城市作为一个巨大的人工生态系统,为人类的聚居生活和生产活动提供了主要场所,在较长时间里社会、经济和环境因素均能保持一定动态平衡。然而,随着城市化进程的日益加快,城市管理低效、环境污染严重、可用能源紧缺等问题正严峻挑战着城市的和谐可持续发展。尤其是对大型城市,因人口数量巨大,需要消耗大量的资源和能源从事人类活动,其中城市电能消耗占总能源消耗比例较大。因此,为解决城市能源供给问题,促进城市低碳、绿色发展,应加快转变城市能源结构体系,逐步用可再生能源替代传统化石能源。城市发展逐渐由"摊大饼式"向"三维立体式"转变,紧凑型城市的低碳、绿色、可持续发展应在三维视角下进行研究,以促进自然环境系统与社会经济系统更加和谐。当前,多平台三维信息采集技术逐步发展,加速了城市三维空间信息数据的不断积累,为城市三维研究提供了强有力的数据保障。其中,机载LiDAR作为一种新型主动式遥感测量技术,已广泛应用于城市三维地理信息数据采集,该技术可以自动、连续、高效地采集地表三维点云,其数据具有组织结构简单、易被处理等特点。因此,在低碳城市、绿色城市和生态城市等建设背景下,需要探索机载LiDAR数据在城市可再生能源研究方面的潜力。建筑作为城市的主要景观,其大面积的规整表面为接受太阳辐射提供了良好区域,在建筑三维信息支撑下精细计算建筑表面太阳能利用潜力,将更加促进建筑自身能源消耗与能源供给的平衡。本文以全域测算城市级全域建筑屋顶及立面太阳能利用潜力,以及动态分析因建筑更新建设所引起的太阳能可利用变化为目标,以快速辨识城市建筑三维变化信息和构建建筑三维模型为出发点,以测算建筑屋顶及立面太阳能利用潜力和计算对应节能减排数据为主要中间过程,提出"城市三维变化检测—建筑屋顶三维重建—建筑太阳辐照度计算"研究框架,形成了一套较为完整的机载LiDAR点云城市建筑表面太阳能利用潜力测算方案。其中,城市级全域建筑屋顶及立面太阳能潜力估算,主要基于全域建筑LiDAR点云,精确重建建筑三维模型,在分析建筑表面几何结构的基础上,利用太阳辐射模型测算建筑表面太阳能利用潜力;对于因建筑更新建设所引起的建筑太阳能利用变化,将在检测出新建建筑LiDAR点云基础上,重建对应建筑三维模型并精细计算建筑表面太阳能利用潜力。此外,还将分析树木遮挡对建筑立面太阳辐射强弱的影响,以此更加促进对树木遮挡效应的认识。针对城市三维变化检测、建筑屋顶三维重建、建筑太阳辐照度计算的具体研究如下:(1)城市三维变化检测:提出基于八叉树索引和分类算法的城市建筑和树木三维变化检测方法。利用机载LiDAR数据对城市进行三维变化检测,存在城市场景复杂、数据离散化严重、空间覆盖范围广等多方面问题,不同时相数据集成利用较为困难,且传统基于LiDARDSM高程变化分析的方法较难同时实现城市建筑和树木三维变化检测。因此,研究引入八叉树空间数据结构,以三维点云空间位置比对为突破口,提出一种基于八叉树索引的机载LiDAR数据城市建筑和树木三维变化检测方法。该方法包括全要素点云配准、非地面点云提取、点云八叉树构建、基于八叉树的变化检测等步骤,实现了城市建筑和树木分离,确定具体变化类型,避免了传统基于LiDARDSM方法易受数据中间处理过程质量影响,且较难实现多地理要素三维变化检测的问题。实验结果表明,建筑和树木的变化检测精度较高,分别达到94.8%和83.8%,能有效应用于城市建筑和树木的一体化三维变化检测。(2)建筑屋顶三维重建:提出采用层间连接和屋顶面片平滑策略的建筑屋顶三维重建方法。利用机载LiDAR数据重建建筑屋顶,存在屋顶间拓扑连接关系较难确定,且易受点云不规则分布影响等方面的问题。研究以计算层间连接点为依托,提出一种采用层间连接和屋顶面片平滑策略的建筑屋顶三维重建方法。该方法包括建筑屋顶点检测、屋顶面片分割、屋顶面片平整、屋顶层间连接、屋顶三维模型重建等步骤,重建模型具有较高完整性和现实还原度,避免了当前多数数据驱动方法屋顶层间连接关系较难确定、屋脊线较难优化等问题。实验结果表明,建筑屋顶重建的完整率和正确率能分别达到90%和95%;在偏移距离评价方面,平均偏移距离和标准差最优可达0.05m和0.18 m,最差也低于0.12 m和0.25 m,验证了所提方法具有较好的正确性和可靠性。