基于摄影测量匹配点云估算建筑表面太阳辐照度

戴志胜,王鹏飞,周光建

(广州市城市规划勘测设计研究院,广东 广州 510030)

城市的发展离不开能源的供应,而石油、煤、天然气等传统能源的大量使用会给环境带来严重的污染,为实现城市的可持续发展,早日实现碳达峰碳中和,能源结构清洁化调整是未来发展趋势[1]。在众多可供选择的清洁能源中,太阳能因为具有可再生和易获取的优点,成了替代传统能源的一个最佳选择。目前,我国大多数城市具有丰富的太阳能资源,以及充足的建筑物表面可以安装光伏设备,为建筑物自身提供照明供暖等基本需求[2]。为使光伏发电设备效益最大化及协助建筑设计师设计建筑表面,需对建筑物表面接收到的太阳辐照度进行计算。

近几年,有许多测绘相关领域的学者利用影像、激光点云、建筑三维模型或其中两者的结合数据对建筑物表面接收到的太阳能进行研究。其中,影像数据难以表达建筑立面信息,只能对建筑屋顶太阳能潜能进行计算。数字表面模型(DSM)虽然可得到建筑物立面上的太阳辐照度,但是将屋顶轮廓拉伸到地面获得DSM的过程会忽略建筑物立面的相关细节,影响建筑立面太阳能潜能评估的精度[3-6]。而基于模型的方法立面结构相对简单,没有充分考虑立面上的细节信息,且手工建模耗时费力,难以大范围进行估算[7]。随着对地观测技术的进步和发展,激光雷达技术由于能够快速准确获取建筑物几何信息而被广泛应用于太阳能潜能评估研究[8]。通常,地面激光点云能够方便快捷地获得详细的立面结构,但对周围环境的遮挡考虑有限,且难以采集到屋顶点,因此在建筑表面太阳能潜能评估中存在一定缺陷[9-11]。机载点云虽然能够较完整地获得空间上各个物体之间的位置关系,但获取的建筑物立面结构不够精细,且数据采集成本昂贵,不利于大范围区域太阳能潜能计算[12-13]。综上所述,利用现有数据源估算建筑物表面太阳辐照度时,存在许多缺陷。为此,本文提出一种利用倾斜影像密集匹配点云一体化计算建筑屋顶和立面上的太阳辐照度的方法。

1 关键技术

1.1 技术路线

技术流程如图1所示。首先,利用倾斜影像进行三维重建,采用ContextCapture软件对采集的倾斜影像进行空中三角测量平差,计算每张影像精确的外方位元素。其次,进行影像密集匹配获得密集匹配点云,进行三维重建。然后,利用导出的密集匹配点云和三维模型数据进行阴影仿真分析,为建筑表面太阳辐照度计算提供基础数据。最后,结合阴影仿真结果和简化后的太阳辐射模型对建筑物表面进行太阳辐照度计算。

图1 技术流程

1.2 倾斜摄影测量技术

倾斜摄影测量技术作为遥感领域的新兴技术,通过在同一飞行平台上搭载多台传感器,采集垂直方向影像的同时采集多个倾斜方向影像,从而获取地面物体完整准确的三维信息。其数据处理流程主要分为4个步骤:①空中三角测量;②多视影像密集匹配;③点云构网;④多视纹理映射[14]。首先,结合原始POS数据,使用ContextCapture软件对倾斜多视角影像进行空三解算,获取每张影像的内外方位元素。然后,根据每张影像的内外方位元素进行影像密集匹配,影像密集匹配是在两幅或多幅具有重叠度的影像中通过特定的算法提取影像间同名点的过程,是倾斜影像处理的关键步骤,主要采用基于灰度和基于特征的匹配方式[15]。最后,利用密集匹配阶段生成的密集匹配点云进行点云构网,获得实景三维模型并进行纹理映射。在倾斜影像处理过程中,导出密集匹配点云中间处理结果和三维模型数据,为太阳能潜能评估提供基础数据。

1.3 阴影仿真分析

建筑物表面接收太阳辐射是一个连续过程,其累计值为瞬时太阳辐射从日出到日落时间段上的积分。而任意时刻的瞬时太阳辐射可分为直接辐射和散射辐射两部分,且直接辐射是瞬时太阳辐射中的主要部分。如图2所示,当建筑物处于周围物体的阴影中时,接收不到太阳光的直接辐射,瞬时辐射只包含散射辐射,因此阴影仿真对计算瞬时辐射至关重要[16]。阴影仿真分析是计算某一时刻物体的阴影范围,从而判断某一点在此时是否受到其周围环境的遮挡[17]。

