戴志勝,王鵬飛,周光建

(廣州市城市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,廣東 廣州 510030)

城市的發(fā)展離不開能源的供應(yīng),而石油、煤、天然氣等傳統(tǒng)能源的大量使用會(huì)給環(huán)境帶來嚴(yán)重的污染,為實(shí)現(xiàn)城市的可持續(xù)發(fā)展,早日實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和,能源結(jié)構(gòu)清潔化調(diào)整是未來發(fā)展趨勢(shì)[1]。在眾多可供選擇的清潔能源中,太陽能因?yàn)榫哂锌稍偕鸵撰@取的優(yōu)點(diǎn),成了替代傳統(tǒng)能源的一個(gè)最佳選擇。目前,我國(guó)大多數(shù)城市具有豐富的太陽能資源,以及充足的建筑物表面可以安裝光伏設(shè)備,為建筑物自身提供照明供暖等基本需求[2]。為使光伏發(fā)電設(shè)備效益最大化及協(xié)助建筑設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)建筑表面,需對(duì)建筑物表面接收到的太陽輻照度進(jìn)行計(jì)算。

近幾年,有許多測(cè)繪相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)者利用影像、激光點(diǎn)云、建筑三維模型或其中兩者的結(jié)合數(shù)據(jù)對(duì)建筑物表面接收到的太陽能進(jìn)行研究。其中,影像數(shù)據(jù)難以表達(dá)建筑立面信息,只能對(duì)建筑屋頂太陽能潛能進(jìn)行計(jì)算。數(shù)字表面模型(DSM)雖然可得到建筑物立面上的太陽輻照度,但是將屋頂輪廓拉伸到地面獲得DSM的過程會(huì)忽略建筑物立面的相關(guān)細(xì)節(jié),影響建筑立面太陽能潛能評(píng)估的精度[3-6]。而基于模型的方法立面結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,沒有充分考慮立面上的細(xì)節(jié)信息,且手工建模耗時(shí)費(fèi)力,難以大范圍進(jìn)行估算[7]。隨著對(duì)地觀測(cè)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展,激光雷達(dá)技術(shù)由于能夠快速準(zhǔn)確獲取建筑物幾何信息而被廣泛應(yīng)用于太陽能潛能評(píng)估研究[8]。通常,地面激光點(diǎn)云能夠方便快捷地獲得詳細(xì)的立面結(jié)構(gòu),但對(duì)周圍環(huán)境的遮擋考慮有限,且難以采集到屋頂點(diǎn),因此在建筑表面太陽能潛能評(píng)估中存在一定缺陷[9-11]。機(jī)載點(diǎn)云雖然能夠較完整地獲得空間上各個(gè)物體之間的位置關(guān)系,但獲取的建筑物立面結(jié)構(gòu)不夠精細(xì),且數(shù)據(jù)采集成本昂貴,不利于大范圍區(qū)域太陽能潛能計(jì)算[12-13]。綜上所述,利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)源估算建筑物表面太陽輻照度時(shí),存在許多缺陷。為此,本文提出一種利用傾斜影像密集匹配點(diǎn)云一體化計(jì)算建筑屋頂和立面上的太陽輻照度的方法。

1 關(guān)鍵技術(shù)

1.1 技術(shù)路線

技術(shù)流程如圖1所示。首先,利用傾斜影像進(jìn)行三維重建,采用ContextCapture軟件對(duì)采集的傾斜影像進(jìn)行空中三角測(cè)量平差,計(jì)算每張影像精確的外方位元素。其次,進(jìn)行影像密集匹配獲得密集匹配點(diǎn)云,進(jìn)行三維重建。然后,利用導(dǎo)出的密集匹配點(diǎn)云和三維模型數(shù)據(jù)進(jìn)行陰影仿真分析,為建筑表面太陽輻照度計(jì)算提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。最后,結(jié)合陰影仿真結(jié)果和簡(jiǎn)化后的太陽輻射模型對(duì)建筑物表面進(jìn)行太陽輻照度計(jì)算。

圖1 技術(shù)流程

1.2 傾斜攝影測(cè)量技術(shù)

