戴志勝,王鵬飛,周光建

(廣州市城市規(guī)劃勘測設計研究院,廣東 廣州 510030)

城市的發(fā)展離不開能源的供應,而石油、煤、天然氣等傳統(tǒng)能源的大量使用會給環(huán)境帶來嚴重的污染,為實現(xiàn)城市的可持續(xù)發(fā)展,早日實現(xiàn)碳達峰碳中和,能源結構清潔化調(diào)整是未來發(fā)展趨勢[1]。在眾多可供選擇的清潔能源中,太陽能因為具有可再生和易獲取的優(yōu)點,成了替代傳統(tǒng)能源的一個最佳選擇。目前,我國大多數(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)電設備效益最大化及協(xié)助建筑設計師設計建筑表面,需對建筑物表面接收到的太陽輻照度進行計算。

近幾年,有許多測繪相關領域的學者利用影像、激光點云、建筑三維模型或其中兩者的結合數(shù)據(jù)對建筑物表面接收到的太陽能進行研究。其中,影像數(shù)據(jù)難以表達建筑立面信息,只能對建筑屋頂太陽能潛能進行計算。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的過程會忽略建筑物立面的相關細節(jié),影響建筑立面太陽能潛能評估的精度[3-6]。而基于模型的方法立面結構相對簡單,沒有充分考慮立面上的細節(jié)信息,且手工建模耗時費力,難以大范圍進行估算[7]。隨著對地觀測技術的進步和發(fā)展,激光雷達技術由于能夠快速準確獲取建筑物幾何信息而被廣泛應用于太陽能潛能評估研究[8]。通常,地面激光點云能夠方便快捷地獲得詳細的立面結構,但對周圍環(huán)境的遮擋考慮有限,且難以采集到屋頂點,因此在建筑表面太陽能潛能評估中存在一定缺陷[9-11]。機載點云雖然能夠較完整地獲得空間上各個物體之間的位置關系,但獲取的建筑物立面結構不夠精細,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,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云一體化計算建筑屋頂和立面上的太陽輻照度的方法。

1 關鍵技術

1.1 技術路線

技術流程如圖1所示。首先,利用傾斜影像進行三維重建,采用ContextCapture軟件對采集的傾斜影像進行空中三角測量平差,計算每張影像精確的外方位元素。其次,進行影像密集匹配獲得密集匹配點云,進行三維重建。然后,利用導出的密集匹配點云和三維模型數(shù)據(jù)進行陰影仿真分析,為建筑表面太陽輻照度計算提供基礎數(shù)據(jù)。最后,結合陰影仿真結果和簡化后的太陽輻射模型對建筑物表面進行太陽輻照度計算。

圖1 技術流程

1.2 傾斜攝影測量技術

傾斜攝影測量技術作為遙感領域的新興技術,通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器,采集垂直方向影像的同時采集多個傾斜方向影像,從而獲取地面物體完整準確的三維信息。其數(shù)據(jù)處理流程主要分為4個步驟:①空中三角測量;②多視影像密集匹配;③點云構網(wǎng);④多視紋理映射[14]。首先,結合原始POS數(shù)據(jù),使用ContextCapture軟件對傾斜多視角影像進行空三解算,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的過程,是傾斜影像處理的關鍵步驟,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云進行點云構網(wǎng),獲得實景三維模型并進行紋理映射。在傾斜影像處理過程中,導出密集匹配點云中間處理結果和三維模型數(shù)據(jù),為太陽能潛能評估提供基礎數(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連續(xù)過程,其累計值為瞬時太陽輻射從日出到日落時間段上的積分。而任意時刻的瞬時太陽輻射可分為直接輻射和散射輻射兩部分,且直接輻射是瞬時太陽輻射中的主要部分。如圖2所示,當建筑物處于周圍物體的陰影中時,接收不到太陽光的直接輻射,瞬時輻射只包含散射輻射,因此陰影仿真對計算瞬時輻射至關重要[16]。陰影仿真分析是計算某一時刻物體的陰影范圍,從而判斷某一點在此時是否受到其周圍環(huán)境的遮擋[17]。

圖2 陰影場景分析

采用遮擋角算法進行陰影仿真。首先計算建筑表面每個位置上的遮擋情況,統(tǒng)計水平360°范圍各方位角的遮擋高度角θ。進行陰影仿真時,通過判斷該點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是否處于陰影中。文獻[18]中對該算法的參數(shù)進行了詳細分析,本文針對該場景傾斜攝影測量密集匹配點云的特點,設置了50 m的遮擋半徑進行分析,以便于計算和應用。此外,一天當中,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,對瞬時輻射進行積分計算時,需采用微元法對一天內(nèi)從日出到日落時間段進行等間隔分割。陰影仿真計算時間間隔越短仿真結果越準確,但是計算效率也越低[19]。為平衡計算效率和計算精度,本文選擇0.5 h時間間隔進行陰影仿真,在保持相對較高計算精度的同時又不會較大降低計算效率。

