CN115982794A - 一种利用山体等高线高效计算日照阴影区域的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用山体等高线高效计算日照阴影区域的方法，该法主要由以下四个功能模块组成：(1)栅格化高程数据生成模块，主要用于将目标山地区域的等高线数据，转化为栅格化的高程数据；(2)目标时间点太阳高度角与方位角计算模块，主要用于计算目标区域在目标时间点的太阳高度角与方位角信息；(3)目标时间点栅格化阴影分析模块，主要用于计算得到给定时间点的栅格化阴影数据；(4)目标时间段阴影分析模块，主要用于分析给定时间段内目标区域阴影情况。基于该法开发一款AutoCAD上的等高线阴影分析插件，能够根据用户的精度要求，在图纸上标记出目标区域在目标时间点、目标时间段的阴影区域，达到辅助光伏电站设计施工的目的。

Description

一种利用山体等高线高效计算日照阴影区域的方法

技术领域

本发明涉及日照分析计算领域，特别涉及一种利用山体等高线高效计算日照阴影区域的方法。

背景技术

近年来随着国内光伏电站的快速发展建设，可用来架设光伏电站的平坦区域日趋减少，山地区域将成为重要的光伏电站建设对象。山地区域地形复杂，在进行光伏电站建设时需要精确分析目标时间段(例如冬至日9点至15点)的山体阴影情况，以便为后续光伏电站的设计和施工提供参考。

当前在山地光伏电站设计时，对山体阴影区域分析主要有以下3种方法：

1)通过对目标区域进行实测记录，获取无阴影遮挡时间。如果需要得到全年的精确数据，需要长时间的实测记录信息，同时实测数据还会受实测当天的天气影响。

2)根据光伏电站所在地经纬度、山地海拔、坡度等参数，计算太阳赤纬、高度角、方位角等信息，再分析计算目标区域的阴影遮挡情况。对于地形较为复杂的山地区域，例如山谷、丘陵，很难对阴影区域的轮廓进行准确的分析计算。

3)利用部分辅助设计软件(例如SketchUp、Candela3D、ArcGIS)的内置算法进行目标区域的阴影分析。当前主要依赖于SketchUp等软件中内置的阴影分析算法(Canela3D基于SketchUp开发)，而SketchUp、ArcGIS作为商业软件，能够对模型所在地区域进行阴影和日照分析，但其计算为黑盒过程，且不能精确给出阴影区域的详细坐标信息，并缺少光伏电站设计时关心的目标时间段山体阴影分析功能。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种利用山体等高线高效计算日照阴影区域的方法。

本发明所要解决的技术问题：

如何利用目标区域的等高线信息，获得离散的栅格化高程数据，再通过所在地经纬度及时间信息，计算分析目标区域在目标时间点、目标时间段的阴影情况，并可通过自定义单位栅格大小，改变阴影区域的分析计算精度，为山地光伏设计提供一种高效便利的日照阴影分析手段；

为解决上述技术问题，本发明提供以下的技术方案：

一种利用山体等高线高效计算日照阴影区域的方法，主要由以下四个功能模块组成：(1)栅格化高程数据生成模块；(2)目标时间点太阳高度角与方位角计算模块；(3)目标时间点栅格化阴影分析模块；(4)目标时间段阴影分析模块。

