基于GIS 的地域性光气候信息系统

By | 2020年7月24日

  1 媒介


  自然光是一种平安的、取之没有尽用之没有竭的清洁动力,充沛行使自然光,能够节约年夜量照明用电以及维护环境。我国地处温带,气象平和,自然光资本非常丰厚,以是充沛行使自然光成为我国倒退可继续修建的首要方面。自然光的行使面对的最年夜成绩就是它的没有稳固性以及可变性,光气象钻研是采光设计的首要根底。


  1. 1 修建设计外乡化趋向


  以后修建设计在往生态化以及可继续标的目的倒退,这就提出了修建设计的外乡化( localization) 需求。也就是要求修建要顺应外地的天文环境、气象前提、修建资料、汗青文明以及生存形式等等,这样能力正在保障温馨度没有升高的条件下使修建最年夜限制地节约动力以及维护环境。为了只管即便少地制作人工环境,外乡化的修建设计中外地的气象前提是必需要思考的首要要素,光气象是此中与修建采光无关的一个首要方面。光气象的钻研就是为了失去牢靠的自然光数据,以便修建师进行精确的采光较量争论以及设计,这样能够无效地节约电能,同时失去较温馨的室内光环境。


  1. 2 外乡化的光气象数据


  我国地区广宽,没有同地域,没有同工夫的光气象前提存正在着微小的差别,以是修建师以及照明工程设计师正在进行修建采光设计时必需思考没有同工夫段以及特定地域的详细特性。以往正在采光设计时,往往以全阴天状况下的采光系数为根据进行采光较量争论。尽管也思考了地区的差异,然而五个分区关于960 万平方千米的广宽地区来讲显然是不敷的,激进的采光较量争论假定带来了电能的糜费。


  外乡化的修建设计以及采光设计需求外乡化的光气象数据,短时间以及长时间的地区性光气象数据包罗太阳辐射量、室外照度以及天空亮度散布等,关于修建采光设计、修建设计以及都会设计都是必不成少的。光气象变化多端,室外可行使的自然光以及天空状况跟着工夫以及地址正在不绝地变动着。为了失去更好的外乡化设计成果,需求钻研正在外地气象前提下自然光的变动法则,即取得地区性的光气象数据。


  1. 3 GIS 正在数据解决中的使用


  天文信息零碎( Geographic Information System,GIS) 是一种特定的空间信息零碎,它是正在较量争论机硬、软件零碎支持下,对整个或局部地球表层( 包罗年夜气层) 空间中的无关天文散布数据进行采集、贮存、治理、运算、剖析、显示以及形容的技巧零碎。天文信息零碎用于剖析以及解决正在肯定天文区域内散布的各类景象以及进程,处理复杂的布局、决议计划以及治理成绩。GIS 应该提供如下几个根本性能: 数据的猎取、数据的初步解决、数据的存储及检索、数据的查问与剖析、图形的显示与交互。今朝GIS 正在都会设计中已有使用。将GIS 运用到地区性光气象的存储以及剖析中,能够施展GIS 解决空间数据的劣势。


  本课题的义务,就是起首运用迷信的办法失去天下各省市的地区性光气象数据,而后将其与天文信息零碎连系,建设牢靠的光气象信息数据库,以便于修建师以及照明设计师进行正当精确的修建采光设计。


  2 光气象数据的取得


  光气象遭到太阳高度角、云量、云状、年夜气通明度等要素的影响。依照IDMP ( InternationalDaylight Measurement Program) 的规则,正在钻研光气象时,招考虑太阳辐射,包罗程度太阳总辐射量、程度太阳直射辐射量、程度太阳散射辐射量等; 室外照度,包罗室外程度面照度和室外垂直照度;天空亮度的散布,包罗全阴天、全好天以及两头天空的亮度散布。太阳辐射标明了太阳光射到地球外表所带来的能量或热量; 天空亮度的散布则影响了室内的照度散布。


  太阳辐射数据的采集较为简略,我国年夜局部地域的太阳辐射数据都比拟容易取得,其汗青数据也比拟丰厚。室外照度数据绝对较少,能搜集到的最新数据只有正在北京以及重庆两地正在上世纪90 年月两年阁下的数据。除了了大批重庆的天顶亮度数据,无关天空亮度散布数据的记录十分少。正在今朝不成能进行年夜规模测试的状况下,需求行使其余办法取得我国的光气象数据。


  除了了IDMP 提倡的高空观测法,取得光气象数据的办法另有天空模子法,数码照片法,卫星图象法,数据转化法等。连系我国太阳辐射数据丰厚以及经费无限的近况,本课题采纳模子转化法,运用从太阳辐射热到室外照度以及天空亮度散布的转化模子,取得需求的光气象数据,其转化流程见图1。



