基于GIS开发的道路照明分析系统

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，还需要有對测量数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。B071053F-FFEC-4FBC-9986-1D2660FD51B5

3.2 结果可视化分析

在道路照明分析系统中对长江大学武汉校区的照度测量数据进行分析，得到的道路照明可视化分析结果如图2所示，下面按照表2中不同级别道路的照明标准值对道路进行分析。

涉江路位于长江大学武汉校区连接教学区域与学生宿舍及图书馆的位置，同时也是机动车与人行混合使用的道路，属于1级道路;伯牙路与子期路是长江大学武汉校区的环路，是校内车辆行驶的主要道路，属于1级道路，科技路位于石油科技大楼前，是通向石油科技大楼的主路，每晚会有大量的老师和同学完成科研任务返回寝室经过此路，属于2级道路。从表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别为25.14lx、22.88lx、21.36lx和14.84lx，最小照度值为12.3lx、10.8lx、7.2lx、4.8lx，平均照度值和最小照度值分别超过了1级、2级道路照明标准值，且其照度均匀度较好，在0.323～0.489之间，能够在夜晚为师生提供良好的照明条件。如图3（a）所示为涉江路道路照明可视化表达结果。

湖滨路位于学校东边，临湖而建，通往停车场，方便校内车辆出入，属于2级道路;进喜路位于校内宿舍楼西边，是人流量较少的路段，属于4级道路;从表3可看出，湖滨路和进喜路路面平均照度为10.87lx和7.65lx，分别达到了2级道路和4级道路的平均路面维持值，而它们的最小照度值分别为0.3lx和0.2lx，没有达到相应等级道路的最小路面照度维持值，且这两条道路的照度均匀度均较差，只有0.028和0.026。图3（b）是湖滨路的照度可视化结果，虽然平均照度能够达标，但只是距离路灯较近的位置照度较大，而远离路灯的位置照度几乎为零，照度的空间分布不合理，需要适当地进行调整，比如降低单个照明灯的照度而加密照明路灯个数，来改善照明环境，进喜路的情况和湖滨路一样。

润泽大道是进入校区大门的一条主路，学生住在校园外的华林公寓，进出校园都要经过此路，每晚都有大量的车辆和密集的人流通过，属于1级道路。润泽大道路面平均照度为9.55lx、最小照度值为2.9lx，均未达到1级道路标准值，但其照度均匀度较好。从图3（c）可视化结果可看出，润泽大道路面照度偏低，可考虑提高照明设施的功率来改善照明环境。

知音路是通向石油科技大楼的辅路，每晚有大量的车辆和密集的人流在此经过，属于2级道路;长新路、博学路以及厚德路均位于教学楼和实验楼之间，是学生每天的必经之路，人流量较大，均属于2级道路;图书馆路位于图书馆西边，是人流量较少的路段，属于4级道路。从表3可知，知音路、长新路、博学路、厚德路、图书馆路平均照度为4.05lx、2.32lx、4.85lx、1.24lx、4.86lx和0.78lx，最小照度值为0.2lx、0.1lx、0.9lx、0.1lx、1.1lx和0.1lx，这几条道路的平均照度值和最小照度值均未达到标准，并且照度均匀度也很差，在0.043～0.226之间。从图3（d）可视化结果可知，知音路照明环境亟需改善，在距离路灯近的位置路面照度很大，而远离路灯的位置其照度几乎为零，不能够提供良好的道路照明环境。对于知音路、长新路、博学路、厚德路以及图书馆路可考虑同时提高照明设施的功率和增设路灯来改善照明环境。

4 结束语

随着建设美丽中国的不断推进，当今社会对道路照明节能降耗的要求越来越高。本文基于ArcEngine设计开发的道路照明分析系统，能够对道路照明数据进行分析和可视化表达，克服了人工对道路照明分析的局限性，分析结果能为道路照明状况的改善提出科学合理的建议。

基于本系统对长江大学武汉校区的道路照明现状进行可视化分析，发现涉江路、科技路、伯牙路、子期路路面平均照度较好，照度均匀度较高，最小照度也符合标准值;润泽大道虽然路面照度均匀度较好，但路面平均照度和最小照度均未达到标准值;湖滨路和进喜路，虽然路面平均照度达标，但照度的空间分布不合理，照度均匀度较差，并且最小照度未达到标准值;知音路、长新路、博学路、厚德路、图书馆路路面平均照度较低，路面照度均匀度较差，最小照度也未达到标准值。针对分析结果，给出了如下改善照明环境的建议：

1）对于平均照度超过标准，但照度均匀度较低，最小照度低于标准的湖滨路和进喜路，建议考虑更换低功率灯具并增设路灯，加密光照区域，来提高路面照度均匀度，同时在保证路面平均照度达标的条件下更换低功率灯具节能降耗;

2）对于照度均匀度较好，但平均照度低于标准，最小照度也未达标的润泽大道建议更换大功率灯具，以满足道路照明需求;

3）对于平均照度低、照度均匀度较差，最小照度也不符合标准的图书馆路、知音路、博学路、长新路、厚德路，建议考虑更换大功率路灯，同时增加路灯个数，来改善道路照明环境。

参考文献：

[1] 李茂伟.基于GIS的路灯控制管理系统[D].北京：华北电力大学，2019.

[2] 姜晓斌.智能路灯照明管理系统的设计与实现[D].上海：上海交通大学，2017.

[3] 王娜，左冠涛，刘洋.基于GIS的校园路灯智能管理系统[J].金田，2013（9）：344.

[4] 杨小军，万慧，龙旭雲.浅谈城市道路照明的节能设计管理与控制[J].江西电力，2021，45（6）：34-35，50.

[5] 王晓晨，刘鸣，左梅，等.校园道路功能照明的低碳化评价研究[J].灯与照明，2011，35（1）：6-9.

[6] 黄渝生.道路照明节能的探讨[J].中国科技信息，2006（9）：214-215.

[7] 中华人民共和国建设部.城市道路照明设计标准：CJJ 45—2006[S].北京：中国建筑工业出版社，2007.

[8] 国家标准化管理委员会.照明测量方法：GB/T 5700—2008[S].北京：中国标准出版社，2009.

[9] 牟乃夏，王海银，李丹.ArcGIS Engine地理信息系统开发教程：基于C#.NET[M].北京：测绘出版社，2015.

【通联编輯：谢媛媛】B071053F-FFEC-4FBC-9986-1D2660FD51B5