Mit der Spatial Analyst-Lizenz verfügbar.
Die Sonneneinstrahlung, auch Solareinstrahlung genannt, ist ein grundlegendes Konzept der Solarenergie und der Meteorologie. Gemeint ist damit die von der Sonne ausgesandte elektromagnetische Strahlung, die ein breites Spektrum von Wellenlängen umfasst, darunter ultraviolettes, sichtbares und infrarotes Licht. Durch die Quantifizierung und Analyse von Sonneneinstrahlungsdaten sind Sie in der Lage, das Design und die Performance von Solaranlagen zu optimieren, die Saatgutauswahl und landwirtschaftliche Bewässerung zu verbessern, Vorhersagen zu Schneeschmelze und Abfluss zu treffen, sich ein Bild der Waldbrandgefahr zu machen und optimale Gebiete für bestimmte Pflanzen, Tiere oder Bauvorhaben zu ermitteln.
Die Sonnenstrahlung wird von der Sonne ausgesendet, durchquert die Erdatmosphäre und kommt auf der Erdoberfläche als direkte, diffuse und reflektierte Strahlung an. Direkte Strahlung ist Strahlung, die die Erdoberfläche ungehindert auf direktem Weg erreicht. Diffuse Strahlung wird durch die Bestandteile der Atmosphäre, z. B. Wolken und Staub, gestreut. Reflektierte Strahlung ist die Strahlung, die von einer Oberfläche in eine andere Richtung zurückgeworfen wird. Die Summe der direkten, diffusen und reflektierten Strahlung wird als gesamte oder globale Sonneneinstrahlung bezeichnet. Die Werkzeuge für die Sonneneinstrahlung beziehen die reflektierte Strahlung bei der Berechnung der Gesamtstrahlung nicht ein. Daher ist die berechnete Gesamtstrahlung die Summe der direkten und diffusen Strahlung.
Für die Werkzeuge Sonneneinstrahlung (Raster) und Sonneneinstrahlung (Feature) lautet die allgemeine Analyselogik für Positionen (Zellen) wie folgt:
- Es wird die Himmelskarte für diffuse Strahlung berechnet.
- Es wird die Himmelskarte für direkte Strahlung berechnet.
- Es wird das hemisphärische Sichtfeld zur Darstellung des sichtbaren Himmels berechnet.
- Das Sichtfeld wird mit der Himmelskarte und der Sonnenkarte überlagert, um den Anteil des sichtbaren Himmels zu ermitteln und so die diffuse, die direkte und die Gesamtstrahlung zu berechnen.
- Der Vorgang wird für jede Position wiederholt, um eine Raster-Karte bzw. Feature-Daten der Sonneneinstrahlung zu erzeugen.
Weitere Informationen zur Berechnung von Himmelskarten, Sonnenkarten und Sichtfeldern finden Sie unter Modellierung der Sonneneinstrahlung.
Weitere Informationen zur Funktionsweise von Sonneneinstrahlung (Feature)
Weitere Informationen zur Funktionsweise von Sonneneinstrahlung (Raster)
Berechnung der Sonnenkarte
Bei den Werkzeugen Sonneneinstrahlung (Raster) und Sonneneinstrahlung (Feature) werden während der Analyse zahlreiche Sonnenkarten erstellt. Dadurch ist es möglich, größere Analysebereiche zu modellieren: Indem der Veränderung des Sonnenwinkels in Abhängigkeit von Breiten- und Längengrad Rechnung getragen wird, ergibt sich eine genauere Modellierung des Sonnenstandes über der Landschaft.
Direkte Sonneneinstrahlung aus allen Himmelsrichtungen wird berechnet, indem eine Sonnenkarte in derselben hemisphärischen Projektion wie das Sichtfeld verwendet wird. Eine Sonnenkarte ist eine Raster-Darstellung, die die scheinbare Position der Sonne im Verlauf der Stunden eines Tages oder der Tage eines Jahres anzeigt. Dies ist vergleichbar mit der Betrachtung des Sonnenstandes am Himmel und seiner Veränderung im Zeitverlauf.