  今朝,光气象数据转化模子是外洋钻研的热点之一,已无数种模子投入应用,依据现有的我国的数据正在比拟了几种支流模子的根底上,本课题抉择了Muneer 模子以及Perez 模子,辨别用来猎取室外照度以及天空亮度散布数据。因为篇幅所限,对于转化模子的抉择以及应用将正在其余文章中专门阐述。


  3 光气象信息零碎的建设


  依据光气象数据转化模子较量争论出的光气象数据,建设我国地区性光气象数据库,并与GIS 相连系,构成我国光气象信息零碎。《光气象信息解决零碎》曾经获得中国国度版权局颁布的较量争论机软件著述权注销证书,注销号: 2010SR000372。该零碎完成的性能模块包罗数据治理模块、视图操作模块、查问检索模块、数据保护模块、分类统计模块、辅佐设计模块等,如图2 所示。



  运用光气象信息零碎,可失去天下32 个次要都会的小时太阳总辐射量、月均匀太阳总辐射量、月均匀散射辐射量、月最年夜总辐射量、月最年夜散射辐射量、太阳高度角、方位角、室外照度、天空亮度散布等数据,以提供应采光设计以及采光较量争论。光气象信息零碎不只能够提供汗青数据,并且能够将新采集的太阳辐射数据输出进零碎,零碎将行使已存储的转换模子,较量争论出室外照度、天空亮度等光气象数据,因而该零碎能够进行及时的数据解决与较量争论,只需用户输出及时的太阳辐射数据,就能够失去及时的更精确光气象数据,因此进一步能够经过采光设计软件及时模仿室内光环境。


  光气象信息零碎将各地光气象的初始数据进行挑选转化,行使模子较量争论出采光设计中需求的数据,再将这些光气象数据以空间属性数据的形式存储。与此同时,将根底天文舆图转化成矢量方式,输出零碎,建设天下对立的坐标网格,构成空间的坐标数据。将光气象数据即空间属性数据与空间坐标数据衔接,构成GIS 完好的空间数据,以点数据以及面数据方式存储。零碎将已存储的空间数据进行数据剖析,包罗统计剖析等。光气象信息零碎总体框架表示图,如图3 所示。


 

  4 室外照度较量争论模子


  光气象信息零碎需求对初始的太阳辐射等数据进行挑选解决,较量争论出室外总照度以及室外散射照度,因而蕴含照度转化模子。零碎中照度较量争论模子流程表示图,如图4 所示。



  从图中能够看出,只需能输出足够具体以及准确的太阳辐射数据,就能够失去恣意时辰的室外总照度值以及室外散射照度值。


  行使该零碎较量争论重庆的室外照度,将较量争论后果与重庆IDMP 观测站的1991 年室外总照度的观测数据进行比照。发现模子正在半夜12 点先后两小时阁下偏差稍年夜,而正在其余工夫的两者非常吻合,较量争论后果比实测后果略高一点。相干均误差MBD 为8. 06%。因而,运用Muneer 模子较量争论我国室外照度有较为称心的精确度。


  另外,本钻研辨别拔取了张晴原著的《中国修建用规范气候数据库》,美国energyplus 寰球气候数据库的天下57 个都会太阳辐射量数据进行比照较量争论,失去两个天下年均匀总照度图。与上世纪80 年月失去的天下年均匀总照度图进行比拟,发现天下各地的照度散布趋向大抵相反,四川地域左近的较为类似,而正在西南部地域的差异稍年夜,另外该零碎输入的照度值普遍要比实测值要小一些。由于缺乏与太阳辐射数据同步的高空观测室外照度数据,以是此处的偏差剖析较难进行。


  5 天空亮度较量争论模子


  依照国内常规较量争论天空亮度散布,就要将天空半球进行分块,较量争论每一一天空块上的亮度数值。本钻研采取将天空半球分为145 块,以15° 为单元进行划分。也就是说正在半球的精度上按15° 划分为360 /15 = 24 份,正在纬度上90 /15 = 6 份,共24* 6 +1 = 145 块,此中包罗天顶的那一块。PEREZ 模子是今朝国内上公认的最权势巨子的转化模子,他的公式十分复杂。咱们行使我国已有的数据对PEREZ 公式的参数进行了确定,从而确定了较量争论模子,输出太阳辐射数据能够失去145 块天空块的亮度值,这一后果能够间接用于室内采光较量争论。


  光气象信息零碎对初始的太阳辐射等数据进行挑选解决,较量争论出天空中各个天空块的亮度数据,该零碎中天空亮度较量争论模子流程表示图如图5 所示。 



  6 论断


  本课题搜集了我国年夜量的地区性光气象数据,运用GIS 技巧建设了地区性光气象信息零碎,输出太阳辐射数据,能够取得更多时段乃至及时的室外照度以及天空亮度散布数据,因此年夜年夜丰厚了我国光气象数据信息。该零碎从此能够与采光软件如Radiance 对接,而且行使GIS 平台失去都会内各街区的光气象数据,为更精确地进行修建采光以及节能设计提供根底。