基于ArcGIS的建筑物屋頂太陽(yáng)輻射分析
——以山東建筑大學(xué)為例

亓偉孫英君王鴻燕江云婷程英偉

(1.山東建筑大學(xué)測(cè)繪地理信息學(xué)院，山東濟(jì)南250101；2.山東省綠色建筑協(xié)同創(chuàng)新中心，山東 濟(jì)南 250101；3.山東農(nóng)業(yè)工程學(xué)院國(guó)土資源與測(cè)繪工程學(xué)院，山東濟(jì)南250100)

0 引言

由于全球范圍內(nèi)爆發(fā)的各種環(huán)境、氣候、資源、能源問(wèn)題，使得人類對(duì)新型清潔能源的需求越來(lái)越強(qiáng)烈。近年來(lái)，科學(xué)家們對(duì)各種新能源的研究越來(lái)越深入，其中太陽(yáng)能以其清潔、高效、量多、易獲取等優(yōu)點(diǎn)得到了一致認(rèn)可，其技術(shù)的利用也越加成熟[1]。太陽(yáng)能熱水器、太陽(yáng)能電池板路燈以及光伏一體化節(jié)能建筑等都是對(duì)太陽(yáng)能進(jìn)行的有效開(kāi)發(fā)利用。目前，關(guān)于太陽(yáng)能的研究分為建筑物、區(qū)域和城市等3個(gè)尺度。而基于有限的建筑物表面，最大限度地利用太陽(yáng)能已經(jīng)成為當(dāng)前智慧城市智慧能源發(fā)展中的有效措施，而建筑物屋頂太陽(yáng)輻射估算是合理規(guī)劃光伏轉(zhuǎn)化設(shè)備及環(huán)保建筑材料的前提。建筑物尺度的太陽(yáng)輻射評(píng)估方法比較成熟，但對(duì)區(qū)域、城市尺度屋頂可獲取的太陽(yáng)能輻射的評(píng)估不夠，而且受地域影響沒(méi)有統(tǒng)一的算法及評(píng)估模型[2]。

國(guó)內(nèi)外對(duì)太陽(yáng)能輻射的研究尺度大到洲級(jí)、國(guó)家級(jí)，小到城市區(qū)域級(jí)別，然而城市建筑物尺度級(jí)別的研究相當(dāng)有限。Huld等[3]將太陽(yáng)能輻射數(shù)據(jù)及影響因子融合到GIS系統(tǒng)中，使用太陽(yáng)能評(píng)估模型PVGIS(Photovoltaic Geographical Information System)對(duì)整個(gè)歐盟區(qū)域的太陽(yáng)能儲(chǔ)量進(jìn)行了估算；Izquierdo等[4]對(duì)西班牙的建筑物頂部太陽(yáng)能系統(tǒng)進(jìn)行潛力評(píng)估。Wiginton等[5]預(yù)測(cè)了加拿大安大略省局部區(qū)域房頂太陽(yáng)能儲(chǔ)量，認(rèn)為其用電需求的30%可以通過(guò)光電系統(tǒng)予以滿足。Vardimon[6]使用一套完整的覆蓋以色列的地理信息數(shù)據(jù)，對(duì)可用建筑物頂部面積進(jìn)行評(píng)估，得出其頂部光伏電力生產(chǎn)潛能達(dá)到國(guó)家電力消費(fèi)的32%的結(jié)論。劉光旭等[7]根據(jù)2000年的1∶25萬(wàn)江蘇省土地利用圖，使用空間分析功能，對(duì)江蘇省屋頂面積進(jìn)行了估算。郭曉琳[8]利用GIS和ENVI技術(shù)，根據(jù)屋頂面積與人口密度的高度相關(guān)性，利用回歸分析推導(dǎo)出徐州市屋頂面積。徐福圓[9]以谷歌地球(Google Erath)遙感影像圖為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，提出了一種基于區(qū)域與邊緣線段分析相結(jié)合的建筑物外形提取方法，對(duì)建筑物屋頂進(jìn)行提取并估算其面積，進(jìn)而預(yù)估屋頂可開(kāi)發(fā)光伏容量。呂揚(yáng)等[10]將遙感反演與GIS三維空間分析相結(jié)合，建立了城市建筑物尺度的太陽(yáng)能資源潛力估算方法和模型，并在新疆烏魯木齊城區(qū)某建筑群進(jìn)行進(jìn)行了應(yīng)用。Huang等[11]利用激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)上海陸家嘴地區(qū)建筑物特征進(jìn)行提取，通過(guò)采用大氣晴朗指數(shù)改進(jìn)的短波太陽(yáng)能輻射模型估算了該地區(qū)建筑物屋頂?shù)奶?yáng)能潛力。周文臻等[12]利用福建省的數(shù)字高程模型DEM(Digital Elevation Model)數(shù)據(jù)，定量地分析了坡度坡向?qū)μ煳妮椛浞植嫉挠绊懸?guī)律，同時(shí)探討數(shù)字高程模型對(duì)天文輻射產(chǎn)生的空間尺度效應(yīng)。崔日鮮[13]基于山東境內(nèi)17個(gè)氣象站1961—2012年逐日日照時(shí)數(shù)資料，分析了山東省的全年和四季太陽(yáng)總輻射的時(shí)空變化特征。