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)作為遙感領(lǐng)域的新興技術(shù),通過在同一飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)傳感器,采集垂直方向影像的同時(shí)采集多個(gè)傾斜方向影像,從而獲取地面物體完整準(zhǔn)確的三維信息。其數(shù)據(jù)處理流程主要分為4個(gè)步驟:①空中三角測(cè)量;②多視影像密集匹配;③點(diǎn)云構(gòu)網(wǎng);④多視紋理映射[14]。首先,結(jié)合原始POS數(shù)據(jù),使用ContextCapture軟件對(duì)傾斜多視角影像進(jìn)行空三解算,獲取每張影像的內(nèi)外方位元素。然后,根據(jù)每張影像的內(nèi)外方位元素進(jìn)行影像密集匹配,影像密集匹配是在兩幅或多幅具有重疊度的影像中通過特定的算法提取影像間同名點(diǎn)的過程,是傾斜影像處理的關(guān)鍵步驟,主要采用基于灰度和基于特征的匹配方式[15]。最后,利用密集匹配階段生成的密集匹配點(diǎn)云進(jìn)行點(diǎn)云構(gòu)網(wǎng),獲得實(shí)景三維模型并進(jìn)行紋理映射。在傾斜影像處理過程中,導(dǎo)出密集匹配點(diǎn)云中間處理結(jié)果和三維模型數(shù)據(jù),為太陽能潛能評(píng)估提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1.3 陰影仿真分析

建筑物表面接收太陽輻射是一個(gè)連續(xù)過程,其累計(jì)值為瞬時(shí)太陽輻射從日出到日落時(shí)間段上的積分。而任意時(shí)刻的瞬時(shí)太陽輻射可分為直接輻射和散射輻射兩部分,且直接輻射是瞬時(shí)太陽輻射中的主要部分。如圖2所示,當(dāng)建筑物處于周圍物體的陰影中時(shí),接收不到太陽光的直接輻射,瞬時(shí)輻射只包含散射輻射,因此陰影仿真對(duì)計(jì)算瞬時(shí)輻射至關(guān)重要[16]。陰影仿真分析是計(jì)算某一時(shí)刻物體的陰影范圍,從而判斷某一點(diǎn)在此時(shí)是否受到其周圍環(huán)境的遮擋[17]。

圖2 陰影場(chǎng)景分析

采用遮擋角算法進(jìn)行陰影仿真。首先計(jì)算建筑表面每個(gè)位置上的遮擋情況,統(tǒng)計(jì)水平360°范圍各方位角的遮擋高度角θ。進(jìn)行陰影仿真時(shí),通過判斷該點(diǎn)指向太陽的射線高度角α與最大遮擋角θ之間的大小判斷該點(diǎn)是否處于陰影中。文獻(xiàn)[18]中對(duì)該算法的參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)分析,本文針對(duì)該場(chǎng)景傾斜攝影測(cè)量密集匹配點(diǎn)云的特點(diǎn),設(shè)置了50 m的遮擋半徑進(jìn)行分析,以便于計(jì)算和應(yīng)用。此外,一天當(dāng)中,隨著太陽光線方向的不斷變化,陰影位置、大小也在不斷變化。因此,對(duì)瞬時(shí)輻射進(jìn)行積分計(jì)算時(shí),需采用微元法對(duì)一天內(nèi)從日出到日落時(shí)間段進(jìn)行等間隔分割。陰影仿真計(jì)算時(shí)間間隔越短仿真結(jié)果越準(zhǔn)確,但是計(jì)算效率也越低[19]。為平衡計(jì)算效率和計(jì)算精度,本文選擇0.5 h時(shí)間間隔進(jìn)行陰影仿真,在保持相對(duì)較高計(jì)算精度的同時(shí)又不會(huì)較大降低計(jì)算效率。

1.4 太陽輻照度計(jì)算

現(xiàn)有的太陽輻射模型中,有經(jīng)驗(yàn)公式及半理論半經(jīng)驗(yàn)公式[20]。文獻(xiàn)[21]中對(duì)各種模型的計(jì)算結(jié)果作了詳細(xì)的比較。其中,Ghouard model模型不僅計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測(cè)量值最接近,而且還考慮了氣候條件對(duì)太陽輻照度的影響,可以根據(jù)不同的天氣狀況對(duì)模型做出相應(yīng)的調(diào)整[19]。因此,本文選擇Ghouard model模型計(jì)算地球表面接收到的太陽輻照度。公式為

(1)

式中,GTh為從trs到tss時(shí)間段內(nèi)的總太陽輻照度;BTh為水平地面瞬時(shí)直接輻射;DTh為水平地面瞬時(shí)散射輻射;θ為建筑物表面上的太陽光線入射角;β為太陽高度角,可根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)度和緯度計(jì)算。

Ghouard model模型中總太陽輻照度GTh分為直接輻射BTh和散射輻射DTh兩部分計(jì)算。直接輻射指的是接收到的、直接來自太陽而不改變方向的太陽輻射,是總太陽輻照度中最主要部分,還有一部分為散射輻射。根據(jù)Ghouard model模型,水平地面上瞬時(shí)直接輻射值BTh計(jì)算公式為

(2)