图2 阴影场景分析

采用遮挡角算法进行阴影仿真。首先计算建筑表面每个位置上的遮挡情况,统计水平360°范围各方位角的遮挡高度角θ。进行阴影仿真时,通过判断该点指向太阳的射线高度角α与最大遮挡角θ之间的大小判断该点是否处于阴影中。文献[18]中对该算法的参数进行了详细分析,本文针对该场景倾斜摄影测量密集匹配点云的特点,设置了50 m的遮挡半径进行分析,以便于计算和应用。此外,一天当中,随着太阳光线方向的不断变化,阴影位置、大小也在不断变化。因此,对瞬时辐射进行积分计算时,需采用微元法对一天内从日出到日落时间段进行等间隔分割。阴影仿真计算时间间隔越短仿真结果越准确,但是计算效率也越低[19]。为平衡计算效率和计算精度,本文选择0.5 h时间间隔进行阴影仿真,在保持相对较高计算精度的同时又不会较大降低计算效率。

1.4 太阳辐照度计算

现有的太阳辐射模型中,有经验公式及半理论半经验公式[20]。文献[21]中对各种模型的计算结果作了详细的比较。其中,Ghouard model模型不仅计算结果与实际测量值最接近,而且还考虑了气候条件对太阳辐照度的影响,可以根据不同的天气状况对模型做出相应的调整[19]。因此,本文选择Ghouard model模型计算地球表面接收到的太阳辐照度。公式为

(1)

式中,GTh为从trs到tss时间段内的总太阳辐照度;BTh为水平地面瞬时直接辐射;DTh为水平地面瞬时散射辐射;θ为建筑物表面上的太阳光线入射角;β为太阳高度角,可根据当地经度和纬度计算。

Ghouard model模型中总太阳辐照度GTh分为直接辐射BTh和散射辐射DTh两部分计算。直接辐射指的是接收到的、直接来自太阳而不改变方向的太阳辐射,是总太阳辐照度中最主要部分,还有一部分为散射辐射。根据Ghouard model模型,水平地面上瞬时直接辐射值BTh计算公式为

(2)

式中,I0=1367 W/m2,为太阳常数;n为一年中的第几天,从元旦起算;β为太阳高度角;Ct为日地之间距离的改正数,公式为

Ct=1+0.034·cos(n-2)

(3)

A1、A2表示天气状况,具体数值选择见表1。

表1 修正因子

散射辐射指的是接收到的、受大气层散射影响而改变了方向的太阳辐射。与直接辐射不同,根据散射辐射来源可以将散射辐射分为绕阳散射、天穹散射和建筑物散射等不同类型。水平地面上接收到各种不同的瞬时散射辐射统一计算公式[22]为

(4)

2 研究区域概况

为验证本文方法的可行性,本文选取了广州市南沙区保税港区进行太阳能潜能评估试验。该厂区位于(113.599 3°E,22.681 4°N),纬度较低,日照资源充足。厂区内包含多栋占地面积较大的低层厂房和一栋办公楼,总屋顶面积约50 000 m2,占地面积超80 000 m2,周围无其他高层建筑遮挡,日照时间长。综合以上条件,该厂区适合安装光伏设备收集太阳能为厂区提供清洁能源。考虑该厂左上方建筑楼顶已平铺安装太阳能光伏发电板,建筑表面太阳能未能最大化利用,因此需对该区域进行建筑表面太阳能潜能评估计算,为光伏设备的安装提供指引。

3 试验结果与分析

3.1 阴影仿真结果

为验证阴影仿真结果的准确性,将阴影仿真结果与无人机拍摄影像建立的三维模型中的阴影进行了对比。图3(a)中的阴影区域1—4为无人机影像拍摄时刻上午10:28形成的区域。图3(b)为阴影仿真计算的上午10:28阴影区域,对比两图对应的阴影区域,发现两图中的阴影区域1—4的大小、形状、位置都近似相同。

图3 阴影仿真结果与实景三维模型中阴影对比

为更直观准确对比阴影仿真结果的准确性,本文对两图中阴影区域1—4的面积和周长进行了定量分析,分析结果见表2。根据对比结果,发现两者阴影区域面积差异均≤5%,面积差异最大的阴影区域为-4.61%。造成不同区域阴影面积及周长之间比例差异不同的原因可能有两个。其一,选取的阴影仿真时间更靠近区域1、区域2拍摄影像的时间,因此区域1和区域2两者之间的差异更小;其二,计算阴影区域面积及周长存在误差。总体来看,本文采用倾斜摄影测量点云进行阴影仿真,其结果是准确可靠的。

