馬 源，邊 宇，陳建華，遇大興

(1.廣東工業(yè)大學(xué)建筑與城規(guī)學(xué)院，廣東 廣州 510090；2.華南理工大學(xué)建筑學(xué)院，廣東 廣州 510640；3.華南理工大學(xué)亞熱帶建筑科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510640)

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華南區(qū)天空亮度分布的觀測研究

馬 源1，邊 宇2,3，陳建華2，遇大興2

(1.廣東工業(yè)大學(xué)建筑與城規(guī)學(xué)院，廣東 廣州 510090；2.華南理工大學(xué)建筑學(xué)院，廣東 廣州 510640；3.華南理工大學(xué)亞熱帶建筑科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510640)

闡述了通過圖像采集進(jìn)行天空亮度分布研究的方法，裝有魚眼鏡頭的數(shù)碼相機(jī)通過合理曝光長期連續(xù)地采集天空圖像，用程序從采集到的天空圖像信息中獲取天空亮度分布情況，經(jīng)統(tǒng)計得出三類標(biāo)準(zhǔn)天空出現(xiàn)的近似頻率，并以反映其出現(xiàn)頻率的線性分量進(jìn)行疊加后分時段得出華南區(qū)的典型天空亮度分布模型(CSRS)。最后通過模擬計算對CSRS模型進(jìn)行了檢驗(yàn)。

典型天空；建筑采光；天空亮度分布

引言

天空亮度的分布情況可以通過典型天空模型(Representative Sky Model)來描述，定義某一地區(qū)典型天空模型需要建立在對當(dāng)?shù)靥炜樟炼乳L期連續(xù)觀測研究的基礎(chǔ)上，而這一工作并未在我國全面開展。由于缺少區(qū)分地域的天空亮度分布模型，建筑采光的模擬計算主要在CIE標(biāo)準(zhǔn)全云天(CIE Standard Overcast Sky)下進(jìn)行，實(shí)際上該模型作為一種理想的天空狀態(tài)并不能真實(shí)地表示任何地區(qū)天空亮度分布情況。我國幅員遼闊光氣候地域差異明顯，因此基于氣候的采光模型(CBDM)研究亟需開展，華南區(qū)光氣候地域性特點(diǎn)突出與北方地區(qū)迥異值得專項(xiàng)研究。本文主要針對以廣州為代表的華南區(qū)天空亮度分布情況開展觀測，通過連續(xù)采集天空圖像并對圖像進(jìn)行處理以獲取亮度分布數(shù)據(jù)進(jìn)而通過統(tǒng)計分析建立可描述華南區(qū)的典型天空模型。

1 典型天空

天空亮度分布情況取決于太陽在空中的位置、當(dāng)?shù)貧夂蛞约疤鞖?，最為常用的有全陰天、多云天、晴天空三類。課題組擬將當(dāng)?shù)氐奶炜樟炼扔^測值歸類為三大類標(biāo)準(zhǔn)天空并以其近似出現(xiàn)次數(shù)為基礎(chǔ)，通過統(tǒng)計分析構(gòu)建可反映天空亮度分布均值情況的典型天空亮度模型；典型天空模型建立在三種標(biāo)準(zhǔn)天空線性分量疊加的基礎(chǔ)上，該模型的結(jié)構(gòu)如圖1所示，將華南區(qū)典型天空模型簡稱為CSRS(China Southern Representative Sky Model)。

圖1 典型天空模型結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of representative sky model

CSRS=Ko(Skyoc)+Ki(Skyim)+Kc(Skycl)

其中：

Skyoc/Skyim/Skycl分別代表標(biāo)準(zhǔn)全云天/中間天空/晴天空;

Ko為全云天Skyoc的分量系數(shù)(其物理意義為：近似該天空類型的出現(xiàn)頻率);

Ki為中間天空Skyim的分量系數(shù);

Kc為晴天空Skycl的分量系數(shù);