Die Sonnenkarte besteht aus einzelnen Sektoren, die durch die Position der Sonne für jeden Tag definiert werden. Dabei wird für die Erde ein Intervall von 0,5 Stunden und für den Mond ein Intervall von 2 Stunden UTC (koordinierte Weltzeit) verwendet. Das Intervall für den Mond ist größer, weil Mondtage viel länger als Erdtage sind. Jedem Sektor der Sonnenkarte wird eine eindeutige Kennung zugeordnet, und es werden der Zenit- und der Azimutwinkel (Höhenwinkel) am Schwerpunkt berechnet. Die Sonnenkarte wird täglich berechnet, wobei die Menge an Sonnenstrahlung, die von jedem Sektor ausgeht, getrennt berechnet wird. Das Sichtfeld wird dann mit den Sonnenkarten überlagert, um die direkte Strahlung aus jedem Sektor zu berechnen.
Die Sonnenkarte ändert sich relativ zur Position in Abhängigkeit von Breitengrad, Längengrad und Höhe. Optimal wäre es, eine Sonnenkarte für jedes Pixel der Eingabeoberfläche zu berechnen. Aus Effizienzgründen wird eine Sonnenkarte allerdings auf eine Gruppe benachbarter Pixel der Eingabeoberfläche angewendet. Sonnenkarten werden anhand des räumlichen H3-Indizierungssystems als Gitter aus sechseckigen Kacheln berechnet.
Weitere Informationen zum globalen diskontinuierlichen H3-Gitter erhalten Sie unter https://h3geo.org/.
Die relative Größe der Sonnenkartenbereiche wird mit dem Parameter Sonnenkarten-Gitterebene gesteuert. Dieser Parameter steuert die Geschwindigkeit und Genauigkeit der Berechnung. Er passt die Auflösung der sechseckigen Gitterzellen an, die für die internen Berechnungen verwendet werden. In den folgenden Abbildung ist dargestellt, wie bei den Gitterebenen 5, 6 und 7 Sonnenkarten für den jeweils gleichen Bereich auf der Erdoberfläche angewendet werden. Auf alle Zellen des Eingabe-Oberflächen-Rasters, die innerhalb eines jeweiligen Hexagongitters liegen, werden dieselben Sonnenkartenwerte angewendet.
Mit niedrigeren Gitterebenen werden größere Sonnenkartenbereiche erstellt, und die Ausführung des Werkzeugs wird beschleunigt. Mit einer höheren Gitterebene werden zahlreiche kleinere Sonnenkarten erstellt, und die Genauigkeit des Ergebnisses wird verbessert. Bei einer größeren Sonnenkarte werden die Sonnenstandwerte für den gesamten Bereich des Sonnenkarten-Gitters generalisiert. Somit sind die Werte für Sonnenwinkel- und höhe auch an den Extremen gleich. Um hingegen den Sonnenstand über der Landschaft genauer zu analysieren, müssen Sie die höchsten Gitterebenen verwenden.
In der folgenden Tabelle wird die durchschnittliche Fläche der Hexagongitterzellen für jede Sonnenkartenebene in der Einheit Quadratkilometer dargestellt.
| Ebene | Erde | Mond |
|---|---|---|
4 | Nicht anwendbar | 131,6 |
5 | 252,9 (Standard > 4 m) | 18,8 |
6 | 36,1 (Standard > 4 m) | 2,69 (Standard) |
7 | 5,16 | Nicht anwendbar |
Berechnen der Sonneneinstrahlung für die Erde und den Mond
Die Sonneneinstrahlung ist die primäre Energiequelle für zahlreiche physikalische und biologische Prozesse auf der Erde. Die Analyse ihrer Wirkung auf der Ebene von Landschaften ist von grundlegender Bedeutung für das Verständnis einer Vielzahl irdischer natürlicher Prozesse und menschlicher Aktivitäten.
Die Berechnungsgrundlage für die Sonneneinstrahlungsanalyse von Mond und Erde ist identisch. Es müssen jedoch physische und zeitliche Unterschiede berücksichtigt werden. So beträgt die Länge eines Mondtages beispielsweise 29,5 Erdtage. Auf dem Mond gibt es keine Atmosphäre, daher wird keine diffuse Strahlung berechnet. Folglich entspricht die Gesamtstrahlung der direkten Strahlung. Bei mondbezogenen Berechnungen wird die Zeit in koordinierter Weltzeit (UTC) definiert, da die auf der Erde verwendeten Zeitzonen auf dem Mond keinen Sinn ergeben. Bei der Berechnung von Intervallen wird eine Mindestzeitspanne von 0,5 Stunden für die Erde und von 2 Stunden für den Mond zugrunde gelegt.