(一)各部分的主要功能

(1)栅格化高程数据生成模块

栅格化高程数据生成模块主要用于将目标山地区域的等高线数据，转化为栅格化的高程数据。具体的转化方法如下：

①根据用户自定义的单位栅格大小，初始化覆盖目标区域的高程栅格数据矩阵，各栅格的初始高程值可设为0米；

②若单位栅格中存在等高线信息，则该栅格高程数据设为等高线的高程值，如果单位栅格中存在多条等高线信息，可通过均值法、中值法，或取最高值法确定单位栅格的高程值；

③对高程栅格数据矩阵进行若干次中值滤波、最大值滤波，或均值滤波等滤波算法处理，得到最终的栅格化高程数据。

(2)目标时间点太阳高度角与方位角计算模块

目标时间点太阳高度角与方位角计算模块主要用于计算目标区域在目标时间点的太阳高度角与方位角信息。具体的计算过程如下：

①根据日期信息，计算太阳的赤纬角；

②根据经度信息和给定时间信息，计算太阳时角；

③根据纬度信息、赤纬角和太阳时角，计算太阳高度角；

④根据太阳高度角、纬度信息和赤纬角，计算太阳方位角。

(3)目标时间点栅格化阴影分析模块

目标时间点栅格化阴影分析模块主要用于计算得到给定时间点的栅格化阴影数据。具体实现方式如下：

①初始化阴影栅格数据矩阵，矩阵维数与高程栅格数据矩阵相同，初始值为0，表示无阴影。

②根据高程栅格数据，逐个高程栅格分析阴影情况：

a)根据该栅格高程信息、太阳高度角信息，计算该栅格目标时间点的阴影长度；

b)根据阴影长度和太阳方位角信息，确定该栅格阴影可能会影响到的栅格区域；

c)根据可能受影响栅格的高程信息、太阳高度角信息，确定是否存在阴影，有阴影则将该栅格的阴影栅格数据置1。

(4)目标时间段阴影分析模块

目标时间段阴影分析模块主要用于分析给定时间段内目标区域阴影情况，此处时间段为某一天中的连续时间段。具体实现方式如下：

①在用户给定的时间段内，间隔N小时(可自定义间隔周期N)进行时间点采样，分别计算采样时间点的栅格化阴影数据；

②将所有采样时间点的阴影栅格数据矩阵，按栅格位置进行或操作，即可得到目标时间段的阴影栅格数据矩阵。

(二)具体工作流程

(1)目标时间点的日照阴影区域计算

本发明所述方法，在获得目标区域等高线数据后，根据用户设定的单位栅格大小(单位栅格大小决定了阴影区域的计算精度)，分析计算目标时间点的日照阴影区域的具体步骤如下：

S1：根据目标区域大小以及单位栅格大小，初始化高程栅格数据矩阵，各栅格的初始高程值可设为0米；

S2：根据目标区域的等高线信息，计算高程栅格数据矩阵，并进行滤波处理，得到最终的栅格化高程数据；

S3：初始化阴影栅格数据矩阵，矩阵维数与高程栅格数据矩阵相同，初始值为0，表示无阴影；

S4：根据目标区域经纬度及时间点信息，计算太阳高度角与方位角；

S5：结合S2至S4的计算结果，计算阴影栅格数据，栅格中值为1表示有阴影，0表示无阴影；

S6：输出阴影栅格数据矩阵中为1的区域位置信息，即为日照阴影区域的分析结果。

(2)目标时间段的日照阴影区域计算

本发明所述方法，分析计算目标时间段的日照阴影区域的具体步骤如下：

S1：根据目标区域大小以及单位栅格大小，初始化高程栅格数据矩阵，各栅格的初始高程值可设为0米；

S2：根据目标区域的等高线信息，计算高程栅格数据矩阵，并进行滤波处理，得到最终的栅格化高程数据；

S3：对目标时间段按照自定义间隔周期T，取N个采样时间点；

S4：参照目标时间点的日照阴影区域计算方法，完成N个采样时间点的阴影栅格数据计算；

S5：将S4计算得到的所有采样时间点的阴影栅格数据矩阵，按栅格位置进行或操作，得到目标时间段的阴影栅格数据矩阵；

S6：输出阴影栅格数据矩阵中为1的区域位置信息，即为日照阴影区域的分析结果。

本发明获得的有益效果：

本发明所述的一种利用山体等高线高效计算日照阴影区域的方法，能够根据等高线信息，快速准确地分析计算用户指定时间点或时间段内的日照阴影区域，相比现有的山体阴影分析手段，具有以下优势：(1)用户可对全年任意时间点或时间段的日照阴影情况进行分析，不受天气、时间等条件约束；(2)方法易于用计算机编程实现，可对任意不规则的等高线图进行自定义精度的阴影分析；(3)计算过程透明，可根据实际需要，通过更改栅格滤波算法、栅格尺寸大小、采样时间间隔等参数，获得不同精度的阴影分析结果。

附图说明

图1为本发明所述方法的分析计算目标时间点日照阴影区域的工作流程图。

图2为本发明所述方法的分析计算目标时间段日照阴影区域的工作流程图。

图3为本发明所述方法的一种典型实施方式的工作流程图。

具体实施方式

下面通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

本发明针对上述方法，开发了一款Auto CAD上的等高线阴影分析插件，能够根据用户的精度要求，在图纸上标记出目标区域在目标时间点、目标时间段的阴影区域，达到辅助光伏电站设计施工的目的。该插件工作的主要步骤如下：

S1：用户在AutoCAD中选择待进行日照阴影分析的区域，并设置区域中心的经纬度信息、单位栅格大小，选择目标时间点或目标时间段，如果选择目标时间段，则需要设置采样时间间隔；

S2：读取CAD文件中目标区域内的等高线，一般属性为多段线或二次多段线；

S3：获取各条等高线的组成点信息，每个点中包含X、Y坐标，以及高程值；

S4：根据目标区域大小以及单位栅格大小，初始化覆盖目标区域的高程栅格数据矩阵，各栅格的初始高程值设为0米；

S5：若高程栅格中包含等高线的组成点信息，则用组成点的高程值更新该栅格的值，若包含多个组成点信息，通过均值法、中值法，或取最高值法确定单位栅格的高程值，再对高程栅格数据矩阵进行滤波处理，得到最终的栅格化高程数据；

