本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種利用激光點(diǎn)云進(jìn)行太陽能資源評估的方法。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)的太陽能潛力評估主要是在設(shè)備安裝過程中采用人為主觀估計(jì)的方法，然而太陽輻射分布同時(shí)取決于時(shí)間、氣候以及調(diào)查環(huán)境內(nèi)物體的空間位置關(guān)系，簡單的考察和推算難以應(yīng)對復(fù)雜多變的調(diào)查環(huán)境，如城區(qū)、林地、交通路段。對于傳統(tǒng)手工測量的方法，其分析效率較低，數(shù)據(jù)采集和后續(xù)處理環(huán)節(jié)脫離，難以滿足需求，因此，迫切需要一種具備時(shí)空變換反演能力的精確分析方法。

近年來，LiDAR(Light Detection and Ranging)技術(shù)飛速發(fā)展，其因高度的場景再現(xiàn)能力而適合于日照遮擋分析。激光掃描儀可以快速，高效，精確地獲取調(diào)查區(qū)域內(nèi)的三維信息，得到的數(shù)據(jù)為三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)。目前，利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行太陽能潛力評估的工作集中于機(jī)載點(diǎn)云，且大多處于研究階段。其處理流程主要是通過原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成數(shù)字表面模型(DSM)，然后直接在DSM網(wǎng)格上進(jìn)行陰影計(jì)算，這種方法主要用于城市級尺度的太陽能潛力評估。而在微觀調(diào)查尺度下(例如對于單棟建筑屋頂)，仍需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行多邊形建模來確保分析質(zhì)量，建筑物目標(biāo)的還原程度取決于結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)在建模過程中的保留程度。多邊形模型需要大量的手工操作或是先驗(yàn)的幾何模型和參數(shù)，城市環(huán)境的復(fù)雜性為該方法帶來很大的工作量和挑戰(zhàn)，種類繁多的城市部件(樹木，電力線，橋梁和圍墻等)都需要被置入于模型庫中?？梢钥闯?，對于點(diǎn)云數(shù)據(jù)而言，其在太陽能潛力評估中的應(yīng)用場景還較為單一，主要集中于城區(qū)。對于郊區(qū)和林區(qū)的太陽能資源調(diào)查研究工作還較少，植被建模的復(fù)雜性也同時(shí)制約著該方面研究的發(fā)展。

對于機(jī)載點(diǎn)云建模類方法。首先，機(jī)載點(diǎn)云由于掃描視角的原因難以獲取建筑物側(cè)面和凹面結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致點(diǎn)云形成層級結(jié)構(gòu)，各層之間存在大量空隙，不利于進(jìn)行精確的日照分析。機(jī)載點(diǎn)云分辨率一般在1米左右，且數(shù)據(jù)采集及規(guī)劃需要花費(fèi)大量時(shí)間。其次，已存在的建模方法主要基于表面模型進(jìn)行陰影計(jì)算，容易將表面建模過程中的誤差傳遞到遮擋分析之中。而對建筑物目標(biāo)的特定建模則更多的依賴于交互式操作，不僅需要先驗(yàn)的幾何參數(shù)或充足的樣本模型庫，且對植被，交通設(shè)施，山體巖石等難以建模目標(biāo)的選擇性忽略同樣容易導(dǎo)致反演時(shí)產(chǎn)生誤差。

對于直接面向點(diǎn)云的方法，其遮擋分析過程過于簡單粗放。直接面向點(diǎn)云的方法都主要依據(jù)高程值作為判斷依據(jù)，忽視物體本身的結(jié)構(gòu)和形狀。例如對于植被而言，樹冠在高空具有向外延展性，會(huì)導(dǎo)致該類方法產(chǎn)生的陰影面積過大，難以適應(yīng)復(fù)雜的場景。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于地面激光點(diǎn)云的太陽能潛力評估方法。

本發(fā)明具體采用以下技術(shù)方案：

一種基于地面激光點(diǎn)云的太陽能潛力評估方法，包括如下步驟：

S1、對原始點(diǎn)云進(jìn)行抽稀；

S2、對抽稀后的點(diǎn)云P進(jìn)行感興趣區(qū)域內(nèi)的地面點(diǎn)集R的提取，

S3、設(shè)置光源偏差控制角；

S4、采用最遠(yuǎn)點(diǎn)貪心策略(farthest-first traversal)來快速計(jì)算基點(diǎn)的位置和個(gè)數(shù)；

