基于GIS开发的道路照明分析系统
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作者:张凇源 蔡永香 刘景洁 林思奇 胡苛榆
摘要：城市照明是我国节约资源、实现可持续发展的一项社会性工程。城市中一些道路照明的分布存在着不合理性，可能造成大量资源浪费，同时还有一些道路由于灯具老化等原因，导致路灯照度降低，这给人们的夜间出行带来诸多不便。利用GIS空间分析技术，基于ArcEngine设计开发了一个道路照明分析系统，可对道路照明数据进行分析，并可视化地表达出研究区域的道路照明情况;基于该系统对长江大学武汉校区的道路照明情况进行了可视化分析，其结论和建议能为道路照明的节电改造降耗等提供科学参考，为路灯管控提供定量支持。
关键词：ArcEngine;道路照明;可视化分析;节能改造
中图分类号：TP311.1 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2022）15-0043-03
随着经济的发展，人们对居住条件和照明环境的要求也在不断提高。道路照度不足，不方便人们的夜间活动，甚至存在安全隐患;道路照度过量，又会造成资源浪费，带来环境污染。因此，一些研究人员展开了有关路灯照明管控方面的研究。
华北电力大学的李茂伟[1]在驱动管理一体化LED路灯终端的基础上，研究了基于GIS的路灯控制管理系统，提高了监控管理效率;上海交通大学姜晓斌[2]建立了一个智能路灯照明管理系统平台，用于更便利地管理城市的路灯照明。研究人员围绕道路照明智能管控这一方向，进行了一系列的研究[3-6]。
对区域空间照度进行分析和可视化表达是照明系统高效管控的基础，本研究建设一个基于GIS的道路照度分析系统，并基于该系统对长江大学武汉校区的道路照明情况进行了可视化分析，其分析结果能为道路照明改造提供科学参考。
1 照明标准与测量
1.1 道路分类标准
《城市道路照明设计标准》（CJJ 45―2015）[7]中将道路根据人流量的不同，分为了4个类型等级：1）高流量道路;2）流量较高的道路;3）流量中等的道路;4）流量较低的道路。并对不同种类型道路给出了平均照度、最小照度的标准值，如表1所示。
1.2 测量方法
根据《照明测量方法》（GB/T 5700-2008）[8]的要求，照度测量可采用四点法或中心点法进行。四点法是指将测量区域划分为大小相同的矩形网格，每个矩形网格的四个角即为测点[8]。中心点法是指将测量区域划分为大小相等的矩形网格，每个矩形网格的中心即为测点[8]。
除了测量点外，在进行照度可视化时，道路上其他空间点位的照度可用空间插值获得。
2 系统设计与实现
2.1 系统设计
本系统的目的是基于GIS空间分析技术，对照度数据进行分析，可视化地表达出道路照度的空间分布状况。因此，本系统除了兼具GIS系统所需的数据加载与编辑、图层管理、显示与导出等功能外，还需要有Σ饬渴据进行照明分析以及可视化表达等功能。基于以上需求，进行了系统设计，系统总体框架如图3所示。系统一共分为四个功能模块，分别是数据加载与输出、地图功能、数据处理、照明分析，每个模块又包含若干个子功能。系统在Visual Studio 2010开发环境下调用ArcEngine 10.2 组件编程实现。系统主界面分为菜单栏、图层管理、主视图、鹰眼视图以及坐标显示等5个区域，调用ArcEngine提供的MapControl、TOCControl、ToolbarControl等控件完成。
2.2 系统实现
数据加载与地图导出，该模块包括三个部分，数据加载、地图保存和地图导出。ArcEngine提供的相关接口和方法可以实现数据加载[9]。数据输出可分为地图保存和地图导出，地图文档的保存可分为地图保存和另存为，通过调用IMapDocument接口可实现，地图导出可用IActiveView接口中的output方法实现。
地图功能分为地图浏览、地图标注和图层管理三个部分。地图浏览功能可通过调用MapControl提供的方法、属性或者函数实现[9]。地图标注实现的方式有两种，一是TextElement标注，即将地图中某一图层的某一属性值显示在地图上，二是MapTips显示，当鼠标停留在某一个要素显示标注，可以避免地图上显示的内容过多造成信息拥挤。图层管理功能在系统中即为TOCControl的右键事件，只需要添加ContextMenuStrip控件，然后在这个控件中添加图层管理的功能即可实现。
照明数据处理，用照度测量相关仪器进行照度测量获取部分数据，其余数据可通过空间插值得到。但在插值过程中，有些区域插值会出现照度值为负的情况，可使用条件分析功能将照度为负的值修改为0。条件分析功能主要使用IConditionalOp接口以及RasterConditionalOpClass类来实现。
照明分析和可视化表达，空间分析是地理信息系统软件区别于其他计算机软件的重要特点。在ArcMap软件中，空间分析的工具均存放在ArcToolbox中，进行二次开发时，可通过调用Geoprocessor类实现空间分析功能。本系统通过调用GP工具，实现了道路照明分析和可视化表达的功能。栅格渲染用于将照度可视化结果数据进行渲染，可根据需要进行拉伸渲染或分类渲染。图层透明是将某些图层根据需求设置为透明，方便用户查看可视化分析表达结果时，也能看清底图。
3 实验数据可视化分析
3.1 实验数据获取
根据校园内道路的人车流量实际情况，首先按照道路分类标准进行了道路级别的划分，结果如表2所示，其次，对长江大学武汉校区的校园道路进行照度测量，在本研究中，主要使用ST-9813数字照度计和SW-M100红外线测距仪进行照度测量，测量时间为20：00-23：00。然后进行路面平均照度和照度均匀度的计算，结果如表3所示。
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