S6：对目标时间段按照间隔周期，取N个采样时间点，如果用户设置的为目标时间点，则只有时间采样点1；

S7：初始化各时间采样点对应的阴影栅格数据矩阵，矩阵维数与高程栅格数据矩阵相同，初始值为0，表示无阴影；

S8：根据目标区域经纬度及时间点信息，计算太阳高度角与方位角；

S9：结合S5、S7与S8的计算结果，完成N个采样时间点的阴影栅格数据计算，栅格中值为1表示有阴影，0表示无阴影；

S10：将S9计算得到的所有采样时间点的阴影栅格数据矩阵，按栅格位置进行或操作，得到最终的阴影栅格数据矩阵，在AutoCAD中新建层，并标记阴影栅格数据矩阵中为1的区域位置，即为日照阴影区域的分析结果。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内；本发明未涉及的技术均可通过现有技术加以实现。

Claims (4)

1.一种利用山体等高线高效计算日照阴影区域的方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)若是分析计算目标时间点的日照阴影区域，则具体步骤包括：S1：根据目标区域大小以及单位栅格大小，初始化高程栅格数据矩阵，各栅格的初始高程值设为0米；S2：根据目标区域的等高线信息，计算高程栅格数据矩阵，并进行滤波处理，得到最终的栅格化高程数据；S3：初始化阴影栅格数据矩阵，矩阵维数与高程栅格数据矩阵相同，初始值为0，表示无阴影；S4：根据目标区域经纬度及时间点信息，计算太阳高度角与方位角；S5：结合S2至S4的计算结果，计算阴影栅格数据，栅格中值为1表示有阴影，0表示无阴影；S6：输出阴影栅格数据矩阵中为1的区域位置信息，即为日照阴影区域的分析结果；(2)若分析计算目标时间段的日照阴影区域，则具体步骤包括：S1：根据目标区域大小以及单位栅格大小，初始化高程栅格数据矩阵，各栅格的初始高程值设为0米；S2：根据目标区域的等高线信息，计算高程栅格数据矩阵，并进行滤波处理，得到最终的栅格化高程数据；S3：对目标时间段按照自定义间隔周期T，取N个采样时间点；S4：参照目标时间点的日照阴影区域计算方法，完成N个采样时间点的阴影栅格数据计算；S5：将S4计算得到的所有采样时间点的阴影栅格数据矩阵，按栅格位置进行或操作，得到目标时间段的阴影栅格数据矩阵；

S6：输出阴影栅格数据矩阵中为1的区域位置信息，即为日照阴影区域的分析结果。

2.根据权利要求1所述的一种利用山体等高线高效计算日照阴影区域的方法，其特征在于，该方法包括栅格化高程数据生成模块，所述栅格化高程数据生成模块具体的转化方法如下：

①根据用户自定义的单位栅格大小，初始化覆盖目标区域的高程栅格数据矩阵，各栅格的初始高程值设为0米；

②若单位栅格中存在等高线信息，则该栅格高程数据设为等高线的高程值；如果单位栅格中存在多条等高线信息，通过均值法、中值法，或取最高值法确定单位栅格的高程值；

③对高程栅格数据矩阵进行若干次中值滤波、最大值滤波，或均值滤波算法处理，得到最终的栅格化高程数据。

3.根据权利要求1所述的一种利用山体等高线高效计算日照阴影区域的方法，其特征在于，该方法包括目标时间点栅格化阴影分析模块，所述目标时间点栅格化阴影分析模块具体实现方式如下：

①初始化阴影栅格数据矩阵，矩阵维数与高程栅格数据矩阵相同，初始值为0，表示无阴影；

②根据高程栅格数据，逐个高程栅格分析阴影情况：

a)根据该栅格高程信息、太阳高度角信息，计算该栅格目标时间点的阴影长度；

b)根据阴影长度和太阳方位角信息，确定该栅格阴影可能会影响到的栅格区域；

c)根据可能受影响栅格的高程信息、太阳高度角信息，确定是否存在阴影，有阴影则将该栅格的阴影栅格数据置1。

4.根据权利要求1所述的一种利用山体等高线高效计算日照阴影区域的方法，其特征在于，该方法包括目标时间段阴影分析模块，所述目标时间段阴影分析模块具体实现方式如下：

①在用户给定的时间段内，间隔N小时进行时间点采样，分别计算采样时间点的栅格化阴影数据；

②将所有采样时间点的阴影栅格数据矩阵，按栅格位置进行或操作，即可得到目标时间段的阴影栅格数据矩阵。

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