關(guān)鍵詞：日照時(shí)長(zhǎng)；期房采光；光照分析；Unity3D；虛擬仿真

1 概述

隨著房地產(chǎn)市場(chǎng)的蓬勃發(fā)展，期房銷售已成為房地產(chǎn)開發(fā)商的重要銷售策略之一。然而，購買期房的最大挑戰(zhàn)在于購房者未能直接看到實(shí)物效果。開發(fā)商為了提高利潤(rùn)而縮小樓間距，導(dǎo)致了一系列問題，包括光照不足、景觀視野受限等不利因素?zé)o法評(píng)估，從而增加了購房者的決策難度和不確定性[1]。因此，研究一種能夠準(zhǔn)確且直觀地分析目標(biāo)期房光照的定量分析系統(tǒng)，對(duì)于提升購房體驗(yàn)、增強(qiáng)購房者信心以及促進(jìn)房地產(chǎn)市場(chǎng)的健康發(fā)展具有重要意義。

使用虛擬仿真技術(shù)，可以構(gòu)建高度逼真的三維虛擬環(huán)境[2]。該環(huán)境包含建筑設(shè)計(jì)及周邊影響因素，并結(jié)合不同地區(qū)的緯度以及不同季節(jié)的光照條件，實(shí)現(xiàn)對(duì)期房不同采光點(diǎn)的光照情況進(jìn)行定量分析[3-8]。這樣，用戶能夠獲得直觀的沉浸式體驗(yàn)。通過準(zhǔn)確計(jì)算并展示光照分布、時(shí)長(zhǎng)等關(guān)鍵參數(shù)，幫助購房者直觀感受房屋交付時(shí)的光照條件和景觀視野，使指標(biāo)明確化，從而降低購房風(fēng)險(xiǎn)。

2 系統(tǒng)中的相關(guān)技術(shù)

2.1 三維場(chǎng)景仿真

根據(jù)相關(guān)建筑參數(shù)，使用3D軟件進(jìn)行建模，1：1 還原現(xiàn)實(shí)中的場(chǎng)景。通過攝像機(jī)的多角度旋轉(zhuǎn)，用戶能夠在三維場(chǎng)景中以不同視角全景觀察房屋外觀和周圍環(huán)境。系統(tǒng)通過虛擬仿真技術(shù)，為用戶提供更加直觀的房屋受光情況展示。

2.2 光照模擬

Unity提供了一系列用于模擬和渲染場(chǎng)景中光照效果的技術(shù)和功能。根據(jù)不同季節(jié)的日照位置，通過射線對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)運(yùn)算，實(shí)時(shí)計(jì)算出某一時(shí)段內(nèi)光照的傳播和反射。結(jié)合光照貼圖、反射探針等技術(shù)，使場(chǎng)景中的光照效果更加真實(shí)。

2.3 Shader

Shader 技術(shù)應(yīng)用于系統(tǒng)的圖形渲染，合理設(shè)計(jì)Shader能夠?qū)崿F(xiàn)更加真實(shí)的視覺效果，增強(qiáng)用戶在虛擬環(huán)境中的沉浸感。Shader能夠在虛擬場(chǎng)景中呈現(xiàn)出更具質(zhì)感和真實(shí)感的外觀，為系統(tǒng)提供更高水平的圖形表現(xiàn)能力，從而為用戶提供更真實(shí)的選房預(yù)覽體驗(yàn)。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

期房采光定量分析系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)包括小區(qū)模擬仿真、太陽光照模擬和光照時(shí)長(zhǎng)分析等。首先，采集期房的建筑結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、地理位置和周邊環(huán)境數(shù)據(jù)，將小區(qū)進(jìn)行數(shù)字模型化。然后，通過光照系統(tǒng)模擬出不同時(shí)間點(diǎn)的光照情況，再根據(jù)采光分析算法計(jì)算在特定時(shí)間段內(nèi)觀測(cè)點(diǎn)所接收到的光照時(shí)長(zhǎng)。利用Unity的光照系統(tǒng)，對(duì)仿真模擬的小區(qū)光照進(jìn)行實(shí)時(shí)渲染，通過輸入連續(xù)時(shí)間點(diǎn)計(jì)算出太陽軌跡，并利用RayCast對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，最后調(diào)用光照時(shí)長(zhǎng)算法，計(jì)算出監(jiān)測(cè)點(diǎn)的采光情況。系統(tǒng)流程和框架如圖1所示。