式中,I0=1367 W/m2,為太陽常數(shù);n為一年中的第幾天,從元旦起算;β為太陽高度角;Ct為日地之間距離的改正數(shù),公式為

Ct=1+0.034·cos(n-2)

(3)

A1、A2表示天氣狀況,具體數(shù)值選擇見表1。

表1 修正因子

散射輻射指的是接收到的、受大氣層散射影響而改變了方向的太陽輻射。與直接輻射不同,根據(jù)散射輻射來源可以將散射輻射分為繞陽散射、天穹散射和建筑物散射等不同類型。水平地面上接收到各種不同的瞬時(shí)散射輻射統(tǒng)一計(jì)算公式[22]為

(4)

2 研究區(qū)域概況

為驗(yàn)證本文方法的可行性,本文選取了廣州市南沙區(qū)保稅港區(qū)進(jìn)行太陽能潛能評(píng)估試驗(yàn)。該廠區(qū)位于(113.599 3°E,22.681 4°N),緯度較低,日照資源充足。廠區(qū)內(nèi)包含多棟占地面積較大的低層廠房和一棟辦公樓,總屋頂面積約50 000 m2,占地面積超80 000 m2,周圍無其他高層建筑遮擋,日照時(shí)間長(zhǎng)。綜合以上條件,該廠區(qū)適合安裝光伏設(shè)備收集太陽能為廠區(qū)提供清潔能源。考慮該廠左上方建筑樓頂已平鋪安裝太陽能光伏發(fā)電板,建筑表面太陽能未能最大化利用,因此需對(duì)該區(qū)域進(jìn)行建筑表面太陽能潛能評(píng)估計(jì)算,為光伏設(shè)備的安裝提供指引。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 陰影仿真結(jié)果

為驗(yàn)證陰影仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性,將陰影仿真結(jié)果與無人機(jī)拍攝影像建立的三維模型中的陰影進(jìn)行了對(duì)比。圖3(a)中的陰影區(qū)域1—4為無人機(jī)影像拍攝時(shí)刻上午10:28形成的區(qū)域。圖3(b)為陰影仿真計(jì)算的上午10:28陰影區(qū)域,對(duì)比兩圖對(duì)應(yīng)的陰影區(qū)域,發(fā)現(xiàn)兩圖中的陰影區(qū)域1—4的大小、形狀、位置都近似相同。

圖3 陰影仿真結(jié)果與實(shí)景三維模型中陰影對(duì)比

為更直觀準(zhǔn)確對(duì)比陰影仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性,本文對(duì)兩圖中陰影區(qū)域1—4的面積和周長(zhǎng)進(jìn)行了定量分析,分析結(jié)果見表2。根據(jù)對(duì)比結(jié)果,發(fā)現(xiàn)兩者陰影區(qū)域面積差異均≤5%,面積差異最大的陰影區(qū)域?yàn)?4.61%。造成不同區(qū)域陰影面積及周長(zhǎng)之間比例差異不同的原因可能有兩個(gè)。其一,選取的陰影仿真時(shí)間更靠近區(qū)域1、區(qū)域2拍攝影像的時(shí)間,因此區(qū)域1和區(qū)域2兩者之間的差異更小;其二,計(jì)算陰影區(qū)域面積及周長(zhǎng)存在誤差?？傮w來看,本文采用傾斜攝影測(cè)量點(diǎn)云進(jìn)行陰影仿真,其結(jié)果是準(zhǔn)確可靠的。

表2 陰影仿真結(jié)果與實(shí)景三維模型中的陰影對(duì)比

3.2 太陽輻照度計(jì)算結(jié)果

晴空條件下,研究區(qū)域地表及建筑表面在不同季節(jié)一天內(nèi)的太陽輻照度分布如圖4所示。夏季是太陽輻照度最大的季節(jié),一天內(nèi)地表接收到的太陽輻照度最高為7851 W·h/m2,春季和秋季一天內(nèi)地表接收到的太陽輻照度最高值分別為7122 W·h/m2和7046 W·h/m2,冬季一天內(nèi)地表接收到的太陽輻照度最高值為6203 W·h/m2。圖4(a)—(d)右側(cè)的色條值統(tǒng)計(jì)了該場(chǎng)景下不同輻照度范圍的空間點(diǎn)占比分布。根據(jù)統(tǒng)計(jì)值,夏季地表輻照度值在7000 W·h/m2以上的空間點(diǎn)占整個(gè)場(chǎng)景點(diǎn)云數(shù)量的50%以上,春季和秋季地表輻照度值在7000 W·h/m2以上的空間點(diǎn)占整個(gè)場(chǎng)景點(diǎn)云數(shù)量的不到1%,冬季地表輻照度值沒有大于7000 W·h/m2的空間點(diǎn)。

