[发明专利]一种基于光线投射的三维城市太阳辐射计算方法

说明书

本发明涉及一种新的基于光线投射的三维城市太阳辐射计算方法，用于地理信息系统(GIS)中计算建筑物表面及地表的累积太阳辐射，其特色是把传统GIS中的二维太阳辐射模型延伸到三维空间，能够计算三维表面任意点的累积太阳辐射，更好的满足城市三维复杂空间中太阳能评估的需要。本发明在传统二维GIS太阳辐射模型基础上，考虑三维表面高度、坡度、坡向及阴影遮挡的情况下，借助三维光线投射技术，把二维太阳辐射模型延伸到三维城市空间。

技术领域

本发明涉及一种基于光线投射的三维城市太阳辐射计算方法，用于地理信息系统(GIS)中计算建筑物表面及地表的累积太阳辐射，其特色是把传统GIS中的二维太阳辐射模型延伸到三维空间。

背景技术

传统的GIS太阳辐射模型一般是基于二维栅格空间的，在考虑地表坡度、坡向以及阴影遮挡的情况下，用来快速的估算较大地理区域上的太阳辐射情况。现有的GIS太阳辐射模型工具中，ESRI ArcGIS的Solar Analyst(SA)模块和GRASS GIS的r.sun模块是两个应用最为广泛的工具集。这类模型把地表因素作为重点考虑，采用二维数字高程模型(DEM)或者数字表面模型(DSM)最为基本输入数据以及地理参考区域，根据地表的坡度、坡向以及阴影遮挡来模拟局部的太阳辐射变化，已经被广泛应用在各种场合下。随着城市中太阳能利用需求的增长，传统的二维GIS太阳辐射模型已经不能很好的满足城市三维复杂空间中太阳能评估的需要，因此需要一种新的能够估算三维表面上太阳辐射的新的计算方法。

发明内容

本发明为解决城市三维复杂空间中的太阳辐射辐射辐射计算问题而提出(图1)。本发明基于GRASS GIS的r.sun太阳辐射模型，把三维城市模型映射到二维栅格空间(图2)，在考虑三维表面高度、坡度、坡向及阴影遮挡(图3)的情况下，把二维的r.sun太阳辐射模型延伸到三维城市空间。

根据r.sun模型的原理，地表接收到的太阳总辐射可以分解为三个分量，即直射辐射、散射辐射和反射辐射。然而，这里只考虑了总辐射的两个主要分量，即直射辐射和散射辐射。直射辐射建模上，晴空下落到一个水平面上的太阳辐射B_hc[W.m^-2]计算公式如下：

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

上式中，T_LK大气浑浊度因子，G₀大气层上垂直于太阳光入射方向的辐照度，m是相对光学大气质量，δ_R(m)是瑞利光学厚度。考虑到阴影遮挡效果，晴空下地表倾斜平面上的直射辐照度B_ic[W.m^-2]计算公式如下：

其中M_shadow是阴影系数，取值为1或0，是太阳方向V_Sun的函数，而太阳方向由高度角和方位角所描述。实际计算中，M_shadow是通过发射一条指向太阳方向的射线来检测与途中体素的相交来求取的。晴空下地表水平面上的天空散射辐照度D_hc[W.m^-2]G₀，T_LK，和太阳高度角h₀的函数，表达如下：

D_hc＝G₀T_n(T_LK)F_d(h₀) (公式3)

考虑到阴影效果，地表倾斜平面上天空散射辐照度D_ic[W.m^-2]建模表达如下：