激光雷達(dá)LiDAR(Light Detection and Ranging)是一種集多種技術(shù)于一身的主動(dòng)式雷達(dá)探測(cè)技術(shù)系統(tǒng)。利用機(jī)載 LiDAR技術(shù)獲取目標(biāo)三維信息的方法，已在測(cè)繪工程、環(huán)境科學(xué)、城市規(guī)劃建設(shè)等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。文章基于LiDAR數(shù)據(jù)，對(duì)山東建筑大學(xué)校內(nèi)13棟覆蓋太陽(yáng)能電池板的建筑，進(jìn)行高精度三維信息提取，得到十分準(zhǔn)確的建筑物輪廓信息，利用ArcGIS平臺(tái)自帶的Hillshade工具進(jìn)行研究區(qū)域簡(jiǎn)單的陰影分析，采用 Solar Radiation Analyst工具計(jì)算建筑物屋頂?shù)奶?yáng)輻射，進(jìn)而分析其變化特征。

1 基于ArcGIS的建筑物屋頂太陽(yáng)輻射計(jì)算方法

1.1 建筑物三維信息提取

研究區(qū)域?yàn)樯綎|建筑大學(xué)新校區(qū)(36.68°N，117.17°E)。利用加拿大 Optech公司生產(chǎn) ALTM Orion H300型機(jī)載激光雷達(dá)設(shè)備加載CS-10000數(shù)碼相機(jī)獲取實(shí)驗(yàn)區(qū)域點(diǎn)云數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)包含303萬(wàn)多個(gè)點(diǎn)?；跈C(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)得到的宿舍樓及圖書(shū)館等13棟建筑物的空間分布如圖1所示。LiDAR數(shù)據(jù)自帶高程屬性，可以非常便捷的批量提取區(qū)域建筑物三維信息，其提取流程如圖2所示。首先根據(jù)LiDAR的高程屬性建立包含建筑物等地物信息在內(nèi)的數(shù)字表面模型DSM(Digital Surface Model)，再將建筑物、樹(shù)木等點(diǎn)云信息過(guò)濾掉，生成不包含建筑物等地物信息的數(shù)字地形模型DTM(Digital Terrain Model)，兩者做差得到研究區(qū)域建筑物三維模型。

圖1 建筑物分布圖

圖2 建筑物三維信息提取流程圖

1.2 基于ArcGIS的建筑物屋頂太陽(yáng)輻射計(jì)算方法

1.2.1 陰影分析

在進(jìn)行太陽(yáng)輻射分析之前，對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行陰影分析，區(qū)分建筑物屋頂?shù)目山邮芴?yáng)輻射的能力。無(wú)陰影部分可接受太陽(yáng)直接輻射、天空散射輻射、地物反射輻射，而有陰影的部分只能接受天空散射輻射與地物反射輻射。

實(shí)驗(yàn)研究區(qū)域內(nèi)建筑物相對(duì)較高，且研究對(duì)象為建筑物屋頂面，所研究建筑物屋頂都超過(guò)樹(shù)木，通過(guò)ArcGIS的Hillshade分析工具對(duì)實(shí)驗(yàn)區(qū)建筑物進(jìn)行陰影分析，得出建筑物頂部無(wú)陰影遮擋，陰影遮擋對(duì)本實(shí)驗(yàn)無(wú)實(shí)際影響。

1.2.2 建筑物屋頂太陽(yáng)輻射計(jì)算

影響地表太陽(yáng)輻射的要素主要有3大類:地球要素、地形因素、大氣衰減等。地球要素決定了大氣圈頂層的太陽(yáng)輻射，其取決于地球傾斜度(季節(jié))、緯度和太陽(yáng)時(shí)角(時(shí)間)。地形因素包括高程、坡度、坡向及陰影。大氣衰減主要指大氣中的固體顆粒，液體和氣體對(duì)太陽(yáng)輻射的散射和吸收。分別在地球表面將截取成太陽(yáng)直接輻射、散射輻射和地物反射輻射[14-15]。