S5、計(jì)算基點(diǎn)太陽位置；

S6、采用廣義隱藏點(diǎn)移除算法即GHPR(Generalized Hidden Point Removal)算法進(jìn)行三維點(diǎn)云場景的遮擋分析，從而進(jìn)行日照模擬計(jì)算；

S7、對遮擋分析結(jié)果進(jìn)行二值化陰影繪制；

S8、對點(diǎn)云場景進(jìn)行太陽輻射計(jì)算。

進(jìn)一步地，S1的具體步驟如下：

輸入三維地面激光點(diǎn)云P_raw，首先設(shè)置一個(gè)抽稀距離L_s，然后采用體素抽稀方法。體素抽稀方法先將點(diǎn)云劃分為邊長為L_s的正立方體體素，再按體素內(nèi)點(diǎn)集的中心點(diǎn)作為新的數(shù)據(jù)點(diǎn)，這些新的點(diǎn)集形成了抽稀后的點(diǎn)云P。

進(jìn)一步地，S2的具體步驟如下：

S21、首先，采用基于體素高程生長濾波的方法來提取地面點(diǎn)，基于整個(gè)點(diǎn)云的最低高程值設(shè)置一個(gè)閾值高度t_z，該閾值高度通常為感興趣區(qū)域高程值之上3米高度。如果一個(gè)體素的中心高程與最低點(diǎn)的相對高度高于該閾值t_z，則認(rèn)為其不可能是地面點(diǎn)，此外，若一個(gè)低于閾值的體素可以生長到該閾值高度t_z，則認(rèn)為是墻體或垂直物體的一部分，也為非地面點(diǎn)，從而提取所有地面點(diǎn)集；

S22、接著，對地面點(diǎn)集進(jìn)行歐式距離聚類，對獲得的聚類簇標(biāo)記序號；

S23、最后，計(jì)算每一個(gè)類簇的平均密度值，選擇密度最高的一個(gè)作為感興趣區(qū)域(調(diào)查對象)，返回抽稀后的點(diǎn)云，根據(jù)各點(diǎn)索引值標(biāo)記感興趣區(qū)域的數(shù)據(jù)點(diǎn)r_i，r_i∈R。

進(jìn)一步地，S3的具體步驟如下：

設(shè)置模擬光線偏差平行光的最大允許偏差角θ，同時(shí)設(shè)置太陽距離d，從而可以確定兩個(gè)基點(diǎn)之間的最大距離l，有：

l＝d/tan(π/2-θ)

進(jìn)一步地，S4的具體步驟如下:

S41、首先，最遠(yuǎn)點(diǎn)策略隨機(jī)選擇一個(gè)感興趣區(qū)域點(diǎn)作為初始基點(diǎn)o₁，構(gòu)建基點(diǎn)序列O＝{o₁}；

S42、接著，計(jì)算感興趣區(qū)域點(diǎn)集上與該序列最遠(yuǎn)的點(diǎn)，即并將其添加到O中，為O＝{o₁,o₂}，直到任意一點(diǎn)r_i，r_i∈R，都滿足

S43、獲得基點(diǎn)序列后O＝{o_k|k∈[1,n]}，對于感興趣區(qū)域點(diǎn)集中的每個(gè)點(diǎn)r_i，求取其在基點(diǎn)集上的最近鄰點(diǎn)，同屬于一個(gè)基點(diǎn)的感興趣區(qū)域點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)偏差控制區(qū)域G_k。