Ko,Ki,Kc為三種標(biāo)準(zhǔn)天空模型的線性分量系數(shù)。

2 研究方法

2.1 實(shí)驗(yàn)

圖2 項(xiàng)目測試場地Fig.2 Site of observation

項(xiàng)目測試地點(diǎn)：華南理工大學(xué)亞熱帶建筑科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2號實(shí)驗(yàn)樓頂平臺(廣州市天河區(qū)，經(jīng)度:113.3E，緯度:23.2N)，該測量點(diǎn)周圍環(huán)境空曠，無明顯遮擋建筑等(如圖2所示)。測試裝置包括：魚眼鏡頭，數(shù)碼相機(jī)，水平儀，電腦，防水罩等。其中，數(shù)碼相機(jī)正對天頂，取景框上方朝正北，在固定地點(diǎn)以15分鐘間隔對天空連續(xù)拍攝，取值時間為08:00—17:00，圖像記錄在電腦硬盤中。該測試自2012年12月8日開始至2014年2月5日共采集天空圖像1.3萬余張，測試期間僅少數(shù)時段因設(shè)備故障維修或強(qiáng)臺風(fēng)天氣中斷測試。

2.2 圖像處理與分類

拍攝得到的天空圖像，經(jīng)過處理后形成500×500像素的方形圖片。通過自行開發(fā)的程序?qū)D片中145個區(qū)塊的灰度平均值進(jìn)行讀取，進(jìn)而通過對數(shù)關(guān)系獲取每個區(qū)塊所反映的亮度相對值，通過不同區(qū)塊的天空方位角換算出的系數(shù)進(jìn)而折算以獲得相對應(yīng)天空單元的亮度相對值。

經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，在一定閾值內(nèi)天空亮度的對數(shù)與圖像灰度級對數(shù)之間存在線性關(guān)系，與不同的設(shè)備以及拍攝參數(shù)相關(guān)。具體到本次研究，選擇的曝光參數(shù)根據(jù)天空亮度情況為多組，經(jīng)過論證各曝光參數(shù)組合可保證天空亮度與圖像灰度之間基本保持線性關(guān)系。因此經(jīng)過對于平面圖像灰度等級的分析可以得出天空單元亮度相對值。如圖3所示，采集的天空圖像經(jīng)過處理轉(zhuǎn)換為了天空亮度分布圖(太陽部分被排除)。

圖3 天空圖像轉(zhuǎn)換為亮度分布圖示意Fig.3 Sky image transfer to luminance distribution map

天空的亮度分布圖以標(biāo)準(zhǔn)方差最小的原則按照CIE提出的三種標(biāo)準(zhǔn)天空亮度分布模型歸類。將歸類后的結(jié)果進(jìn)行分析，統(tǒng)計出三類標(biāo)準(zhǔn)天空(Sky Type 1/2/3)的近似出現(xiàn)頻率。

2.3 分量系數(shù)K值

本研究提出的典型天空亮度分布模型，建立在三種標(biāo)準(zhǔn)天空線性分量疊加的基礎(chǔ)上，該模型的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 典型天空模型結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Mathematical structure of representative Sky

該模型結(jié)構(gòu)表示為：

CSRS=Ko(Sky1)+Ki(Sky2)+Kc(Sky3)

(1)

(2)

(3)

其中，K1為Sky Type 1出現(xiàn)次數(shù)；K2為Sky Type 2出現(xiàn)次數(shù)；K3為Sky Type 3出現(xiàn)次數(shù)；Ko,Ki,Kc為三種典型天空模型的線性分量系數(shù)。

3 CSRS天空模型

本節(jié)將對測試得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析后構(gòu)建華南區(qū)典型天空亮度分布模型，并對該模型的模擬計算結(jié)果的準(zhǔn)確程度進(jìn)行校驗(yàn)與驗(yàn)證。