文章利用ArcGIS平臺(tái)提供的太陽(yáng)輻射分析工具進(jìn)行特定時(shí)間段太陽(yáng)輻射制圖和分析。該工具綜合大氣效應(yīng)、緯度和高程、地理要素、太陽(yáng)角度的周期性變化以及周圍地物投射的陰影所帶來(lái)的影響等因素進(jìn)行分析。

建筑物屋頂接收到的反射太陽(yáng)輻射很少，因此總太陽(yáng)輻射為太陽(yáng)直接輻射與散射輻射的總和。ArcGIS中太陽(yáng)直接輻射與散射輻射的計(jì)算方法[16-18]如下:

(1)太陽(yáng)直接輻射計(jì)算

給定位置的(質(zhì)心位于天頂角θ和方位角α處)，總太陽(yáng)直接輻射Dirtotal是所有太陽(yáng)圖扇區(qū)中太陽(yáng)直接輻射 Dirθ，α的總和，計(jì)算公式為

式中:SC為日地平均距離處大氣層外的太陽(yáng)通量，稱為太陽(yáng)常數(shù)[18]，分析中使用的太陽(yáng)常數(shù)是1 367 W/m2；β為最短路徑(朝向天頂?shù)姆较?的大氣層透射率(所有波長(zhǎng)的平均值)；m(θ)為 相對(duì)的光路徑長(zhǎng)度，以相對(duì)于天頂路徑長(zhǎng)度的比例形式測(cè)量；SDθ，α為以天空扇區(qū)表示的持續(xù)時(shí)間，對(duì)于大多數(shù)扇區(qū)，其等于日間隔(如1個(gè)月)乘以小時(shí)間隔(如0.5 h)。對(duì)于部分扇區(qū)(接近地平線)，將使用球面幾何計(jì)算持續(xù)時(shí)間；SGθ，α為太陽(yáng)圖扇區(qū)的孔隙度；AIθ，α為天空扇區(qū)的質(zhì)心與表面的法線軸之間的入射角。

(2)散射輻射計(jì)算

對(duì)于每個(gè)天空扇區(qū)，計(jì)算質(zhì)心處的散射輻射Difθ，α，并按時(shí)間間隔進(jìn)行整合，再通過(guò)孔隙度和入射角進(jìn)行更正，計(jì)算公式為

式中:Rglb為總正常輻射；Pdif為散射的總正常輻射通量的比例，通常在天空非常晴朗的條件下，該值約等于0.2，在天空云層極厚的條件下，該值約等于 0.7；Dur為分析的時(shí)間間隔；SGθ，α為天空扇區(qū)的孔隙度(可見(jiàn)天空的比例)；Wθ，α為給定天空扇區(qū)與所有扇區(qū)中散射輻射的比例；AIθ，α為天空扇區(qū)的質(zhì)心和截留表面之間的入射角。

該位置的總散射輻射 (Diftotal)為所有天空?qǐng)D扇區(qū)中散射輻射(Dif)的總和，計(jì)算公式為

2 基于ArcGIS的建筑物屋頂太陽(yáng)輻射計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 不同天氣條件下的太陽(yáng)輻射

經(jīng)過(guò)對(duì)ArcGIS的太陽(yáng)輻射分析工具中散射比例和透射率的設(shè)置來(lái)實(shí)現(xiàn)不同天氣對(duì)太陽(yáng)輻射的影響分析。散射比例是總正常輻射通量的散射部分，該值的范圍為0～1。應(yīng)根據(jù)大氣條件設(shè)置該值:天空非常晴朗的條件下，典型值為0.2，而天空一般晴朗的條件下，典型值為0.3。透射率是大氣層的一種屬性，表現(xiàn)為到達(dá)地球表面的能量(所有波長(zhǎng)的平均值)與大氣上邊緣接收到的能量(大氣圈外)的比率。值的范圍介于0(無(wú)透射)～1(完全透射)之間。通常，在天空非常晴朗的條件下，觀測(cè)值為0.6或0.7；在天空普通晴朗的條件下，觀測(cè)值為0.5。在計(jì)算中，多云天氣，散射比例設(shè)置為0.4，透射率設(shè)置為0.4；大雨天氣，散射比例設(shè)置為0.6，透射率設(shè)置為0.2。