進(jìn)一步地，S5的具體步驟如下：

S51、對于每個(gè)基點(diǎn)o_k，通過一套太陽位置求解模型，來計(jì)算其相應(yīng)的太陽位置s_k，將每個(gè)基點(diǎn)從WGS84坐標(biāo)額外轉(zhuǎn)為一份經(jīng)緯度坐標(biāo)，有[o_Ψ,o_Φ,o_h]＝T([o_x,o_y,o_z])，其中，T為坐標(biāo)變換，[o_Ψ,o_Φ]為基點(diǎn)的經(jīng)緯度值，o_h為海拔高度值，然后，根據(jù)太陽位置模型獲得基點(diǎn)o的太陽位置s，s＝[o_Ψ+f_d(y),o_Φ-f_d(x),o_h+z]^T，f_d為將長度化為度數(shù)的函數(shù)，在經(jīng)緯度坐標(biāo)下可以如下計(jì)算:

x＝dsin(90°-α)cos(ψ)

y＝dsin(90°-α)sin(ψ)

z＝dcos(90°-α)

S52、將經(jīng)緯度和高度坐標(biāo)轉(zhuǎn)回WGS84坐標(biāo)，獲得太陽在點(diǎn)云場景三維空間中的相對位置，s＝T′(s)，T′為T的逆變換。

進(jìn)一步地，S6的具體步驟如下：

S61、首先，遍歷太陽點(diǎn)集S，對于每個(gè)太陽位置s_i，以及調(diào)查場景抽稀后的三維點(diǎn)集P，P＝{p_i|i∈[1,m]}，其中m是點(diǎn)集的勢，執(zhí)行徑向幾何變換F，有:

其中，若p_i＝s，則變換后的點(diǎn)集為而f_k是變換的核函數(shù)。

S62、然后對點(diǎn)集做一次凸包計(jì)算，并保留凸包內(nèi)的點(diǎn)為陰影點(diǎn)集W。

進(jìn)一步地，S7的具體步驟如下：

S71、對于每個(gè)太陽位置s_k，計(jì)算一次W_k；

S72、然后，取W_k與負(fù)責(zé)區(qū)域G_k的交集為各相應(yīng)區(qū)域內(nèi)的陰影點(diǎn)。遍歷完后，將每個(gè)區(qū)域內(nèi)的的陰影結(jié)果取并集，從而得到整個(gè)感興趣區(qū)域的光照結(jié)果；

S73、最后將光照結(jié)果二值化，設(shè)f_i(r_i)為二值化函數(shù)用于表示該點(diǎn)r_i的遮擋狀況，對感興趣區(qū)域內(nèi)的陰影點(diǎn)標(biāo)記為0，記為f_i(r_i)＝0，而非陰影點(diǎn)標(biāo)記為1，記為f_i(r_i)＝1。

進(jìn)一步地，S8的具體步驟如下：

S81、采用Hottel模型進(jìn)行遮擋分析和陰影繪制的結(jié)果分析，首先輸入太陽時(shí)，計(jì)算該日大氣層外的太陽輻照度I_o，然后輸入經(jīng)緯度計(jì)算該地區(qū)直射輻射透過率τ_b，再計(jì)算斜面修正因子ε，對于修正因子，先求取太陽入射光學(xué)與斜面法向量之間的夾角，后采用構(gòu)建和分解協(xié)方差矩陣獲得每個(gè)感興趣區(qū)域點(diǎn)r_i的法向量接著，連接太陽和當(dāng)前遍歷點(diǎn)構(gòu)建入射向量為s-r_i，校正因子ε可以通過入射向量與法向量之間的夾角余旋計(jì)算:

其中·為向量點(diǎn)乘，而s為該點(diǎn)相關(guān)基點(diǎn)所對應(yīng)的太陽位置；

S82、緊接著計(jì)算感興趣區(qū)域內(nèi)每一點(diǎn)r_i的太陽瞬時(shí)直接輻射I_b(KWh/m²)為：

其中，f_i(r_i)為該點(diǎn)的瞬時(shí)遮擋狀況，α為當(dāng)時(shí)的太陽高度角，然后，計(jì)算散射輻射透過率τ_d，從而計(jì)算太陽散射輻射I_d(KWh/m²)。計(jì)算如下：

I_d＝I_o cosατ_d

S83、最后，計(jì)算該點(diǎn)瞬時(shí)總太陽輻射I_g(KWh/m²)，有I_g＝I_b+I_d，對于任意時(shí)間段的單點(diǎn)r_i的太陽能總輻射可以通過對每一小時(shí)的總輻射量累加獲得，即：