1.4 太陽輻照度計算

現(xiàn)有的太陽輻射模型中,有經(jīng)驗公式及半理論半經(jīng)驗公式[20]。文獻[21]中對各種模型的計算結果作了詳細的比較。其中,Ghouard model模型不僅計算結果與實際測量值最接近,而且還考慮了氣候條件對太陽輻照度的影響,可以根據(jù)不同的天氣狀況對模型做出相應的調(diào)整[19]。因此,本文選擇Ghouard model模型計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時間段內(nèi)的總太陽輻照度;BTh為水平地面瞬時直接輻射;DTh為水平地面瞬時散射輻射;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?shù)亟?jīng)度和緯度計算。

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,水平地面上瞬時直接輻射值BTh計算公式為

(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散射輻射統(tǒng)一計算公式[22]為

(4)

2 研究區(qū)域概況

為驗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)進行太陽能潛能評估試驗。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,日照時間長。綜合以上條件,該廠區(qū)適合安裝光伏設備收集太陽能為廠區(qū)提供清潔能源?？紤]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,因此需對該區(qū)域進行建筑表面太陽能潛能評估計算,為光伏設備的安裝提供指引。

3 試驗結果與分析

3.1 陰影仿真結果

為驗證陰影仿真結果的準確性,將陰影仿真結果與無人機拍攝影像建立的三維模型中的陰影進行了對比。圖3(a)中的陰影區(qū)域1—4為無人機影像拍攝時刻上午10:28形成的區(qū)域。圖3(b)為陰影仿真計算的上午10:28陰影區(qū)域,對比兩圖對應的陰影區(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 陰影仿真結果與實景三維模型中陰影對比

為更直觀準確對比陰影仿真結果的準確性,本文對兩圖中陰影區(qū)域1—4的面積和周長進行了定量分析,分析結果見表2。根據(jù)對比結果,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)域為-4.61%。造成不同區(qū)域陰影面積及周長之間比例差異不同的原因可能有兩個。其一,選取的陰影仿真時間更靠近區(qū)域1、區(qū)域2拍攝影像的時間,因此區(qū)域1和區(qū)域2兩者之間的差異更小;其二,計算陰影區(qū)域面積及周長存在誤差。總體來看,本文采用傾斜攝影測量點云進行陰影仿真,其結果是準確可靠的。

表2 陰影仿真結果與實景三維模型中的陰影對比

3.2 太陽輻照度計算結果

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)右側的色條值統(tǒng)計了該場景下不同輻照度范圍的空間點占比分布。根據(jù)統(tǒng)計值,夏季地表輻照度值在7000 W·h/m2以上的空間點占整個場景點云數(shù)量的50%以上,春季和秋季地表輻照度值在7000 W·h/m2以上的空間點占整個場景點云數(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。

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,從計算結果可以看出,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)計算結果,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行光伏發(fā)電板的安裝。

3.3 屋頂太陽輻照度結果分析

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算值進行插值的結果。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太陽輻照度約為115.60 GW·h,若在該廠區(qū)屋頂安裝光伏設備,假設光伏設備轉換效率為15%[23],則屋頂光伏板一年發(fā)電量約為17.34 GW·h。結合每月屋頂太陽輻照度計算結果,發(fā)現(xiàn)5—8月是一年中太陽輻照度最強的幾個月份。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算結果

3.4 立面太陽輻照度結果分析

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時間段內(nèi),接收到的最大瞬時太陽輻照度為249 W·h/m2,出現(xiàn)在7月約10:00。因為東朝向立面與西朝向立面相對,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,但分布時間正好相反。

圖6 不同朝向立面每天不同時刻太陽輻照度變化

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間是一年中4個方向最大的。南朝向立面上的最大瞬時輻照度值為268 W·h/m2。因為夏季太陽高度角較大,朝南立面上的太陽光線入射角也較大,從而導致接收到的太陽輻照度較小。北朝向立面是一年中4個方向上接收到太陽輻照度最小的,太陽光照射時間也最短。

4 結 論

針對現(xiàn)有建筑物太陽輻照度評估方法存在的不足,本文以傾斜攝影測量數(shù)據(jù)為基礎,實現(xiàn)了建筑物表面太陽能潛能的一體化評估。該方法以廣州市南沙區(qū)保稅港區(qū)唯品會廠房為試驗區(qū),通過傾斜攝影測量獲取建筑物屋頂朝向、坡度及面積等信息,計算建筑表面單位面積太陽輻射量,進而對建筑表面太陽能潛力自動、快速評估。試驗表明,本文方法能夠實現(xiàn)建筑表面太陽輻照度的準確計算,有效拓展傾斜攝影測量三維模型的應用范圍。對太陽能潛能評估,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)的太陽輻照度計算結果,還可對光伏發(fā)電板進行方向調(diào)整以提高太陽能資源利用率。通過對建筑表面太陽能潛能進行評估,能夠有效降低光伏開發(fā)成本,為我國建筑光伏一體化開發(fā)提供重要思路與技術支撐。