選取2017年7月典型天氣狀況(大雨、多云、晴天)的3天，計(jì)算山東建筑大學(xué)宿舍樓梅園屋頂接收的太陽(yáng)能輻射，比對(duì)不同天氣下太陽(yáng)能輻射的差異。基于單位像元的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1，單位面積的太陽(yáng)輻射如圖3所示。

天氣對(duì)太陽(yáng)輻射的影響是非常明顯的，天氣越糟糕，屋頂可接受的太陽(yáng)輻射越少。晴天狀況下比多云陰天情況的屋頂單位面積太陽(yáng)能輻射多出882.93 Wh/m2；而在全天候下雨天中太陽(yáng)輻射受到的影響是非常大的，但是也可以接收到晴天狀況下58%的太陽(yáng)輻射。

表1 不同天氣屋頂太陽(yáng)輻射計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

圖3 不同天氣屋頂單位面積太陽(yáng)輻射圖

2.2 不同時(shí)刻的太陽(yáng)輻射

選取2017年5月10日(晴天)一天中8∶00～9 ∶00、10∶00 ～ 11∶00、12∶00 ～ 13∶00、13∶00 ～ 14∶00、14∶00～15∶00等5個(gè)時(shí)間段，計(jì)算山東建筑大學(xué)竹園宿舍樓頂?shù)奶?yáng)能輻射，同一位置不同時(shí)刻太陽(yáng)能輻射具體統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2，如圖4所示。通過(guò)分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，同一天同一位置不同時(shí)刻屋頂接收的太陽(yáng)能輻射差異明顯，即研究區(qū)域一天之中上午至中午太陽(yáng)能輻射逐漸增加，到中午12∶00～13∶00達(dá)到最大，之后逐漸減少；一天之中輻射最大值可以達(dá)到726.20 Wh/m2。

2.3 不同季節(jié)的太陽(yáng)輻射

選取2016年十二個(gè)月份，利用ArcGIS經(jīng)典晴天模型(默認(rèn)晴天參數(shù):散射比例為0.3，透射率為0.5)計(jì)算了山東建筑大學(xué)13棟覆蓋太陽(yáng)能電池板建筑的月度太陽(yáng)能輻射量，結(jié)果見(jiàn)表3。一年之中七月份的屋頂單位面積太陽(yáng)輻射最高，可達(dá)到165.30 kWh/m2，這一個(gè)月的單位面積輻射相當(dāng)于整個(gè)冬季單位面積輻射的1.77倍；十二月份屋頂單位面積輻射最低，僅有七月份的17%，達(dá)到28.14 kWh/m2。由此可以看出，一年之中七月份是接受到的太陽(yáng)輻射最多。按季節(jié)統(tǒng)計(jì)的屋頂太陽(yáng)輻射結(jié)果如圖5所示。夏季由于太陽(yáng)高度角達(dá)到最大，從而使夏季單位面積太陽(yáng)輻射最大，可達(dá)到491.33 kWh/m2；秋季次之，為 321.25 kWh/m2；春季為254.70 kWh/m2；而冬季最少，僅為93.45 kWh/m2。

表3 建筑物屋頂太陽(yáng)輻射統(tǒng)計(jì)表/(×105kWh)

圖5 不同季節(jié)屋頂單位面積太陽(yáng)輻射圖

3 結(jié)論

基于激光雷達(dá)數(shù)據(jù)，利用ArcGIS平臺(tái)提供的太陽(yáng)輻射分析工具，文章對(duì)山東建筑大學(xué)新校區(qū)內(nèi)13棟建筑物屋頂太陽(yáng)輻射進(jìn)行了估算。主要得出以下結(jié)論:

(1)天氣對(duì)屋頂獲取的太陽(yáng)輻射影響非常明顯，晴天條件下的屋頂太陽(yáng)輻射是陰天條件下的1.15倍，全天候雨天可以接收到晴天58%的太陽(yáng)輻射。

(2)一天之中，建筑物屋頂在不同時(shí)刻接收的太陽(yáng)能輻射量差異明顯，12∶00～13∶00屋頂接收到的太陽(yáng)輻射為726.20 Wh/m2，達(dá)到一天之中最高值，之后逐漸減少。

(3)建筑物屋頂太陽(yáng)輻射具有明顯的季節(jié)變化，夏季屋頂太陽(yáng)輻射最高可達(dá)491.33 kWh/m2；秋季屋頂太陽(yáng)輻射次之，為321.25 kWh/m2；而冬季最少，僅為 93.45 kWh/m2。