其中，t_begin和t_end為太陽能模擬的起始和截止時(shí)間，并將計(jì)算結(jié)果可視化顯示于用戶界面。

采用上述技術(shù)方案后，本發(fā)明與背景技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1、本發(fā)明采用了GHPR算法，充分利用了點(diǎn)云的三維信息，對于建筑物或植物的延展性結(jié)構(gòu)具有很好的適應(yīng)性，因此更能適應(yīng)環(huán)境復(fù)雜的調(diào)查場景；與采用建模的方法相比，本發(fā)明直接基于點(diǎn)云運(yùn)算，避免了人工交互操作和模型建模中的數(shù)據(jù)失真，有效促進(jìn)了資源評估流程的自動(dòng)化，規(guī)范化；與傳統(tǒng)評估方法相比，本發(fā)明可以為用戶提供直觀，定量，全局的太陽能資源分布結(jié)果，該方法易于保存并可重復(fù)模擬；

2、本發(fā)明采用全局陰影計(jì)算并將計(jì)算范圍限定在感興趣區(qū)域內(nèi)，從而加快了計(jì)算速度，有利于實(shí)施現(xiàn)場太陽能資源評估，避免建模過程中次要物體(如窗戶，欄桿等)丟失引起的誤差，可以為不同行業(yè)的太陽能資源考察者提供一步到位的分析結(jié)果；

3、本發(fā)明提出了一種點(diǎn)云場景中的光源偏差控制方法，用來約束和控制不同光源間產(chǎn)生的陰影偏差，并利用最遠(yuǎn)點(diǎn)貪心策略快速獲取太陽視點(diǎn)數(shù)量和位置的近似解，不僅減少偏差，而且提高了效率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例的流程示意圖；

圖2(a)為本發(fā)明實(shí)施例原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)；(b)為感興趣區(qū)域點(diǎn)集的提取結(jié)果；(c)為實(shí)施例偏差控制結(jié)果；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例太陽位置計(jì)算結(jié)果；

圖4為實(shí)施例日照遮擋模擬結(jié)果：(a)為本方法模擬的結(jié)果；(b)為模擬結(jié)果與對應(yīng)時(shí)間的真實(shí)情況對比(標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果)；

圖5為實(shí)施例總輻射模擬結(jié)果：(a)為單季度模擬結(jié)果(實(shí)施例為秋季)；(b)為全年模擬結(jié)果。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

實(shí)施例

本實(shí)施例的流程示意圖可見圖1，具體操作過程如下：

1.調(diào)查區(qū)域點(diǎn)集提取

已知三維地面激光點(diǎn)云P_raw的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖2(a)所示，先對點(diǎn)云進(jìn)行下采樣(抽稀)，即減少點(diǎn)云中數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)量。通常情況下，地面激光點(diǎn)云的數(shù)據(jù)精度對于光照計(jì)算過于冗余。因此，需要先設(shè)置一個(gè)抽稀距離L_s，使得抽稀后的點(diǎn)云間距可以保持在L_s左右且點(diǎn)云結(jié)構(gòu)保持不變。本方法采用具有局部結(jié)構(gòu)保持性的體素抽稀方法，該方法首先將點(diǎn)云劃分為邊長為L_s的正立方體體素，再按體素內(nèi)點(diǎn)集的中心點(diǎn)作為新的數(shù)據(jù)點(diǎn)，這些新的點(diǎn)集形成了抽稀后的點(diǎn)云P。

接著，對抽稀后的點(diǎn)云P進(jìn)行感興趣區(qū)域R的提取，感興趣區(qū)域提取目的是獲取調(diào)查區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)點(diǎn)集，本方法主要提取的是區(qū)域內(nèi)的地面點(diǎn)，用于將太陽能資源分布結(jié)果繪制于地面點(diǎn)上，從而形成太陽能資源分布圖。因此，需要采用地面點(diǎn)濾波排除點(diǎn)云中的非地面目標(biāo)。對于不同的場景，如建筑物天臺(tái)或是道路，它們的地面點(diǎn)在形態(tài)上仍然具有共性，即地面點(diǎn)區(qū)域內(nèi)梯度變化相對平緩，且在垂直方向上沒有劇烈的階躍，因此本方法應(yīng)用基于體素高程生長濾波的方法來提取地面點(diǎn)。

