基于日照時(shí)空特征的有效遮擋地物篩選確定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種日照領(lǐng)域，尤其涉及一種基于日照時(shí)空特征的有效遮擋地物重 構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002] 對(duì)復(fù)雜地物進(jìn)行日照分析時(shí)，地物對(duì)象不僅包括規(guī)則的建筑，也包括高低起伏的 地形、具有一定高度和形體體征的植被以及城市和居住區(qū)的地表修飾物等。研究對(duì)象的差 異導(dǎo)致面向復(fù)雜地理場(chǎng)景的日照分析模型在方法和效率方面呈現(xiàn)出諸多問(wèn)題，主要體現(xiàn)在 以下幾個(gè)方面：
[0003] 首先，當(dāng)計(jì)算某測(cè)試點(diǎn)的日照時(shí)數(shù)時(shí)，無(wú)法人為判斷出周邊復(fù)雜地物中哪些地物 將對(duì)測(cè)試點(diǎn)產(chǎn)生日照遮擋，但又不能對(duì)周邊所有地物進(jìn)行無(wú)限制計(jì)算。
[0004] 其次，即使僅計(jì)算可能對(duì)測(cè)試點(diǎn)產(chǎn)生日照遮擋的地物數(shù)據(jù)，仍存在大量的冗余計(jì) 算。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題在于提供一種基于日照時(shí)空特征的有效遮擋地物重構(gòu)， 以解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題。
[0006] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
[0007] 基于日照時(shí)空特征的有效遮擋地物篩選確定方法，該方法首先通過(guò)確定已知高度 的遮擋物對(duì)測(cè)試點(diǎn)遮擋邊界的日影移動(dòng)軌跡公式，進(jìn)而確定在起、止時(shí)間的臨界點(diǎn)的日影 移動(dòng)軌跡，然后起、止時(shí)間的臨界點(diǎn)的日影移動(dòng)軌跡和測(cè)試點(diǎn)組成兩個(gè)相交并垂直于大地 水平面的兩個(gè)立面，同時(shí)在日影移動(dòng)軌跡形成過(guò)程中，遮擋物頂端平行于大地水平面的平 面與日照?qǐng)A錐面形成一個(gè)弧形的運(yùn)動(dòng)軌跡，弧形的運(yùn)動(dòng)軌跡形成一個(gè)垂直于大地水平面的 弧立面，所述兩個(gè)立面和弧立面組成測(cè)試點(diǎn)的有效遮擋范圍，然后去除有效遮擋范圍內(nèi)的 冗余地物，確定有效遮擋范圍內(nèi)的有效地物；
[0008] 所述去除有效遮擋范圍內(nèi)的冗余地物的方法為：首先建立地物TIN模型的數(shù)據(jù)結(jié) 構(gòu)[tinptin2，......，tinj，所述數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中單個(gè)點(diǎn)的內(nèi)存結(jié)構(gòu)包括：由經(jīng)度L、煒度B、高 程H構(gòu)成的大地坐標(biāo)系，由站心經(jīng)度L'、站心煒度B'、和高程H'構(gòu)成的站心坐標(biāo)系，以 地心為中心的X、Y、Y空間直角坐標(biāo)系X，Y和Z，還包括它們之間的轉(zhuǎn)換標(biāo)志Flag;然后在 地物TIN數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的外圍構(gòu)建時(shí)間片的內(nèi)存映射表，內(nèi)存映射表中的每一個(gè)時(shí)間片的節(jié)點(diǎn) 對(duì)應(yīng)于TIN數(shù)據(jù)集的內(nèi)存地址，當(dāng)計(jì)算某一個(gè)時(shí)刻介于時(shí)間片之間時(shí)，該時(shí)間片所指向的 地址數(shù)據(jù)就是實(shí)際需要參與運(yùn)算的地物TIN模型的數(shù)據(jù)，其它地物TIN模型的數(shù)據(jù)為冗余 需刪除的地物數(shù)據(jù)；
[0009] 所述遮擋物對(duì)測(cè)試點(diǎn)最大遮擋邊界的日影移動(dòng)軌跡公式為：
[0011] 其中，時(shí)刻T為產(chǎn)生陰影的起始時(shí)刻或者產(chǎn)生陰影的停止時(shí)刻，（Lx、Bx)為T時(shí)刻 的經(jīng)煒度坐標(biāo)；
⑶，