3.1 數(shù)據(jù)分析

以華南區(qū)2013年9月為例，測量時段為08:00—17:00共計獲取有效圖像1005幅，通過程序?qū)⑦@一系列圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行整理歸類，將歸類后的結(jié)果進(jìn)行分析、統(tǒng)計得到三類標(biāo)準(zhǔn)天空亮度分布情況出現(xiàn)次數(shù)。

由以上實(shí)測數(shù)據(jù)分析得知，在該測試時段內(nèi)全云天/中間天空/晴天空的天空狀態(tài)出現(xiàn)頻率分別為40% / 21% / 39%。表1中所示為9月份三類標(biāo)準(zhǔn)天空分量K值。

綜上所述，9月CSRS具體可定義為：9月CSRS=0.40(Sky1)+0.21(Sky2)+0.39(Sky3)

表1 9月份Ko、Ki、Kc數(shù)值Table 1 Ko、Ki、Kc in September

由此可以較為直觀的認(rèn)識到：華南區(qū)9月份的天況較為多樣，其中多云天、陰天、晴天出現(xiàn)次數(shù)相對均衡。

3.2 模型檢驗(yàn)

1.2.1 教學(xué)方法 針對《兒童護(hù)理學(xué)》中“住院兒童的護(hù)理”章節(jié)采用PBL案例教學(xué)法，教師以臨床病例為引導(dǎo)，提出問題。課前一周將病例相關(guān)資料發(fā)給護(hù)生，護(hù)生利用課余時間通過圖書館、網(wǎng)絡(luò)等方式查閱相關(guān)資料，尋求問題答案；課堂上護(hù)生討論，對問題進(jìn)行分析，提出解決方案，最后由教師歸納點(diǎn)評。學(xué)期結(jié)束后采用CTDI-CV評價護(hù)生評判性思維能力。

課題組以坐落于廣州市的華南理工大學(xué)校內(nèi)某研究空間作為校驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)研究對象(圖5)，以該研究用房內(nèi)的實(shí)測照度數(shù)據(jù)與CSRS模型下的模擬分析數(shù)值、CIE標(biāo)準(zhǔn)全云天下的模擬值進(jìn)行比對研究。

圖5 測試空間內(nèi)景圖片(Model Room)Fig.5 Model room for measurement

該房間進(jìn)深7.6米，僅朝北開單側(cè)窗，室內(nèi)0.75米高度平面布置有9×3共計27個照度計，相鄰照度探頭間距0.8m(如圖6所示)。該陣列照度測試系統(tǒng)以15min為間隔對室內(nèi)自然光照度情況進(jìn)行為期一年的連續(xù)測量。

圖6 測試教室平面與測量示意圖Fig.6 Plan of model room and lux sensor arrangemont

在2013年9月中選取的6天作為取值對象(9月1日，9月6日，9月10日，9月15日，9月21日，9月30日)，這6天內(nèi)的實(shí)際測試結(jié)果的平均值與模擬結(jié)果的平均值如圖7所示。

圖7 模擬值與測量值比較Fig.7 Comparison of measurement of simulation

圖7中曲線表述了該測試教室室內(nèi)照度與進(jìn)深之間的關(guān)系，其中菱形折線為CSRS模型下模擬均值，三角形折線為CIE標(biāo)準(zhǔn)全云天模型下的模擬均值，方形折線為現(xiàn)場測量均值。從9:00/12:00/17:00點(diǎn)的分時測量數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)的比對而言，顯而易見的是CSRS模型較CIE標(biāo)準(zhǔn)全云天模型更加準(zhǔn)確，且通過與Daysim中的模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對比后也證明了CSRS模型較perez模型準(zhǔn)確度高，受限于篇幅不列出該部分?jǐn)?shù)據(jù)，這意味著CSRS更加能夠反映某一地區(qū)實(shí)際的天空亮度分布的均值情況，本文僅列出少量分時數(shù)據(jù)，基于更全面的數(shù)據(jù)的統(tǒng)計得知：CSRS模型在準(zhǔn)確程度上的優(yōu)勢明顯。該測試足以證明：CSRS可以更好地反映華南區(qū)的天空亮度分布均值情況，該模型建立的意義在于給建筑采光模擬分析提供了較為簡潔且準(zhǔn)確程度高的方法。

