結果時，也能看清底圖。

3 實驗數據可視化分析

3.1 實驗數據獲取

根據校園內道路的人車流量實際情況，首先按照道路分類標準進行了道路級別的劃分，結果如表2所示，其次，對長江大學武漢校區(qū)的校園道路進行照度測量，在本研究中，主要使用ST-9813數字照度計和SW-M100紅外線測距儀進行照度測量，測量時間為20：00-23：00。然后進行路面平均照度和照度均勻度的計算，結果如表3所示。B071053F-FFEC-4FBC-9986-1D2660FD51B5

3.2 結果可視化分析

在道路照明分析系統(tǒng)中對長江大學武漢校區(qū)的照度測量數據進行分析，得到的道路照明可視化分析結果如圖2所示，下面按照表2中不同級別道路的照明標準值對道路進行分析。

涉江路位于長江大學武漢校區(qū)連接教學區(qū)域與學生宿舍及圖書館的位置，同時也是機動車與人行混合使用的道路，屬于1級道路;伯牙路與子期路是長江大學武漢校區(qū)的環(huán)路，是校內車輛行駛的主要道路，屬于1級道路，科技路位于石油科技大樓前，是通向石油科技大樓的主路，每晚會有大量的老師和同學完成科研任務返回寢室經過此路，屬于2級道路。從表3可看出，涉江路、伯牙路、子期路和科技路其路面照度平均值分別為25.14lx、22.88lx、21.36lx和14.84lx，最小照度值為12.3lx、10.8lx、7.2lx、4.8lx，平均照度值和最小照度值分別超過了1級、2級道路照明標準值，且其照度均勻度較好，在0.323～0.489之間，能夠在夜晚為師生提供良好的照明條件。如圖3（a）所示為涉江路道路照明可視化表達結果。

湖濱路位于學校東邊，臨湖而建，通往停車場，方便校內車輛出入，屬于2級道路;進喜路位于校內宿舍樓西邊，是人流量較少的路段，屬于4級道路;從表3可看出，湖濱路和進喜路路面平均照度為10.87lx和7.65lx，分別達到了2級道路和4級道路的平均路面維持值，而它們的最小照度值分別為0.3lx和0.2lx，沒有達到相應等級道路的最小路面照度維持值，且這兩條道路的照度均勻度均較差，只有0.028和0.026。圖3（b）是湖濱路的照度可視化結果，雖然平均照度能夠達標，但只是距離路燈較近的位置照度較大，而遠離路燈的位置照度幾乎為零，照度的空間分布不合理，需要適當地進行調整，比如降低單個照明燈的照度而加密照明路燈個數，來改善照明環(huán)境，進喜路的情況和湖濱路一樣。

潤澤大道是進入校區(qū)大門的一條主路，學生住在校園外的華林公寓，進出校園都要經過此路，每晚都有大量的車輛和密集的人流通過，屬于1級道路。潤澤大道路面平均照度為9.55lx、最小照度值為2.9lx，均未達到1級道路標準值，但其照度均勻度較好。從圖3（c）可視化結果可看出，潤澤大道路面照度偏低，可考慮提高照明設施的功率來改善照明環(huán)境。

知音路是通向石油科技大樓的輔路，每晚有大量的車輛和密集的人流在此經過，屬于2級道路;長新路、博學路以及厚德路均位于教學樓和實驗樓之間，是學生每天的必經之路，人流量較大，均屬于2級道路;圖書館路位于圖書館西邊，是人流量較少的路段，屬于4級道路。從表3可知，知音路、長新路、博學路、厚德路、圖書館路平均照度為4.05lx、2.32lx、4.85lx、1.24lx、4.86lx和0.78lx，最小照度值為0.2lx、0.1lx、0.9lx、0.1lx、1.1lx和0.1lx，這幾條道路的平均照度值和最小照度值均未達到標準，并且照度均勻度也很差，在0.043～0.226之間。從圖3（d）可視化結果可知，知音路照明環(huán)境亟需改善，在距離路燈近的位置路面照度很大，而遠離路燈的位置其照度幾乎為零，不能夠提供良好的道路照明環(huán)境。對于知音路、長新路、博學路、厚德路以及圖書館路可考慮同時提高照明設施的功率和增設路燈來改善照明環(huán)境。

4 結束語

隨著建設美麗中國的不斷推進，當今社會對道路照明節(jié)能降耗的要求越來越高。本文基于ArcEngine設計開發(fā)的道路照明分析系統(tǒng)，能夠對道路照明數據進行分析和可視化表達，克服了人工對道路照明分析的局限性，分析結果能為道路照明狀況的改善提出科學合理的建議。

基于本系統(tǒng)對長江大學武漢校區(qū)的道路照明現狀進行可視化分析，發(fā)現涉江路、科技路、伯牙路、子期路路面平均照度較好，照度均勻度較高，最小照度也符合標準值;潤澤大道雖然路面照度均勻度較好，但路面平均照度和最小照度均未達到標準值;湖濱路和進喜路，雖然路面平均照度達標，但照度的空間分布不合理，照度均勻度較差，并且最小照度未達到標準值;知音路、長新路、博學路、厚德路、圖書館路路面平均照度較低，路面照度均勻度較差，最小照度也未達到標準值。針對分析結果，給出了如下改善照明環(huán)境的建議：

1）對于平均照度超過標準，但照度均勻度較低，最小照度低于標準的湖濱路和進喜路，建議考慮更換低功率燈具并增設路燈，加密光照區(qū)域，來提高路面照度均勻度，同時在保證路面平均照度達標的條件下更換低功率燈具節(jié)能降耗;

2）對于照度均勻度較好，但平均照度低于標準，最小照度也未達標的潤澤大道建議更換大功率燈具，以滿足道路照明需求;

3）對于平均照度低、照度均勻度較差，最小照度也不符合標準的圖書館路、知音路、博學路、長新路、厚德路，建議考慮更換大功率路燈，同時增加路燈個數，來改善道路照明環(huán)境。

參考文獻：

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[9] 牟乃夏，王海銀，李丹.ArcGIS Engine地理信息系統(tǒng)開發(fā)教程：基于C#.NET[M].北京：測繪出版社，2015.

【通聯(lián)編輯：謝媛媛】B071053F-FFEC-4FBC-9986-1D2660FD51B5