[0015]其中，B為煒度；4為T時(shí)刻測(cè)試點(diǎn)觀測(cè)到的太陽(yáng)方位角，a為橢球長(zhǎng)半軸，b為短 半軸，LX、BX為測(cè)試點(diǎn)的大地經(jīng)煒坐標(biāo)，測(cè)試點(diǎn)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的卯酋圈曲率半徑，e'為橢球第 二偏心率，S為測(cè)試點(diǎn)點(diǎn)觀測(cè)太陽(yáng)在天球中的位置。
[0016]所述已知高度的遮擋物對(duì)測(cè)試點(diǎn)遮擋邊界的日影移動(dòng)軌跡是指太陽(yáng)光照射到遮 擋物的頂點(diǎn)時(shí)，遮擋物的頂點(diǎn)投影始終與測(cè)試點(diǎn)重合時(shí)遮擋物在地面上形成的運(yùn)動(dòng)軌跡。
[0017]本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明通過(guò)遮擋高度、分析時(shí)間段與遮擋體地理范圍之間的 "時(shí)空"函數(shù)關(guān)系，借助有效日照時(shí)間段的"時(shí)間"及日照光線的"空間"特征，對(duì)參與運(yùn)算的 地物數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選；并基于篩選后的地物數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)基于"時(shí)間片"索引的二次數(shù)據(jù)重構(gòu)，在 不影響計(jì)算精度前提下，盡可能地減少了參與運(yùn)算的地物數(shù)據(jù)，提高了整體運(yùn)算效率。
【附圖說(shuō)明】
[0018] 圖1為地物TIN模型的內(nèi)存數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
[0019] 圖2為地面點(diǎn)的地心空間直角坐標(biāo)與日照二維平面坐標(biāo)對(duì)應(yīng)關(guān)系。
[0020] 圖3為日影運(yùn)行軌跡示意圖。
[0021] 圖4為有效遮擋三維空間區(qū)域示意圖。
[0022] 圖5為有效遮擋三維空間區(qū)域的簡(jiǎn)化表達(dá)。
[0023] 圖6為地球表面上遮擋物與測(cè)試點(diǎn)的位置關(guān)系。
[0024] 圖7為日照二維坐標(biāo)系測(cè)試點(diǎn)與遮擋物之間的關(guān)系。
[0025] 圖8為有效遮擋范圍球面三點(diǎn)區(qū)域示意圖。
[0026] 圖9地物在受影面上投影示意圖，（A)為地球表面遮擋物與測(cè)試點(diǎn)關(guān)系，（B)
[0027] 為地心坐標(biāo)系下地物受影面下投影。
[0028] 圖10基于時(shí)間片索引的地物TIN對(duì)應(yīng)內(nèi)存數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
[0029] 圖11基于時(shí)間片起始點(diǎn)與遮擋高度閾值構(gòu)建出的空間四棱椎體。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0031] 因?yàn)楫?dāng)計(jì)算某測(cè)試點(diǎn)的日照時(shí)數(shù)時(shí)，無(wú)法人為判斷出周邊復(fù)雜地物中哪些地物將 對(duì)測(cè)試點(diǎn)產(chǎn)生日照遮擋，但又不能對(duì)周邊所有地物進(jìn)行無(wú)限制計(jì)算。因此需要預(yù)先選取出 可能對(duì)測(cè)試點(diǎn)產(chǎn)生遮擋的區(qū)域范圍，然后判斷所選范圍內(nèi)地物對(duì)測(cè)試點(diǎn)的日照遮擋。其次， 即使僅計(jì)算可能對(duì)測(cè)試點(diǎn)產(chǎn)生日照遮擋的地物數(shù)據(jù)，仍存在大量的冗余計(jì)算。