3.1 小區(qū)模擬

通過Unity的事件處理機(jī)制監(jiān)聽用戶輸入，根據(jù)售樓時(shí)提供的布局圖獲取房屋的基本參數(shù)，如所處城市（緯度）、朝向、長(zhǎng)寬高、間距等。然后，將房屋模型動(dòng)態(tài)實(shí)例化，并將這些參數(shù)傳遞給新生成的房屋實(shí)例。通過調(diào)整房屋的Scale、Rotation和Position，實(shí)現(xiàn)對(duì)房屋基本屬性的修改。

針對(duì)不同房屋結(jié)構(gòu)，使用字典數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)不同形狀的模型，包括板樓、類板樓、塔樓等。系統(tǒng)根據(jù)需求獲取相應(yīng)的模型，并將其賦值給新建房屋對(duì)象，以實(shí)現(xiàn)對(duì)房屋類型的靈活定制。采用LineRenderer組件實(shí)現(xiàn)間距可視化，以便直觀展示房屋間的位置。

此外，根據(jù)不同城市的緯度、不同日期的日射角度以及各配置小區(qū)的條件，系統(tǒng)還原場(chǎng)景中影響光照時(shí)長(zhǎng)的各種因素，如圖2所示。

3.2 光照模擬

設(shè)計(jì)采用Unity引擎內(nèi)置的光照系統(tǒng)來模擬太陽的運(yùn)行軌跡，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的光影效果。系統(tǒng)使用Light組件，特別是借助Directional Light來模擬太陽光的照射效果。在這種模式下，所有的燈光將進(jìn)行實(shí)時(shí)渲染，并以每秒60幀的速度更新光線照射到場(chǎng)景中的情況。

系統(tǒng)通過動(dòng)態(tài)地更改Directional Light組件的位置和朝向，實(shí)現(xiàn)對(duì)房屋從不同角度的照射效果。這種動(dòng)態(tài)光照不僅為房屋場(chǎng)景增添了更為真實(shí)和細(xì)致的光影效果，還能夠準(zhǔn)確地反映出不同時(shí)間段內(nèi)光照的變化，為用戶提供更直觀的光照信息，如圖3所示。

3.3 光照時(shí)長(zhǎng)計(jì)算

在光照時(shí)長(zhǎng)的計(jì)算中，研究采用了NOAA（Na?tional Oceanic and Atmospheric Administration） 的算法。通過以下公式計(jì)算太陽方位角和高度角，以及測(cè)試日期太陽總光照時(shí)間。

利用太陽高度角、方位角和時(shí)間，可以計(jì)算出太陽在某一時(shí)間的位置。系統(tǒng)通過輸入連續(xù)的時(shí)間來模擬太陽軌跡，最后通過監(jiān)測(cè)點(diǎn)來模擬被照射時(shí)間，計(jì)算太陽高度角和方位角。

其中，Azimuth 為方位角，表示太陽光線在地平面上的投影與正南方向的夾角；H 為時(shí)角，表示太陽相對(duì)于當(dāng)?shù)卣绲奈恢?；A 為赤緯角，表示太陽直射點(diǎn)相對(duì)于地球赤道的角度。

綜合考慮時(shí)間、緯度及年月份等核心因素，系統(tǒng)精確計(jì)算某一時(shí)刻的太陽高度角與方位角，從而推算出太陽的準(zhǔn)確位置。在運(yùn)行時(shí)，每幀對(duì)應(yīng)5秒，都會(huì)計(jì)算一次太陽高度角與方位角，并實(shí)時(shí)更新太陽位置。系統(tǒng)從太陽位置向預(yù)定的監(jiān)測(cè)點(diǎn)發(fā)出射線，如果在途中與物體發(fā)生碰撞，則迅速捕捉到相關(guān)屬性信息并進(jìn)行判斷。如果碰撞的對(duì)象是預(yù)設(shè)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，則該監(jiān)測(cè)點(diǎn)的模擬被照射時(shí)間將增加1。這種方法能夠精準(zhǔn)地追蹤和記錄每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)受到陽光照射的時(shí)長(zhǎng)，如圖4 所示。

