《Remote Sensing Applications: Society and Environment》：An accurate algorithm for 10m monthly mapping of tidal wetlands in the Yellow River Delta with satellite remote sensing
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城市三维阴影量化研究基于LiDAR数据构建数字孪生框架，系统分解建筑、植被及复合阴影的朝向与空间分辨率影响，揭示市中心建筑立面阴影主导、郊区植被地表覆盖占优的梯度特征，并证实5m以下分辨率下模型稳定性，30m分辨率显著偏差。
Roshan SAUD | Steven M. RICHTER
东卡罗来纳大学 D-206 Brewster Building 格林维尔，27858-4353 美国
摘要
量化城市阴影对于缓解城市热岛效应至关重要，然而现有的方法难以在复杂的三维城市环境和不同空间尺度上准确表示阴影。本研究提出了一种基于LiDAR的3D数字孪生框架，该框架系统地根据阴影来源（树木、建筑物和组合）、方向（屋顶、立面和地面）以及空间分辨率对城市阴影进行分解，为城市规模的分析提供了一种可复制的方法。使用高分辨率的机载LiDAR数据生成了高程模型，并将其与其他数据集结合，生成了地形、建筑物和植被的3D表示。在一致的太阳几何条件下对垂直和水平的阴影进行了建模。沿着城市到郊区的剖面，在多个分辨率（2米、5米、10米和30米）上评估了阴影效果，以评估分辨率的敏感性和可扩展性。结果表明，在城市核心区，建筑物阴影占主导地位，主要出现在立面上；而在郊区景观中，树木阴影占主导，主要覆盖地面——这反映了不同的空间模式。在城市核心区和郊区之外，所有剖面区域的屋顶阴影都非常少。模型分辨率的敏感性分析表明，在5米分辨率下阴影检测结果一致，而在10米分辨率下出现轻微差异（小于10%）；在30米分辨率下，特别是对于地面和屋顶表面，出现了显著偏差。这些发现通过提高对3D阴影分布如何随城市形态和空间分辨率变化的理解，为城市规划者和地理空间科学家提供了有价值的见解。
引言
在过去几十年中，城市化进程加快，据估计到2050年，70%的人口将居住在城市（Li等人，2022年；UNCTAD，2023年）。不透水表面的扩张和城市形态的改变扰乱了自然能量、空气和水文循环，导致城市热岛（UHI）的形成。城市热岛的影响不仅限于热不适，还增加了能源需求，加剧了与热相关的健康风险，对关键的城市基础设施造成了压力，并增加了经济负担。这些影响预计会因气候变化而加剧，从而阻碍社会、生态和基础设施系统的发展（Keith & Meerow，2022年；Miner等人，2017年）。在各种缓解城市热岛的策略中，阴影被广泛认为是最有效且在全球范围内最常实施的方法之一（Jamei等人，2020年）。尽管本研究没有直接测量温度，但许多研究已经证明了阴影在降低地表温度方面的有效性（Middel等人，2021年；Park等人，2021年；Rahman等人，2021年）。然而，有效的基于阴影的缓解措施需要关于阴影空间分布、驱动因素和区域分布的详细信息。尽管阴影作为缓解城市热岛的策略被广泛使用，但城市规划者和研究人员仍然缺乏关于阴影具体出现在何处、其来源是什么以及阴影建模的分辨率如何改变其分布的明确指导。