表2 阴影仿真结果与实景三维模型中的阴影对比

3.2 太阳辐照度计算结果

晴空条件下,研究区域地表及建筑表面在不同季节一天内的太阳辐照度分布如图4所示。夏季是太阳辐照度最大的季节,一天内地表接收到的太阳辐照度最高为7851 W·h/m2,春季和秋季一天内地表接收到的太阳辐照度最高值分别为7122 W·h/m2和7046 W·h/m2,冬季一天内地表接收到的太阳辐照度最高值为6203 W·h/m2。图4(a)—(d)右侧的色条值统计了该场景下不同辐照度范围的空间点占比分布。根据统计值,夏季地表辐照度值在7000 W·h/m2以上的空间点占整个场景点云数量的50%以上,春季和秋季地表辐照度值在7000 W·h/m2以上的空间点占整个场景点云数量的不到1%,冬季地表辐照度值没有大于7000 W·h/m2的空间点。

图4 不同季节建筑表面一天内接收到的太阳辐照度

另外,从计算结果可以看出,因建筑屋顶没有其他物体和因太阳位置变化导致的自身遮挡,因此一天内接收到的太阳辐照度最大。根据计算结果,建筑屋顶单位面积接收到的太阳辐照度约为立面上的2～4倍,不同立面之间存在较大差异。因此屋顶是太阳能光伏发电板的最佳安装区域。当建筑屋顶面积太阳能光伏发电不能完全满足建筑自身需求的情况下,可合理利用建筑立面上的太阳能空间进行光伏发电板的安装。

3.3 屋顶太阳辐照度结果分析

图5(a)是建筑物屋顶一年中每天接收到太阳辐照度的变化曲线,该曲线是基于每隔三天计算值进行插值的结果。图5(b)是厂区内5万m2屋顶每月接收到的总太阳辐照度,该厂区屋顶全年接收到的累计太阳辐照度约为115.60 GW·h,若在该厂区屋顶安装光伏设备,假设光伏设备转换效率为15%[23],则屋顶光伏板一年发电量约为17.34 GW·h。结合每月屋顶太阳辐照度计算结果,发现5—8月是一年中太阳辐照度最强的几个月份。一年中散射辐射值变化较小,直接辐射值变化较大。

图5 屋顶接收到的太阳辐照度计算结果

3.4 立面太阳辐照度结果分析

建筑立面朝向不同,一年内接收到的太阳辐照度也存在很大差异。如图6所示,一年中,东朝向的立面接收到的大部分太阳直接辐射都集中在8:00—12:00时间段内,接收到的最大瞬时太阳辐照度为249 W·h/m2,出现在7月约10:00。因为东朝向立面与西朝向立面相对,因此西朝向立面上接收到的太阳辐照度值与东朝向立面接近,但分布时间正好相反。

图6 不同朝向立面每天不同时刻太阳辐照度变化

西朝向立面仅在13:00—17:00能够接收到太阳光的直射,最大瞬时辐照度值为254 W·h/m2。一年中,南朝向立面上的太阳辐照度变化较大,除夏季外,南朝向立面在9:00—16:00期间均能够接收到太阳光的直射。因此,南朝向立面上的日照时间是一年中4个方向最大的。南朝向立面上的最大瞬时辐照度值为268 W·h/m2。因为夏季太阳高度角较大,朝南立面上的太阳光线入射角也较大,从而导致接收到的太阳辐照度较小。北朝向立面是一年中4个方向上接收到太阳辐照度最小的,太阳光照射时间也最短。

4 结 论

针对现有建筑物太阳辐照度评估方法存在的不足,本文以倾斜摄影测量数据为基础,实现了建筑物表面太阳能潜能的一体化评估。该方法以广州市南沙区保税港区唯品会厂房为试验区,通过倾斜摄影测量获取建筑物屋顶朝向、坡度及面积等信息,计算建筑表面单位面积太阳辐射量,进而对建筑表面太阳能潜力自动、快速评估。试验表明,本文方法能够实现建筑表面太阳辐照度的准确计算,有效拓展倾斜摄影测量三维模型的应用范围。对太阳能潜能评估,可为光伏发电板安装提供朝向、坡度等信息,以便高效利用建筑表面太阳能。对于已经安装了太阳能光伏板的建筑表面,依据不同季节的太阳辐照度计算结果,还可对光伏发电板进行方向调整以提高太阳能资源利用率。通过对建筑表面太阳能潜能进行评估,能够有效降低光伏开发成本,为我国建筑光伏一体化开发提供重要思路与技术支撑。