首先，將點(diǎn)云按水平面固定邊長粗劃分為一系列方形網(wǎng)格區(qū)域，并記錄整個(gè)點(diǎn)云的高程最低點(diǎn)。再對每個(gè)水平網(wǎng)格的點(diǎn)集進(jìn)行一次三維細(xì)分，即將網(wǎng)格內(nèi)的點(diǎn)集按固定邊長劃分為立方體素，記錄每個(gè)體素的中心高程值?；谡麄€(gè)點(diǎn)云的最低高程值z_min設(shè)置一個(gè)閾值高度t_z，該高度根據(jù)感興趣區(qū)域的海拔高度而定，也可以根據(jù)不同調(diào)查對象的基本高度來設(shè)置高程閾值t_z。通常激光掃描儀架設(shè)于調(diào)查區(qū)域之上，所以該高度可以通過掃描儀在場景中的高程值加3米獲得。如果一個(gè)體素的中心高程與最低點(diǎn)的相對高度高于該閾值t_z，則認(rèn)為其過高，不可能是地面點(diǎn)。若一個(gè)低于閾值的體素可以生長到該閾值高度t_z，則認(rèn)為是墻體或垂直物體的一部分，也為非地面點(diǎn)。生長規(guī)則是其體素的上面九個(gè)鄰域體素存在非空，并迭代查詢非空體素的上九鄰域體素是否有非空體素，直到某查詢的非空體素高于閾值高度t_z。最后，保留地面體素內(nèi)的數(shù)據(jù)點(diǎn)，形成地面點(diǎn)集。

接著，對地面點(diǎn)集進(jìn)行聚類，即將離散點(diǎn)集聚類成一系列對象。本方法采用歐式距離聚類，對獲得的聚類簇標(biāo)記序號。接著，計(jì)算每一個(gè)類簇的平均密度值。其理論依據(jù)是由地面激光掃描儀的作業(yè)方式?jīng)Q定的，即離激光掃描儀近的區(qū)域掃描密度非常大，通?？梢赃_(dá)到遠(yuǎn)處目標(biāo)密度的10倍以上。平均密度值是該類簇每個(gè)點(diǎn)在原始點(diǎn)云中一定鄰域(0.2米)內(nèi)點(diǎn)數(shù)量的均值。最后，將類簇按密度值排序，選擇密度最高的一個(gè)作為感興趣區(qū)域(調(diào)查對象)。返回抽稀后的點(diǎn)云，根據(jù)各點(diǎn)索引值標(biāo)記感興趣區(qū)域的數(shù)據(jù)點(diǎn)r_i，r_i∈R。其中，感興趣區(qū)域地面點(diǎn)集提取結(jié)果如圖2(b)所示。

2.基點(diǎn)計(jì)算及偏差控制

本發(fā)明采用點(diǎn)光源模擬太陽光的方法，因此需要進(jìn)行光源偏差控制，即控制平行光和點(diǎn)光源之間的陰影偏差。此外，在進(jìn)行太陽位置計(jì)算前，需要給定基點(diǎn)，即基于某一點(diǎn)計(jì)算太陽的位置。對于保存后的感興趣區(qū)域點(diǎn)集R，我們提出的偏差控制方法思想是選擇感興趣區(qū)域內(nèi)的一些點(diǎn)作為基點(diǎn)o，每個(gè)基點(diǎn)計(jì)算一次太陽位置，由每個(gè)基點(diǎn)計(jì)算出的太陽位置也將作為基點(diǎn)一定范圍內(nèi)鄰域點(diǎn)集的太陽參考位置，從而減小陰影繪制時(shí)的偏差。因此，設(shè)基點(diǎn)點(diǎn)集為O，o_k∈O，太陽位置點(diǎn)集為S，其中S＝{s_k|k∈[1,n]}，每個(gè)s_k相應(yīng)的感興趣子區(qū)域點(diǎn)集為G_k，滿足∪_k∈[1,n]G_k＝R且∩_k∈[1,n]G_k＝φ。