Analysen auf dem Mond
Die Analyse der Sonnenstrahlung auf dem Mond spielt für die Planetenforschung und für Organisationen wie das NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL) eine wichtige Rolle. Im Folgenden sind einige Anwendungsgebiete aufgeführt:
- Untersuchung der Mondgeologie und thermische Analysen
- Erforschung potenzieller Eisvorkommen in Gebieten, die wenig oder gar kein Licht erhalten, den sog. permanent abgeschatteten Regionen (Permanently Shadowed Regions, PSR)
- Eingaben für Navigation und Routenplanung für solarbetriebene autonome Fahrzeuge
- Bestimmung des optimalen Standortes für zukünftige solarbetriebene Einrichtungen auf dem Mond
Für den Einstieg finden Sie Monddaten auf Moon Trek, einer vom NASA JPL unterstützten Anwendung. Darin können Sie eine Vielzahl an Monddatenprodukten anzeigen und herunterladen.
Weitere Informationen zu Moon Trek finden Sie auf der NASA-Website https://trek.nasa.gov/moon.
Verwendung einer GPU
Wenn Sie bestimmte GPU-Hardware auf Ihrem System installiert haben, zeigen die Werkzeuge Sonneneinstrahlung (Raster) und Sonneneinstrahlung (Feature) bessere Performance. Andernfalls wird die Analyse vollständig auf der CPU verarbeitet. Die Werkzeugausführung mit einer kompatiblen GPU ist bedeutend schneller als mit der CPU. Bei der Verarbeitung auf der CPU werden für die beiden Werkzeuge alle verfügbaren Prozessorkerne genutzt, um eine größtmögliche Performance-Steigerung zu erzielen. Verwenden Sie den Parameter Zielgerät für Analyse, um zu steuern, ob das Werkzeug mit der GPU oder der CPU ausgeführt wird.
Details zu kompatiblen GPUs, zum Konfigurieren von und Arbeiten mit GPU-Geräten sowie Tipps zur Problembehandlung finden Sie unter GPU-Verarbeitung mit Spatial Analyst.
Integration mit SPICE API
Die Werkzeuge für die Sonneneinstrahlung nutzen die SPICE-Software der NASA, um die relativen Positionen von Sonne, Erde und Mond in Raum und Zeit zu bestimmen. Die primären SPICE-Datasets werden als "Kernels" bezeichnet. Die Kernel-Daten setzen sich aus Navigationsdaten und anderen Zusatzinformationen zusammen und liefern exakte Beobachtungsgeometrien für Himmelskörper. Diese Daten sind im Rahmen der Installation von ArcGIS Pro enthalten. Esri aktualisiert die Kernels auf die aktuelle Version, die zum Zeitpunkt der Veröffentlichung verfügbar ist. Das Aktualisieren oder Hinzufügen zusätzlicher Kernel-Dateien durch den Benutzer wird nicht unterstützt.
SPICE dient nicht der direkten Berechnung der Sonneneinstrahlung.
Weitere Informationen zu SPICE finden Sie auf der Website der Navigation and Ancillary Information Facility des NASA JPL: https://naif.jpl.nasa.gov/naif/.
Zusätzliche Quellen
Acton, Charles A. 1996. "Ancillary data services of NASA's Navigation and Ancillary Information Facility." Planetary and Space Science Band 44, Ausgabe 1, Januar 1996, S. 65–70. https://doi.org/10.1016/0032-0633(95)00107-7
Acton, Charles, Nathaniel Bachman, Boris Semenov und Edward Wright. 2018. "A look towards the future in the handling of space science mission geometry." Planetary and Space Science Band 150, Januar 2018, S. 9–12. https://doi.org/10.1016/j.pss.2017.02.013
Brodsky, Isaac. 2018. "Uber’s Hexagonal Hierarchical Spatial Index H3." Engineering (Blog), 27. Juni 2018. https://www.uber.com/blog/h3/