對(duì)于監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)際被照射時(shí)間，通過以上方式得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)模擬被照射時(shí)間和太陽模擬運(yùn)行的總時(shí)間，可以通過兩者的比例和實(shí)際中太陽的總光照時(shí)長(zhǎng)計(jì)算出監(jiān)測(cè)點(diǎn)的現(xiàn)實(shí)被照射時(shí)長(zhǎng)：

其中，RT 為監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)際被照射時(shí)間，VT 為監(jiān)測(cè)點(diǎn)的模擬被照射時(shí)間，AT 為系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)，得到的監(jiān)測(cè)點(diǎn)被照射時(shí)間與實(shí)際時(shí)間的誤差就越小。

4 使用結(jié)果與分析

最后，對(duì)本文實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)進(jìn)行了多組測(cè)試，以觀察運(yùn)行狀況和驗(yàn)證準(zhǔn)確性。測(cè)試選取了湖南婁底、湖北武漢等多個(gè)地區(qū)進(jìn)行。其中，在婁底根據(jù)某小區(qū)布局圖結(jié)合周邊參數(shù)生成模型，如圖2所示。測(cè)試點(diǎn)選定在2棟和3棟，分別為22層和23層，層高2.8米，工字型A類結(jié)構(gòu)，朝向正北，所在城市緯度為27.73°。影響采光的因素見表1。

測(cè)試日期設(shè)置為3月26日和冬至的12月22日。在3月26日15點(diǎn)整時(shí)，對(duì)2棟和3棟的光照效果進(jìn)行了模擬和實(shí)際測(cè)量，結(jié)果分別如圖5所示。模擬與實(shí)際效果基本保持一致。

在冬至日的測(cè)試中，2棟7樓和8樓的日照時(shí)長(zhǎng)分別為2.19小時(shí)和3.96小時(shí)，而10樓和11樓的日照時(shí)長(zhǎng)分別為6小時(shí)和6.98小時(shí)。這些結(jié)果與實(shí)際測(cè)量時(shí)間基本吻合，最大誤差約為2%。這些數(shù)據(jù)表明，系統(tǒng)的測(cè)算結(jié)果具備較高的準(zhǔn)確性，購房者可以結(jié)合模擬結(jié)果與實(shí)際邊界值作出最優(yōu)選擇，從而在購房決策中作出更為明智的判斷。

5 結(jié)束語

本文研究基于NOAA的算法，在Unity3D引擎下實(shí)現(xiàn)了針對(duì)期房的采光定量分析。通過多參數(shù)的模擬，該系統(tǒng)能夠在不同地理位置、日期和時(shí)間下，準(zhǔn)確計(jì)算太陽照射的位置及其投射至房屋觀測(cè)點(diǎn)的光線軌跡，并對(duì)不同位置進(jìn)行日照時(shí)長(zhǎng)的精細(xì)計(jì)量。此外，場(chǎng)景的還原還能同時(shí)進(jìn)行景觀視野的預(yù)覽，從而突破了以往依賴經(jīng)驗(yàn)估算的局限，顯著增強(qiáng)了設(shè)計(jì)決策的客觀性和準(zhǔn)確性。

未來，系統(tǒng)將不斷深化其智能化程度和技術(shù)整合優(yōu)勢(shì)，全面考慮環(huán)境影響因素，為業(yè)主提供更精確、高效的分析服務(wù)。這將幫助業(yè)主預(yù)判采光效果，定制更加宜居且與現(xiàn)代生活需求高度契合的理想居所，確保每位業(yè)主都能享受到科技帶來的便捷與舒適，擁有更好的居住體驗(yàn)。