首先設(shè)置約束的偏差角大小θ，即模擬光線偏差平行光的最大允許角度，從而可以確定兩個(gè)基點(diǎn)之間的最大距離l，也將由此為依據(jù)對提取的感興趣區(qū)域進(jìn)行劃分。此外，還需要設(shè)置太陽距離d，本方法中的太陽距離為在點(diǎn)云場景中的太陽位置s_k離感興趣區(qū)域相應(yīng)基點(diǎn)o_k的距離，有||o_k-s_k||＝d。以上兩者關(guān)系如下：

l＝d/tan(π/2-θ)

在通常場景中，遠(yuǎn)距離物體對遮擋的影響很小，因此θ通常設(shè)置2°，d設(shè)置600米。下一步，進(jìn)行基點(diǎn)o的個(gè)數(shù)和位置的計(jì)算。本方法提出采用最遠(yuǎn)點(diǎn)貪心策略來快速計(jì)算基點(diǎn)的位置和個(gè)數(shù)，該子程序的目標(biāo)是在有限的時(shí)間內(nèi)，盡可能地以最少的基點(diǎn)數(shù)n_min使得整個(gè)基點(diǎn)集的作用范圍覆蓋感興趣點(diǎn)集，即即確保感興趣區(qū)域內(nèi)的每個(gè)點(diǎn)r_i存在一個(gè)基點(diǎn)o_k使其滿足條件||r_i-o_k||≤l。對于每個(gè)劃分區(qū)域G_k，都有G_k＝{r_i∈R|||o_k-r_i||≤||o_t-r_i||,k≠t且t∈[1,n],i∈[1,n_R]}。n_R為點(diǎn)集R的勢。

最遠(yuǎn)點(diǎn)策略隨機(jī)選擇一個(gè)感興趣區(qū)域點(diǎn)作為初始基點(diǎn)o₁，然后構(gòu)建基點(diǎn)序列O＝{o₁}。然后計(jì)算感興趣區(qū)域點(diǎn)集上與該序列最遠(yuǎn)的點(diǎn)，即并將其添加到O中，為O＝{o₁,o₂}。直到任意一點(diǎn)r_i，r_i∈R，都滿足獲得基點(diǎn)序列后O＝{o_k|k∈[1,n]}，對于感興趣區(qū)域點(diǎn)集中的每個(gè)點(diǎn)r_i，求取其在基點(diǎn)集上的最近鄰點(diǎn)，同屬于一個(gè)基點(diǎn)的感興趣區(qū)域點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)偏差控制區(qū)域G_k。圖2(c)為本實(shí)施例的偏差控制結(jié)果，其中參數(shù)設(shè)置為d＝400，θ＝2°，小黑點(diǎn)表示基點(diǎn)，分別對應(yīng)基點(diǎn)劃分的三個(gè)負(fù)責(zé)區(qū)域。

3.太陽在點(diǎn)云場景中的位置計(jì)算

對于每個(gè)基點(diǎn)o_k，我們通過一套太陽位置求解模型，來計(jì)算其相應(yīng)的太陽位置s_k。該模型的輸入為該基點(diǎn)的經(jīng)緯度和當(dāng)?shù)靥枙r(shí)。因此，第一個(gè)步為獲取基點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)，本方法首先將每個(gè)基點(diǎn)從WGS84坐標(biāo)額外轉(zhuǎn)為一份經(jīng)緯度坐標(biāo)，有[o_Ψ,o_Φ,o_h]＝T([o_x,o_y,o_z])。其中，T為坐標(biāo)變換，[o_Ψ,o_Φ]為基點(diǎn)的經(jīng)緯度值，o_h為海拔高度值。接著，設(shè)置太陽時(shí)間，根據(jù)日期計(jì)算赤緯角：

δ＝23.45°sin(360(n_d-80)/365)

其中，n_d為查詢?nèi)掌谒谌曛械奶鞌?shù)。再根據(jù)設(shè)置的具體時(shí)間(時(shí)分秒)計(jì)算太陽時(shí)角：

ω＝15°(12-T)

