Моделирование солнечного излучения

Прямое солнечное излучение (инсоляция) получена от источника освещения; изменяется по мере перемещения через атмосферу; далее изменяется по топографии и объектам поверхности; и перехватывается на поверхности Земли как прямой, рассеянный и отраженный компоненты. Прямое излучение беспрепятственно перехватывается по прямой линии от источника света. Рассеянное излучение рассеивается в составляющих атмосферы, например, облаках и пыли. Отраженное излучение отражается от объектов поверхности. Сумма прямого, рассеянного и отраженного излучения называется общим или глобальным солнечным излучением.

Прямое солнечное излучение перехватывается как прямой, рассеянный и отраженный компоненты.

Как правило, прямое излучение является крупнейшим компонентом общего излучения, а рассеянное излучение является вторым по величине компонентом. Отраженное излучение в целом составляет лишь небольшую долю от общего числа излучения, за исключением местоположений, окруженных сильно отражающими поверхностями, например снежным покровом. Инструменты солнечного излучения в дополнительном модуле Spatial Analyst не включают отраженное излучение в вычисление общего излучения. Таким образом, суммарное излучение рассчитывается как сумма прямого и диффузного излучения.

Инструменты солнечного излучения могут выполнить вычисления для точечных местоположений или для всей географической области. Это включает четыре шага:

1. Вычисление направленной вверх полусферической видимости на основе топографии.
2. Наложение видимости на прямое солнечное освещение для оценки прямого излучения.
3. Наложение видимости на рассеянное воздушное пространство для оценки рассеянного излучения.
4. Повторение процесса для каждого исследуемого местоположения для создания карты излучения.

Т.к. на излучение могут сильно влиять топография и объекты поверхности, для ключевого компонента алгоритма вычисления требуется создание направленной вверх полусферической видимости для каждого местоположения цифровой модели рельефа (ЦМР). Полусферические видимости сходны с направленными вверх полусферическими («рыбий глаз») фотографиями, которые показывают все воздушное пространство от земли, сходно с видом в планетарии. Количество видимого воздушного пространства играет важную роль в инсоляции в местоположении. Например, датчик, расположенный в открытом поле, имеет более высокую инсоляцию, чем датчик, расположенный в глубоком каньоне.

На следующем рисунке изображена направленная вверх полусферическая фотография, которая обеспечивает вид видимого воздушного пространства и направлений воздушного пространства, которым препятствуют окружающая топография и объекты поверхности. Это сходно с видом с земли вверх во всех направлениях.

Полусферическая («рыбий глаз») фотография

Вычисление видимости

Видимость – это растровое представление всего воздушного пространства, видимого или встречающего препятствия при просмотре из определенного местоположения. Видимость вычисляется путем поиска в заданных направлениях вокруг исследуемого местоположения и путем определения максимального угла воздушного пространства с препятствиями, или горизонтального угла. Для всех других направлений, не участвующих в поиске, горизонтальные углы интерполируются. Горизонтальные углы затем конвертируются в полусферическую систему координат, таким образом представляя трехмерную полусферу направлений в качестве двухмерного растрового изображения. Каждому растру видимости присваивается значение, которое соответствует тому, видимо ли направление или встречает препятствия. Выходные ячейки (строка и столбец) соответствуют углу зенита и (угол прямо вверх) и углу азимута б (угол на север) на полусфере направлений.

На рисунке ниже показано вычисление видимости для одной ячейки ЦМР. Горизонтальные углы вычисляются вдоль заданного количества направлений и используются для создания полусферического представления воздушного пространства. Результирующая видимость характеризует, видимы ли направления воздушного пространства (белые) или встречают препятствия (серые). Видимость показана наложенной на полусферическую фотографию для демонстрации теории.

Иллюстрация горизонтальных углов, результирующей видимости и видимости, картированной на вид воздушного пространства

Видимости используются в соответствии с информацией о положении источника освещения и направлений воздушного пространства (представлены солнечным освещением и воздушным пространством, соответственно) для вычисления прямого, рассеянного и общего (прямое + рассеянное) излучения в каждом местоположении и для создания точной карты инсоляции.

Вычисление солнечного освещения

Прямое солнечное излучение, полученное из каждого направления пространства, рассчитывается с использованием солнечного освещения в той же полусферической проекции. что и видимость. Солнечное освещение – это растровое представление, которое отображает трек солнца или видимое положение солнца при его изменении со временем суток и с течением дней. Это похоже на то, как вы смотрите вверх и наблюдаете, как положение солнца изменяется на небе в течение определенного периода времени. Солнечное освещение состоит из дискретных секторов солнечного освещения, определяемых положением источника освещения в определенные интервалы в течение дня (часы) и времени года (дни или месяцы). Трек солнца вычисляется на основе широты исследуемой области и конфигурации времени, которые определяют секторы солнечного освещения. Для каждого сектора солнечного освещения задается уникальное определяющее значение, наряду с зенитом центроида и углом азимута. Солнечное излучение, полученное из каждого сектора, вычисляется отдельно, и видимость накладывается на солнечное освещение для вычисления прямого излучения.

На следующем рисунке солнечное освещение для 45? северной широты вычисляется от зимнего солнцестояния (21 декабря) до летнего солнцестояния (21 июня). Каждый сектор источника освещения (цветное окошко) представляет положение источника освещения с помощью интервалов 1/2 часа в течение дня и месячных интервалов в течении года. Следует отметить, что изображение находится в той же полусферической проекции, что видимость направленная вверх. Положение источника освещения представлено по мере перемещения в пространстве в течении дня или времени года.

Пример солнечного освещения

Вычисление воздушного пространства

Рассеянное излучение получено из всех направлений пространства как результат рассеяния по компонентам атмосферы (облака, частицы и т.д.). Чтобы вычислить рассеянное излучение для определенного местоположения, создается воздушное пространство для представления полусферического вида всего воздушного пространства, разделенного на ряд секторов пространства, определенных углами зенита и азимута. Каждому сектору присваивается значение уникального идентификатора, наряду с углами зенита, центроида и азимута. Рассеянное излучение вычисляется для каждого сектора воздушного пространства на основе направления (зенит и азимут).

На рисунке ниже воздушное пространство с секторами воздушного пространства, определенные по 8 подразделениям зенита и 16 подразделениям азимута. Каждый цвет представляет уникальный сектор воздушного пространства, или часть воздушного пространства, из которого происходит рассеянное излучение.

Пример воздушного пространства

Наложение видимости с солнечным освещением и воздушным пространством

В процессе вычисления инсоляции, растр видимости накладывается на растры солнечного освещения и воздушного пространства для вычисления рассеянного или прямого излучения, полученного из каждого направления воздушного пространства. Часть видимого воздушного пространства каждого сектора вычисляется путем деления количества ячеек, не встречающих препятствия, на общее количество ячеек каждого сектора. Принимается допуск для частично ограниченных секторов воздушного пространства.

На следующем рисунке показано наложение видимости на солнечном освещении и воздушном пространстве. Серый представляет направления воздушного пространства с препятствиями. Солнечное излучение вычисляется путем суммирования прямой и рассеянной инсоляций, полученных из направлений воздушного пространства с препятствиями.

Пример наложения видимости с солнечным освещением

Пример наложения видимости с воздушным пространством

Более подробно об уравнениях, используемых в вычислении солнечного излучения