以往量化阴影的努力主要依赖于基于2D栅格的方法。Aleksandrowicz等人（2020年）使用数字表面模型（DSM）和“区域太阳辐射”（现已修改为栅格太阳辐射）推导出一个“阴影指数”，而Park等人（2023年）则汇总了多个太阳位置下的阴影输出。这两项研究主要使用二维栅格格式生成阴影，因此未能充分考虑生成真实阴影模型所需的三维形态。利用数字孪生技术进行3D阴影研究是一个新兴的研究领域，在城市可持续性和热韧性方面具有巨大潜力。Ujang等人（2018年）提出使用3D城市模型来模拟建筑物中的热量保持情况。同样，ESRI的开发影响分析软件包——最初用于评估拟议开发项目对其所在社区内的太阳辐射、阴影和视域的影响——也可以用于城市规模的3D阴影模拟。该工具通过固定间隔的太阳位置离散地生成阴影。Park等人（2021年）利用该软件包模拟水平和垂直表面上的阴影，研究了阴影与地表温度（LST）以及不同类型传统表面和不透水表面之间的关系。最近的研究进一步展示了3D建模和数字孪生在高分辨率城市建模中的广泛应用，用于环境分析和城市可持续性研究（Nicholson等人，2024年；Ornam等人，2024年；Shabrang等人，2025年）。
过去的研究展示了3D方法的前景，但仍有一些关键的实际问题尚未解决。先前的工作对空间分辨率如何影响阴影模拟的理解有限，而这一参数对于平衡计算成本和精度要求至关重要。虽然通常认为较粗的分辨率会降低精度，但尚不清楚这种降低是否以线性方式发生。另一个未充分探讨的问题是不同城市形态下阴影来源的性质。区分城市梯度上阴影的来源（树冠与建筑物）和方向（立面、屋顶、地面）对于制定有针对性的阴影政策至关重要。解决这些未解决的问题对于将3D阴影建模从可视化工具转化为决策支持框架至关重要。因此，需要一种结构化、可扩展的3D阴影量化方法，以支持基于证据的城市设计、热舒适度评估和数字孪生应用。本研究通过明确量化不同空间分辨率下的阴影鲁棒性，并在基于LiDAR的数字孪生框架内按来源和方向分解阴影，推进了3D阴影建模的发展。在此基础上，本研究旨在：（1）开发一种可复制的3D阴影测量方法，独立评估建筑和景观形态；（2）评估模型对阴影检测的分辨率敏感性；（3）比较分析城市到郊区剖面上的阴影情况，以了解阴影驱动因素如何随形态变化而变化。
章节摘录
重建城市形态
创建一个综合的3D城市模型是一项复杂的任务，需要建模和整合多种建筑和景观元素。3D模型可以使用多种数据和技术构建，包括航空和街道影像、LiDAR数据以及专用软件。城市模型通常需要一个多阶段的过程，首先是对各个元素进行建模，然后将其合并成一个单一的集成模型（Fruh & Zakhor，2003年；Gholami等人，2022年；Khayyal等人，
结果
结果分为三个阶段呈现，以解决研究的互补研究目标。首先，总结了不同来源、方向和城市环境下的整体阴影模式，以表征阴影的空间分布并展示3D建模框架的能力（第3.1节）。其次，通过分辨率敏感性分析评估了阴影估计值相对于最细尺度基线的变化情况，从而提供了方法论方面的见解
讨论
本次讨论围绕四个相互关联的主题展开。首先，我们探讨了所提出的基于LiDAR的数字孪生框架在3D阴影模拟方面的优势和方法论限制。其次，我们分析了空间分辨率如何影响阴影估计，并讨论了这些尺度效应的实际影响。第三，我们分析了建筑物和树木产生的阴影在不同城市形态中的不同作用及其对城市热缓解的相关性
结论
本研究旨在使用数字孪生方法对阴影生成进行动态、多维的考察。我们利用LiDAR数据和先进的建模技术开发了一种方法，用于重建复杂的三维形态并模拟阴影分布。结果强调了建筑和景观形态在不同分辨率、方向以及城市到郊区剖面区域内影响阴影分布的重要性。我们的分析提供了独特的
CRediT作者贡献声明
Roshan Saud：写作——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、方法论、调查、正式分析、概念化。Steven M. Richter：写作——审稿与编辑、验证、监督、资源协调、方法论、正式分析、概念化
出版伦理声明
所有作者同意：
本研究准确描述了所进行的工作，所有呈现的数据都是准确的，所使用的方法论足够详细，以便他人能够复制这些工作。
本手稿完全为原创作品；如果使用了他人の作品或文字，已适当引用或引用了相关内容，并在必要时获得了许可。
本材料尚未以全部或部分形式在其他地方发表。
利益冲突声明
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