[發(fā)明專利]一種基于光線投射的三維城市太陽(yáng)輻射計(jì)算方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011161843.1
• 申請(qǐng)日: 2020-10-27
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112258649A
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-01-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 梁劍鳴;龔建華
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院
• 主分類(lèi)號(hào): G06T17/10
• 分類(lèi)號(hào): G06T17/10;G06T15/50;G06T3/00
• 代理公司: 北京億騰知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11309
• 代理人: 陳霽

本發(fā)明涉及一種新的基于光線投射的三維城市太陽(yáng)輻射計(jì)算方法，用于地理信息系統(tǒng)(GIS)中計(jì)算建筑物表面及地表的累積太陽(yáng)輻射，其特色是把傳統(tǒng)GIS中的二維太陽(yáng)輻射模型延伸到三維空間，能夠計(jì)算三維表面任意點(diǎn)的累積太陽(yáng)輻射，更好的滿足城市三維復(fù)雜空間中太陽(yáng)能評(píng)估的需要。本發(fā)明在傳統(tǒng)二維GIS太陽(yáng)輻射模型基礎(chǔ)上，考慮三維表面高度、坡度、坡向及陰影遮擋的情況下，借助三維光線投射技術(shù)，把二維太陽(yáng)輻射模型延伸到三維城市空間。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于光線投射的三維城市太陽(yáng)輻射計(jì)算方法，用于地理信息系統(tǒng)(GIS)中計(jì)算建筑物表面及地表的累積太陽(yáng)輻射，其特色是把傳統(tǒng)GIS中的二維太陽(yáng)輻射模型延伸到三維空間。

背景技術(shù)

傳統(tǒng)的GIS太陽(yáng)輻射模型一般是基于二維柵格空間的，在考慮地表坡度、坡向以及陰影遮擋的情況下，用來(lái)快速的估算較大地理區(qū)域上的太陽(yáng)輻射情況。現(xiàn)有的GIS太陽(yáng)輻射模型工具中，ESRI ArcGIS的Solar Analyst(SA)模塊和GRASS GIS的r.sun模塊是兩個(gè)應(yīng)用最為廣泛的工具集。這類(lèi)模型把地表因素作為重點(diǎn)考慮，采用二維數(shù)字高程模型(DEM)或者數(shù)字表面模型(DSM)最為基本輸入數(shù)據(jù)以及地理參考區(qū)域，根據(jù)地表的坡度、坡向以及陰影遮擋來(lái)模擬局部的太陽(yáng)輻射變化，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在各種場(chǎng)合下。隨著城市中太陽(yáng)能利用需求的增長(zhǎng)，傳統(tǒng)的二維GIS太陽(yáng)輻射模型已經(jīng)不能很好的滿足城市三維復(fù)雜空間中太陽(yáng)能評(píng)估的需要，因此需要一種新的能夠估算三維表面上太陽(yáng)輻射的新的計(jì)算方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明為解決城市三維復(fù)雜空間中的太陽(yáng)輻射輻射輻射計(jì)算問(wèn)題而提出(圖1)。本發(fā)明基于GRASS GIS的r.sun太陽(yáng)輻射模型，把三維城市模型映射到二維柵格空間(圖2)，在考慮三維表面高度、坡度、坡向及陰影遮擋(圖3)的情況下，把二維的r.sun太陽(yáng)輻射模型延伸到三維城市空間。

根據(jù)r.sun模型的原理，地表接收到的太陽(yáng)總輻射可以分解為三個(gè)分量，即直射輻射、散射輻射和反射輻射。然而，這里只考慮了總輻射的兩個(gè)主要分量，即直射輻射和散射輻射。直射輻射建模上，晴空下落到一個(gè)水平面上的太陽(yáng)輻射B_hc[W.m^-2]計(jì)算公式如下：

B_hc＝G₀exp{-0.8662T_LKmδ_R(m)}sin h₀ (公式1)

上式中，T_LK大氣渾濁度因子，G₀大氣層上垂直于太陽(yáng)光入射方向的輻照度，m是相對(duì)光學(xué)大氣質(zhì)量，δ_R(m)是瑞利光學(xué)厚度。考慮到陰影遮擋效果，晴空下地表傾斜平面上的直射輻照度B_ic[W.m^-2]計(jì)算公式如下：

其中M_shadow是陰影系數(shù)，取值為1或0，是太陽(yáng)方向V_Sun的函數(shù)，而太陽(yáng)方向由高度角和方位角所描述。實(shí)際計(jì)算中，M_shadow是通過(guò)發(fā)射一條指向太陽(yáng)方向的射線來(lái)檢測(cè)與途中體素的相交來(lái)求取的。晴空下地表水平面上的天空散射輻照度D_hc[W.m^-2]G₀，T_LK，和太陽(yáng)高度角h₀的函數(shù)，表達(dá)如下：

D_hc＝G₀T_n(T_LK)F_d(h₀) (公式3)

考慮到陰影效果，地表傾斜平面上天空散射輻照度D_ic[W.m^-2]建模表達(dá)如下：