4 結(jié)論

經(jīng)過對天空亮度的長時間連續(xù)觀測，我國華南區(qū)9月份的典型天空模型為：

9月CSRS=0.40(Sky1)+0.21(Sky2)+ 0.39(Sky3)

上午CSRS=0.40(Sky1)+0.21(Sky2)+ 0.39(Sky3)

中午CSRS=0.37(Sky1)+0.30(Sky2)+ 0.33(Sky3)

下午CSRS=0.40(Sky1)+0.17(Sky2)+ 0.43(Sky3)

該天空亮度模型可以較好的反映該地區(qū)的天空兩幅分布的均值情況，適宜作為典型天空亮度模型使用。其模擬結(jié)果較之CIE標(biāo)準(zhǔn)全云天模型等更具有實(shí)際指導(dǎo)意義，對于分析采光問題更有實(shí)用價值。

由于科研條件的限制，當(dāng)前的測試采用安裝有魚眼鏡頭的數(shù)碼相機(jī)通過圖像法獲取天空亮度分布相對值，該測試方法受限于儀器裝備與研究方法的限制測量精度偏低(受曝光參數(shù)與感光器件的影響)、應(yīng)對惡劣天氣能力差，本文的研究成果不可避免地存在一定的誤差，亞熱帶建筑科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室光學(xué)研究團(tuán)隊已經(jīng)計劃于2015年添置天空亮度測量儀器(Sky Scanner)等儀器，進(jìn)一步深入開展該方向上的研究工作，待獲取高準(zhǔn)確度的天空亮度分布數(shù)據(jù)，可以開展更為詳細(xì)的天空參考模型的研究，可進(jìn)一步提出反映全年均值情況的天空亮度分布，分季節(jié)、分月份、分時段的典型天空模型，有利于建立一套反映年周期內(nèi)的動態(tài)天空亮度分布模型集合，為研究動態(tài)采光分析模擬技術(shù)以及探討采光問題的最優(yōu)化提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與理論支持。

致謝：感謝國家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(51208205)；亞熱帶建筑科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主課題(2013ZC17)，廣東省高校優(yōu)秀青年創(chuàng)新人才培養(yǎng)計劃資助項(xiàng)目(2012WYM_0051)對于本課題的資助。感謝J Alstan Jakubiec博士對本文研究過程中給予的幫助。

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本刊聲明

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Observation of the Sky Luminous Distribution in Southern China

Ma Yuan1， Bian Yu2,3， Chen Jianhua2， Yu Daxing2

(1.CollegeofArchitecture&UrbanPlanning,GuangdongUniversityofTechnology,Guangzhou510090,China;2.SchoolofArchitecture,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou501640,China;3.StateKeyLaboratoryofSubtropicalBuildingScience,Guangzhou501640,China)

This article describes a method of observing sky luminance distribution via sky images. A fisheye lens DSLR camera was used to capture sky images continuously with a proper exposure. And a program was developed to obtain sky luminance distribution from the captured images. The approximate occurrences of three standard sky types were obtained through statistical processing. And then the linear components reflecting each occurrence were superimposed to obtain the representative sky models (CSRS) of South China. At last, a series of simulations were conducted to verify the obtained CSRS models.

representative sky; building daylight; sky luminance distribution

國家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(51208205)，亞熱帶建筑科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主課題(2013ZC17)，廣東省高校優(yōu)秀青年創(chuàng)新人才培養(yǎng)計劃資助項(xiàng)目(2012WYM_0051)

邊宇，E-mail:aryubian@163.com

TM923

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2015.01.001