Доступно с лицензией Spatial Analyst.
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.
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:
- Вычисление направленной вверх полусферической видимости на основе топографии.
- Наложение видимости на карту прямого солнечного освещения для оценки прямого излучения.
- Наложение видимости на карту рассеянного солнечного излучения для оценки рассеянного излучения.
- 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 небо полностью, аналогично виду 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.
Вычисление видимости
Видимость – это растровое представление всего неба, видимого или ограниченного при наблюдении в определенном местоположении. Видимость вычисляется путем поиска в заданных направлениях вокруг исследуемого местоположения и 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. Каждой ячейке растра видимости присваивается значение, которое соответствует тому, видимо ли направление или встречает препятствия. Выходные ячейки (строка и столбец) соответствуют углу зенита θ (угол от направления вверх) и углу азимута α (угол относительно севера) 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 неба. Результирующая видимость показывает, видимы ли направления воздушного пространства (белые), или они встречают препятствия (серые). Видимость показана наложенной на полусферическую фотографию для демонстрации теории.
Видимости используются в соответствии с информацией о положении источника освещения и направлений воздушного пространства (представлены картами солнечного освещения и неба, соответственно) для вычисления прямого, рассеянного и общего (прямое + рассеянное) излучения в каждом местоположении и для создания точной карты инсоляции.
Вычисление карты солнечного освещения
Прямое солнечное излучение, полученное из каждого направления пространства, рассчитывается с использованием карты солнечного освещения в той же полусферической проекции, что и видимость. Карта солнечного освещения – 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. Карта солнечного освещения 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 карты солнечного освещения. Для каждого сектора карты 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 карту солнечного освещения для вычисления прямого излучения.
На следующем рисунке карта солнечного освещения для 45º 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.
Вычисление карты неба
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 карта неба для представления полусферического вида всего воздушного пространства, разделенного на ряд секторов неба, 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 карта неба с секторами неба, определенные по 8 подразделениям зенита и 16 подразделениям азимута. Каждый цвет представляет уникальный сектор или часть неба, из которого происходит рассеянное излучение.
Наложение видимости с картами солнечного освещения и неба
В процессе вычисления инсоляции, растр видимости накладывается на растры карт солнечного освещения и неба для вычисления рассеянного или прямого излучения, полученного из каждого направления воздушного пространства. Доля видимой области неба в каждом секторе вычисляется путем деления количества ячеек, не встречающих препятствия, на общее количество ячеек каждого сектора. Принимается допуск для частично ограниченных секторов неба.
На следующем рисунке показано наложение видимости на картах солнечного освещения и неба. Серый представляет направления воздушного пространства с препятствиями. Солнечное излучение вычисляется путем суммирования прямой и рассеянной инсоляций, полученных из направлений воздушного пространства с препятствиями.
Более подробно об уравнениях, используемых в вычислении солнечного излучения