[0032] 本發(fā)明使用基于日照時(shí)空的的特征進(jìn)行有效遮擋區(qū)域的確定，同時(shí)采用基于"時(shí) 間片"建立地物與時(shí)間的索引關(guān)系，在有效遮擋地物篩選的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)地物數(shù)據(jù)二次重構(gòu)， 使得計(jì)算某時(shí)刻的日照時(shí)，僅計(jì)算與時(shí)間片相關(guān)的地物數(shù)據(jù)，大幅減少參與運(yùn)算的地物數(shù) 據(jù)量，顯著提高運(yùn)算效率。滿足日照分析模型的"精準(zhǔn)高效"需求。該方法首先通過(guò)確定已 知高度的遮擋物對(duì)測(cè)試點(diǎn)遮擋邊界的日影移動(dòng)軌跡公式，再確定在起、止時(shí)間的臨界點(diǎn)的 日影移動(dòng)軌跡，然后起、止時(shí)間的臨界點(diǎn)的日影移動(dòng)軌跡和測(cè)試點(diǎn)組成兩個(gè)相交并垂直于 大地水平面的兩個(gè)立面，同時(shí)在日影移動(dòng)軌跡形成過(guò)程中，遮擋物頂端平行于大地水平面 的平面與日照?qǐng)A錐面形成一個(gè)弧形的運(yùn)動(dòng)軌跡，弧形的運(yùn)動(dòng)軌跡形成一個(gè)垂直于大地水平 面的弧立面，所述兩個(gè)立面和弧立面組成測(cè)試點(diǎn)的有效遮擋范圍，然后去除有效遮擋范圍 內(nèi)的冗余地物，確定有效遮擋范圍內(nèi)的有效地物。
[0033] 本發(fā)明使用天文算法即《AstronomicalAlgorithms》(Meeus, 1998)公布的太陽(yáng)位 置計(jì)算方法為TEP-SPA(即理論展開(kāi)式法）的代表算法作為基準(zhǔn)SPA算法。
[0034] 去除有效遮擋范圍內(nèi)的冗余地物的方法為建立地物TIN模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)[tinl， tin2,……，tinm]，然后在地物TIN數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的外圍構(gòu)建時(shí)間片的內(nèi)存映射表，內(nèi)存映射表 中的每一個(gè)時(shí)間片的節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)于TIN數(shù)據(jù)集的內(nèi)存地址，當(dāng)計(jì)算某一個(gè)時(shí)刻介于時(shí)間片之 間時(shí)，該時(shí)間片所指向的地址數(shù)據(jù)就是實(shí)際需要參與運(yùn)算的地物TIN模型的數(shù)據(jù)，其它地 物TIN模型的數(shù)據(jù)為冗余需刪除的地物數(shù)據(jù)；
[0035] 因此本發(fā)明首先進(jìn)行地物TIN模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義，因?yàn)楸景l(fā)明的場(chǎng)景涉及復(fù) 雜地理場(chǎng)景中的建筑、地形、植被和標(biāo)志物等地物要素，選擇TIN數(shù)據(jù)模型表達(dá)地物數(shù)據(jù)不 僅能有效實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的融合和轉(zhuǎn)換，而且簡(jiǎn)化了地物投影與測(cè)試點(diǎn)拓?fù)潢P(guān)系的判斷過(guò) 程。
[0036] 如圖1所示，在地物TIN建立過(guò)程中，建筑、地形和其他地物類型統(tǒng)一采用TIN結(jié) 構(gòu)表達(dá)，單個(gè)TIN則由無(wú)序的三點(diǎn)（_3DPoint自定義結(jié)構(gòu)）組成。為避免浮點(diǎn)計(jì)算過(guò)程中忽 略極小量，提高計(jì)算精度，需要對(duì)地心空間直角坐標(biāo)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為站心坐標(biāo)系進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。 因此，單個(gè)點(diǎn)的內(nèi)存結(jié)構(gòu)需要包含：大地坐標(biāo)系（經(jīng)度L、煒度B和高程H)、站心坐標(biāo)系（站 心經(jīng)度L'、站心煒度B'、和高程H')、地心空間直角坐標(biāo)系（X，Y和Z)以及相互之間的 轉(zhuǎn)換標(biāo)志Flag。
[0037] 然后，為了描述與計(jì)算方便，需對(duì)同一個(gè)點(diǎn)的不同坐標(biāo)系表達(dá)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。本發(fā) 明中采用WGS84大地（質(zhì)心）坐標(biāo)系作為坐標(biāo)系參照，下述中經(jīng)煒度即指WGS84坐標(biāo)系下 經(jīng)煒度。同時(shí)為區(qū)分天文坐標(biāo)系和大地坐標(biāo)系，下述將采用"地球坐標(biāo)系統(tǒng)"表示適用于 日照分析研