圖4 不同季節(jié)建筑表面一天內(nèi)接收到的太陽輻照度

另外,從計(jì)算結(jié)果可以看出,因建筑屋頂沒有其他物體和因太陽位置變化導(dǎo)致的自身遮擋,因此一天內(nèi)接收到的太陽輻照度最大。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,建筑屋頂單位面積接收到的太陽輻照度約為立面上的2～4倍,不同立面之間存在較大差異。因此屋頂是太陽能光伏發(fā)電板的最佳安裝區(qū)域。當(dāng)建筑屋頂面積太陽能光伏發(fā)電不能完全滿足建筑自身需求的情況下,可合理利用建筑立面上的太陽能空間進(jìn)行光伏發(fā)電板的安裝。

3.3 屋頂太陽輻照度結(jié)果分析

圖5(a)是建筑物屋頂一年中每天接收到太陽輻照度的變化曲線,該曲線是基于每隔三天計(jì)算值進(jìn)行插值的結(jié)果。圖5(b)是廠區(qū)內(nèi)5萬m2屋頂每月接收到的總太陽輻照度,該廠區(qū)屋頂全年接收到的累計(jì)太陽輻照度約為115.60 GW·h,若在該廠區(qū)屋頂安裝光伏設(shè)備,假設(shè)光伏設(shè)備轉(zhuǎn)換效率為15%[23],則屋頂光伏板一年發(fā)電量約為17.34 GW·h。結(jié)合每月屋頂太陽輻照度計(jì)算結(jié)果,發(fā)現(xiàn)5—8月是一年中太陽輻照度最強(qiáng)的幾個(gè)月份。一年中散射輻射值變化較小,直接輻射值變化較大。

圖5 屋頂接收到的太陽輻照度計(jì)算結(jié)果

3.4 立面太陽輻照度結(jié)果分析

建筑立面朝向不同,一年內(nèi)接收到的太陽輻照度也存在很大差異。如圖6所示,一年中,東朝向的立面接收到的大部分太陽直接輻射都集中在8:00—12:00時(shí)間段內(nèi),接收到的最大瞬時(shí)太陽輻照度為249 W·h/m2,出現(xiàn)在7月約10:00。因?yàn)闁|朝向立面與西朝向立面相對(duì),因此西朝向立面上接收到的太陽輻照度值與東朝向立面接近,但分布時(shí)間正好相反。

圖6 不同朝向立面每天不同時(shí)刻太陽輻照度變化

西朝向立面僅在13:00—17:00能夠接收到太陽光的直射,最大瞬時(shí)輻照度值為254 W·h/m2。一年中,南朝向立面上的太陽輻照度變化較大,除夏季外,南朝向立面在9:00—16:00期間均能夠接收到太陽光的直射。因此,南朝向立面上的日照時(shí)間是一年中4個(gè)方向最大的。南朝向立面上的最大瞬時(shí)輻照度值為268 W·h/m2。因?yàn)橄募咎柛叨冉禽^大,朝南立面上的太陽光線入射角也較大,從而導(dǎo)致接收到的太陽輻照度較小。北朝向立面是一年中4個(gè)方向上接收到太陽輻照度最小的,太陽光照射時(shí)間也最短。

4 結(jié) 論

針對(duì)現(xiàn)有建筑物太陽輻照度評(píng)估方法存在的不足,本文以傾斜攝影測(cè)量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),實(shí)現(xiàn)了建筑物表面太陽能潛能的一體化評(píng)估。該方法以廣州市南沙區(qū)保稅港區(qū)唯品會(huì)廠房為試驗(yàn)區(qū),通過傾斜攝影測(cè)量獲取建筑物屋頂朝向、坡度及面積等信息,計(jì)算建筑表面單位面積太陽輻射量,進(jìn)而對(duì)建筑表面太陽能潛力自動(dòng)、快速評(píng)估。試驗(yàn)表明,本文方法能夠?qū)崿F(xiàn)建筑表面太陽輻照度的準(zhǔn)確計(jì)算,有效拓展傾斜攝影測(cè)量三維模型的應(yīng)用范圍。對(duì)太陽能潛能評(píng)估,可為光伏發(fā)電板安裝提供朝向、坡度等信息,以便高效利用建筑表面太陽能。對(duì)于已經(jīng)安裝了太陽能光伏板的建筑表面,依據(jù)不同季節(jié)的太陽輻照度計(jì)算結(jié)果,還可對(duì)光伏發(fā)電板進(jìn)行方向調(diào)整以提高太陽能資源利用率。通過對(duì)建筑表面太陽能潛能進(jìn)行評(píng)估,能夠有效降低光伏開發(fā)成本,為我國(guó)建筑光伏一體化開發(fā)提供重要思路與技術(shù)支撐。