(3)建筑太阳辐照度计算:提出基于建筑三维模型的屋顶及立面太阳辐照度联合计算方法。利用机载LiDAR数据计算建筑表面太阳辐照度,仍主要集中在屋顶区域。研究以建筑三维模型为出发点,引入传统经验太阳辐照度计算模型,在分析建筑三维场景被遮挡情况以及天空散射影响的基础上,提出一种基于建筑三维模型的屋顶及立面太阳辐照度联合计算方法。该方法包括建筑模型三维点云采样、屋顶点云和立面点云分离、建筑遮挡分析、天空视域分析、太阳辐照度模型构建等步骤,能够同时计算屋顶及立面水平遮挡角度,并改进太阳散射辐照度模型,充分考虑了邻近建筑散射辐射对待计算建筑辐射的影响,一体化获取了屋顶及立面太阳辐照度。与当前主流商业建筑辐照度计算软件进行对比,结果表明所提方法与商业软件计算结果具有较高的吻合度,且当屋顶面积只占全部建筑面积30%的情况下,屋顶年太阳辐照约占建筑年太阳总辐照的60%,表明屋顶仍然是建筑接受太阳辐射的主要区域。本文在中国南京奥体新城(北纬32°1′11″,东经118°44′27″)计算了全域建筑屋顶及立面太阳能利用潜力相关信息,并分析了因建筑更新建设所引起的太阳能利用变化。南京奥体新城实验区覆盖面积约为30km~2,共有建筑5 216栋,建筑屋顶面积约5.52 km~2,立面面积约12.41 km~2。对全域建筑太阳能利用潜力进行分析,得出如下结论:①实验区屋顶年太阳辐射总量约10 197.18 GWh,光伏发电量约1 529.58 GWh,对应节约标准燃煤617.95 kt,减少CO2排放量1 333.79 kt;立面年太阳辐射总量约7 152.80 GWh,光伏发电量约1 072.92,对应节约标准燃煤433.46 kt,减少CO2排放量935.59 kt;②由计算得到的建筑表面太阳能可利用潜力数据可知,屋顶及立面太阳辐射的利用,将有效促进城市的低碳发展,而对于高层建筑立面太阳辐射的利用,将更加促进建筑本身能源供给与消耗平衡;③在太阳入射角随时间变化的情况下,建筑屋顶在夏季的太阳能光伏发电节能减排效果最佳,立面节能减排效果各季节基本相似;④建筑屋顶太阳能利用潜力和节能减排与坡向坡度存在明显的相关关系,当坡向在[100,250],坡度在[0,60]之间时,屋顶节能减排效果最好;⑤当建筑立面朝东南、南、西南时,相较于其他方向则具有更佳的太阳能利用潜力。进一步分析因建筑更新建设所引起的太阳能利用变化,以及树木遮挡对建筑立面太阳辐射的影响,在奥体新城实验区内新增建筑212栋,建筑屋顶面积约0.16 km~2,立面面积约0.43 km~2。分析结论如下:①建筑屋顶年太阳总辐射增加282.89 GWh,光伏发电量增加约42.43 GWh,对应可多节约标准燃煤17.14 kt,减少CO2排放量37.00kt;②建筑屋立面年太阳总辐射增加195.12 GWh,光伏发电量增加约29.27 GWh,对应可多节约标准燃煤11.83 kt,减少C02排放量25.53 kt;③因树木对建筑立面的遮挡,立面全年减少太阳总辐射约45.34GWh;④2月份,树木遮挡对建筑立面太阳辐射影响最为明显,每平方米一年太阳辐照度约减少 9.83 kWh。本文通过城市三维变化检测、建筑屋顶三维重建、建筑太阳辐照度计算的有机组合,对建筑表面太阳能利用潜力进行了计算和分析。所提出的基于八叉树索引的城市建筑和树木三维变化检测方法,提高了基于点方法检测地物目标变化的效率,实现了多目标的变化检测分析;而在建筑屋顶三维重建方面,采用的层间连接和面片平滑策略,实现了不同屋顶层的快速连接,保证了后续建筑屋顶三维重建的正确性;基于建筑三维模型的屋顶及立面太阳辐照度联合计算方法,一体化分析和计算了屋顶及立面点的遮挡情况,并充分考虑了邻近建筑对待计算建筑散射辐射的影响。然而,由于缺乏大面积的车载或地面LiDAR数据,本文无法重建获取建筑立面精细几何结构,故而在建筑立面辐照度的计算过程中,无法排除建筑墙面窗户等区域的影响。因此,在后续研究中,将综合应用多源、多平台数据,精细获取建筑立面可安装光伏发电设备区域,优化建筑立面太阳能利用潜力结果。