ArcGIS教程：太阳辐射建模

入射太阳辐射（日照）源自太阳，穿过大气层时会发生改变，然后由于地形和表面要素进一步发生改变，最后在地球表面被分别截取成直射部分、散射部分和反射部分。截取的直接辐射是源自阳光的畅通无阻的直光线。散射辐射则是由于被大气中的云和尘埃等成分分散。反射辐射则是经过表面要素的反射。直射、散射和反射辐射的总和称为太阳辐射总量或整体日辐射量。

通常，直射辐射是辐射总量中最多的部分，而散射辐射则排在第二位。反射辐射通常仅构成辐射总量中很小的一部分，除了周围表面（如积雪）反射能力极强的位置。Spatial Analyst 中的太阳辐射工具在计算辐射总量时将反射辐射排除在外。因此，辐射总量将计算为直接辐射和散射辐射的总和。

太阳辐射工具可对某些点位置或整个地理区域执行计算。该操作包括以下四个步骤：

根据地形计算仰视半球视域。
在直射太阳图上叠加视域以便判断直射辐射。
在散射星空图上叠加视域以便判断散射辐射。
对每个感兴趣的位置都重复上述过程便可生成日照图。

由于辐射会受到地形和表面要素的极大影响，因此需要在数字高程模型 (DEM) 中为每个位置生成一个仰视半球视域，这是该计算算法的一个重要组成部分。半球视域与仰视半球（鱼眼镜头）相片类似，后者从地面仰望整片天空，就像在天文馆中看到的景象一样。可见天空的大小在决定某位置的日照方面起重要作用。例如，位于开阔地带的传感器就比位于幽深峡谷中的传感器接收到的日照多。

下图显示的是一张仰视半球照片，它展示了一幅可见天空的景象以及被周围地形和表面要素遮挡的各个天空方向。这类似于您在地面上朝各个方向仰视时看到的景象。

视域计算

视域是从某特定位置查看天空时，对整个可见或被遮挡天空的栅格表达。要计算视域，可先围绕感兴趣的位置在指定数量的方向上进行搜索，然后确定天空遮挡的最大角度或视角。对于所有其他未经过搜索的方向，会内插视角值。随后视角将转换到半球坐标系中，从而将方向三维半球表示为一个二维的栅格图像。为视域中的每个栅格像元都指定一个可以表示天空方向是可见还是被遮挡的值。输出像元位置（行和列）分别与方向半球的天顶角 θ（与垂直向上的方向所成的角度）和方位角 α（与北所成的角度）对应。

下图描绘的是为 DEM 的某个像元计算视域。沿指定数量的方向计算视角并将其用于创建天空的半球制图表达。生成的视域可描绘出天空方向是可见（显示为白色）还是被遮挡（显示为灰色）。为说明这一理论，视域将与半球相片叠加显示。

视域可与太阳位置和天空方向信息（分别用太阳图和星空图表示）结合使用，从而计算出每个位置的直射、散射和辐射总量（直射 + 散射）并生成准确的日照图。

太阳图计算

来自每个天空方向的直接太阳辐射可通过太阳图计算得出，该太阳图与视域应位于同一半球投影中。太阳图这种栅格表达方式可表示太阳轨迹，即太阳在一天中的不同时刻以及一年中的不同日期不断变化的明显位置。这类似于您仰头观察一段时间内太阳在天空中的位置移动。太阳图由离散的太阳图扇区组成，这些扇区根据一天之中（小时）和一年之中（日或月）特定时间间隔处太阳的位置定义。太阳轨迹的计算基于研究区域的纬度和定义各太阳图扇区的时间配置。对于每个太阳图扇区，都会指定唯一标识值及其质心的天顶角和方位角。分别计算每个扇区的太阳辐射，并且计算直接辐射时，视域将叠加在太阳图上。

下图是一张北纬 45º 的太阳图，计算日期为冬至日（12 月 21 日）到夏至日（6 月 21 日）。每个太阳扇区（彩色框）表示太阳的位置，所用时间间隔为 1/2 小时（一天之中）和月（一年之中）。应当注意的是，该图像与仰视视域位于同一半球投影中。通过一年之中不同日期及一天之中不同时间太阳在天空中的移动情况来表示太阳位置。