其中T為查詢的具體時(shí)間，需要注意為當(dāng)?shù)靥枙r(shí)間。從而獲得太陽方位角ψ和高度角α，有：

sinα＝sinδsino_Φ+cosδcoso_Φcosω

然后，基于太陽方位角ψ，太陽高度角α和我們之前設(shè)置的太陽距離d，則基點(diǎn)o的太陽位置s，s＝[o_Ψ+f_d(y),o_Φ-f_d(x),o_h+z]^T，f_d為將長度化為度數(shù)的函數(shù)，在經(jīng)緯度坐標(biāo)下可以如下計(jì)算:

x＝d sin(90°-α)cos(ψ)

y＝d sin(90°-α)sin(ψ)

z＝d cos(90°-α)

最后，我們將經(jīng)緯度和高度坐標(biāo)轉(zhuǎn)化WGS84坐標(biāo)，獲得太陽在點(diǎn)云場景三維空間中的相對位置，s＝T′(s)，T′為T的逆變換。對于每個(gè)基點(diǎn)o_k，我們計(jì)算一個(gè)s_k，構(gòu)成了太陽點(diǎn)集，S＝{s_k|k∈[1,n]}，在空間上形成了太陽點(diǎn)陣。圖3為本實(shí)施例太陽位置計(jì)算結(jié)果，表示本實(shí)施例模擬2017年冬至日(12月22日)點(diǎn)云場景上空的太陽視運(yùn)動(dòng)軌跡(小球顏色從明到暗為從6點(diǎn)到18點(diǎn)的太陽位置)。

4.遮擋分析和陰影繪制

我們應(yīng)用GHPR算法繪制日照陰影，從而進(jìn)行日照模擬計(jì)算。首先，遍歷太陽點(diǎn)集S，對于每個(gè)太陽位置s_i，以及調(diào)查場景抽稀后的三維點(diǎn)集P，P＝{p_i|i∈[1,m]}，其中m是點(diǎn)集的勢，執(zhí)行徑向幾何變換F，有:

其中，若p_i＝s，則變換后的點(diǎn)集為而f_k是變換的核函數(shù):

f_k(||p_i-s||)＝2λmax_pi∈P||p_i-s||-||p_i-s||

其中λ是徑長放大參數(shù)，有λ≥1。然后對點(diǎn)集做一次凸包計(jì)算，并保留凸包內(nèi)的點(diǎn)為陰影點(diǎn)集W。

在遍歷的過程中，對于每個(gè)太陽位置s_k，我們計(jì)算一次W_k。然后，我們?nèi)_k與負(fù)責(zé)區(qū)域G_k的交集為各相應(yīng)區(qū)域內(nèi)的陰影點(diǎn)。遍歷完后，我們將每個(gè)區(qū)域內(nèi)的的陰影結(jié)果取并集，從而得到整個(gè)感興趣區(qū)域的光照結(jié)果。

最后一步是將光照結(jié)果二值化，即將陰影點(diǎn)標(biāo)記為0，記為f_i(r_i)＝0，而非陰影點(diǎn)標(biāo)記為1，記為f_i(r_i)＝1，因?yàn)闃?biāo)記的陰影只存在于感興趣區(qū)域，感興趣區(qū)域外可不做計(jì)算，一律置零，從而減少交集運(yùn)算時(shí)間。本實(shí)施例日照遮擋模擬結(jié)果如圖4所示，其中圖4(a)為本方法模擬的結(jié)果，圖4(b)為模擬結(jié)果與對應(yīng)時(shí)間的真實(shí)情況對比(標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果)。

5.太陽能輻射模型計(jì)算

由于地面激光掃描點(diǎn)云本身在前期數(shù)據(jù)采集階段，可以通過GPS等定位設(shè)備獲取大地坐標(biāo)WGS84，因此可以直接執(zhí)行太陽能輻射估計(jì)。太陽能輻射評估需要建立在太陽能輻射模型和遮擋分析結(jié)果的基礎(chǔ)上。對于太陽能輻射模型，本文主要使用Hottel模型。輸入太陽時(shí)，可以通過以下公式獲取任意一天大氣層外的太陽輻照度：

I_o＝I_s[1+0.033cos(360°n/365)]

其中，I_s為太陽常數(shù)，即大氣層外與輻射方向垂直時(shí)所接收的太陽輻照度，有I_s＝1353W/m²。則點(diǎn)云場景中感興趣區(qū)域點(diǎn)集中某點(diǎn)r_i的太陽瞬時(shí)直接輻射I_b(KWh/m²)為：

其中，τ_b為直射輻射透過率，ε為斜面修正因子，f_i(r_i)為該點(diǎn)的瞬時(shí)遮擋狀況。此外，還存在太陽散射輻射I_d(KWh/m²)。其關(guān)系式如下：

I_d＝I_o cosατ_d

其中τ_d為散射輻射透過率。直射輻射和散射輻射透過率的計(jì)算如下：

τ_b＝a₀+a₁e^-k/cosα

τ_d＝0.2710-0.293τ_b

其中，對于τ_b的參數(shù)可以通過如下計(jì)算：

a₀＝(0.4327-0.00821(o_h-6)²)r₀

a₁＝(0.5055+0.00595(o_h-6.5)²)r₁

k＝(0.2711+0.01858(o_h-2.5)²)r_k

其中，[r₀,r₁,r_k]為所在地的氣候修正，該三個(gè)參數(shù)可以通過建立經(jīng)緯度氣候查詢表自動(dòng)獲得。例如，以廈門亞熱帶地區(qū)為例，其三個(gè)參數(shù)分別為r₀＝0.95，r₁＝0.98，r_k＝1.02。

接著，計(jì)算太陽直接輻射的瞬時(shí)傾斜修正因子，該步驟首先需要考慮入射斜面的斜率，在太陽能資源評估中考慮傾斜因素才能使結(jié)果更接近真實(shí)的情況。因此，我們求取太陽入射光學(xué)與斜面法向量之間的夾角，從而進(jìn)行傾斜因素修正。首先，是獲得法向量，這一步可以在提取感興趣區(qū)域后就進(jìn)行。我們遍歷每個(gè)感興趣區(qū)域的點(diǎn)，每遍歷到一個(gè)感興趣區(qū)域點(diǎn)r_i，就用kd-tree搜索其鄰域，從而構(gòu)建鄰域點(diǎn)集R'，R'＝{r_i'|i∈[1,K_r]}。在這個(gè)點(diǎn)集的基礎(chǔ)上，先計(jì)算鄰域點(diǎn)集的重心再構(gòu)建協(xié)方差矩陣M。

然后對協(xié)方差矩陣進(jìn)行矩陣分解，獲取協(xié)方差矩陣的特征向量和特征值矩陣。提取最小特征根對應(yīng)的單位向量為法向量該法向量就是局部曲面的法向量。

接著，連接太陽和當(dāng)前遍歷點(diǎn)構(gòu)建入射向量為s-r_i。校正因子ε可以通過入射向量與法向量之間的夾角余旋計(jì)算，關(guān)系式計(jì)算如下:

其中·為向量點(diǎn)乘，而s為該點(diǎn)相關(guān)基點(diǎn)所對應(yīng)的太陽位置。

接著，計(jì)算該點(diǎn)瞬時(shí)總太陽輻射I_g(KWh/m²)，有I_g＝I_b+I_d，則對于任意時(shí)間段的單點(diǎn)太陽能總輻射可以通過對每一小時(shí)的總輻射量累加獲得，即：

其中，t_begin和t_end為太陽能模擬的起始和截止時(shí)間，按需求可以是數(shù)小時(shí)，數(shù)天甚至數(shù)年。

最后，將計(jì)算結(jié)果可視化顯示于用戶界面，通過不同色彩渲染來顯示各個(gè)點(diǎn)之間的輻射值差異，從而為用戶提供可視化、定量化、全局化的太陽能潛力評估結(jié)果。圖5為本實(shí)施例總輻射模擬結(jié)果，其中圖5(a)為單季度模擬結(jié)果(秋季)，圖5(b)為全年模擬結(jié)果，數(shù)據(jù)點(diǎn)顏色從淺到深表示太陽能資源分布結(jié)果中從最小數(shù)值到最大數(shù)值的輻射值，大圖為俯視圖視角，右上角黑框中的小圖為側(cè)視圖視角，右側(cè)的色域欄顯示了輻射值(KWh/m²)的變化范圍。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。