Анализ солнечного излучения
Доступно с лицензией Spatial Analyst.
Солнечное излучение, называемое также инсоляцией, является фундаментальным понятием солнечной энергетики и метеорологии. Оно относится к электромагнитному излучению, испускаемому Солнцем и охватывающему широкий спектр длин волн, включающий ультрафиолетовый, видимый и инфракрасный свет. Количественная оценка и анализ данных о солнечном излучении позволяют оптимизировать конструкцию и производительность солнечных энергетических систем, оптимизировать выбор семян и улучшать орошение для сельского хозяйства, прогнозировать таяние снега и сток вод, оценивать риск возникновения лесных пожаров и определять оптимальные места посадки определенных растений, жизни животных и осуществления застройки.
Cолнечное излучение исходит от Солнца, проходит через атмосферу и достигает поверхности Земли в виде прямого, рассеянного и отраженного излучения. Прямое излучение беспрепятственно улавливается по прямой линии от солнца. Рассеянное излучение рассеивается составляющими атмосферы, такими как облака и пыль. Отражённое излучение — то, которое отражается от поверхности в другом направлении. Сумма прямого, рассеянного и отраженного излучения называется общим или глобальным солнечным излучением. Инструменты солнечного излучения не включают отраженное излучение в вычисления общего излучения. Поэтому общее излучение вычисляется как сумма прямого и рассеянного излучения.
Для инструментов Растр Солнечное излучение и Вектор Солнечное излучение основная логика анализа для каждого местоположения (ячейки) следующая:
Вычисление карты неба для рассеянного изучения.
Вычисление карт солнца для прямого излучения.
Вычисление полусферической зоны видимости для показа видимого неба.
Наложение видимости на карту неба и карту солнца, которое позволяет определить часть видимого неба для расчета рассеянного, прямого и общего излучения.
Повторите эти действия для каждого местоположения, чтобы создать растровую карту излучения или векторные данные.
Дополнительную информацию о расчете карты неба, карты солнца и зоны видимости см. в разделе Моделирование солнечного излучения.
Подробнее о том, как работает инструмент Вектор солнечное излучение
Подробнее о том, как работает Растр солнечное излучение
Вычисление карт солнца
Для инструментов Растр Солнечное излучение и Вектор Солнечное излучение в ходе анализа создается множество карт солнца. Это дает возможность моделировать крупные области анализа за счет более точного моделирования положения Солнца относительно ландшафта, поскольку углы падения солнечных лучей меняются в зависимости от широты и долготы.
Прямое солнечное излучение, исходящее из каждого направления неба, вычисляется при помощи карты солнца в той же полусферической проекции, что и зоны видимости. Карта солнца — это растровое представление, отображающее видимое положение солнца, изменяющееся в зависимости от времени суток и дней года. Как будто вы смотрите на то, как меняется положение солнца на небе с течением времени.
Карта солнца состоит из отдельных секторов, определяемых положением Солнца на каждый день с использованием временного интервала в 0.5 часа для Земли и 2 часа по Всемирному координированному времени (UTC) для Луны. Для Луны этот интервал больше, поскольку лунные сутки намного длиннее земных. Каждому сектору карты солнца присваивается уникальный идентификатор, и, кроме того, для него вычисляются углы зенита и азимута (высота) в его центроиде. Карта солнца рассчитывается каждый день, и количество солнечного излучения, исходящего из каждого сектора, рассчитывается отдельно. Затем на зону видимости накладываются карты солнечного излучения для расчета прямого излучения из каждого сектора.
Карта солнечного излучения меняется в зависимости от местоположения (долготы, широты и высоты). В идеале карта солнечного излучения должна рассчитываться для каждого пиксела входной поверхности. Однако для большей эффективности одна карта солнца применяется к группе соседних пикселов входной поверхности. Карты солнца рассчитываются как сетка шестиугольных листов с использованием системы геопространственного индексирования H3.
Подробнее о дискретной глобальной сетке H3 см. https://h3geo.org/.
Относительный размер областей карты солнечного излучения контролируется параметром Уровень сетки карты солнечного освещения. Этот параметр определяет скорость и точность вычислений. Он регулирует разрешение ячеек шестиугольной сетки, которые будут использоваться для внутренних расчетов. На рисунке ниже показано, как карты солнечного излучения применяются для уровней сетки 5–7 для одной и той же области на Земле. Ко всем ячейкам входного растра поверхности, попадающим в каждую шестиугольную сетку, будут применены одинаковые значения карты.
Более низкий уровень сетки создает меньше больших областей карты солнечного освещения и уменьшает время работы инструмента. Более высокий уровень сетки создает больше более мелких карт солнечного излучения, повышая точность результата. Более крупная карта солнца обобщит значения положения Солнца по всей области сетки карты. Это означает, что в крайних точках значения углов наклона и высоты солнца будут одинаковыми. И наоборот, чтобы более точно проанализировать положение Солнца на ландшафте, следует использовать самые высокие уровни сетки.
В следующей таблице показана средняя площадь ячеек шестиугольной сетки для каждого уровня карты солнечного излучения в квадратных километрах:
|
Уровень |
Земля |
Луна |
|---|---|---|
|
4 |
Не применяется |
131.6 |
|
5 |
252.9 (по умолчанию > 4m) |
18.8 |
|
6 |
36.1 (по умолчанию < 4m) |
2.69 (по умолчанию) |
|
7 |
5.16 |
Не применяется |
Вычисление солнечного излучения для Земли и Луны
Поступающее от Солнца солнечное излучение является основным источником энергии, который приводит в действие многие физические и биологические процессы на Земле. Понимание ее важности для локальных масштабов является ключом к пониманию широкого спектра природных процессов и деятельности человека на Земле.
Анализ солнечного излучения для Луны и Земли выполняется одинаково. Однако необходимо учитывать физические и временные различия. Например, длительность лунных суток составляет около 29.5 земных дней. На Луне нет атмосферы, поэтому рассеянное излучение не будет вычисляться. В результате общее излучение будет равным прямому солнечному излучению. Для лунных расчетов время определяется по всемирному координированному времени (UTC), поскольку часовые пояса, используемые на Земле, не имеют смысла для Луны. Для расчета интервалов минимальная продолжительность времени составляет 0.5 часа для Земли и 2 часа для Луны.
Анализ для Луны
Возможность анализа солнечного излучения на Луне важна для исследования планет и для таких организаций, как NASA JPL. Примеры применения:
Изучение геологии лунной поверхности и термический анализ
Исследование потенциальных залежей льда в областях, которые получают мало или совсем не получают света, известных как постоянно затененные области (PSR)
Использование в качестве входных данных для навигации и планирования маршрутов автономных транспортных средств на солнечных батареях
Анализ оптимального размещения будущих лунных объектов, работающих на солнечной энергии
Для начала данные о Луне можно найти в Moon Trek — поддерживаемом NASA JPL приложении, которое позволяет просматривать и загружать множество различных продуктов с данными о Луне.
Более подробно о Moon Trek вы узнаете, посетив веб-сайт NASA https://trek.nasa.gov/moon.
Использование GPU
Инструменты Растр Солнечное излучение и Вектор Солнечное излучение могут обеспечить более высокую производительность, если в вашей системе установлено определенное оборудование GPU. В противном случае анализ будет выполняться только с помощью CPU. Запуск инструментов с использованием совместимого графического процессора выполняется значительно быстрее, чем с использованием центрального процессора. В целях дополнительного повышения производительности при обработке на центральном процессоре эти инструменты будут использовать все доступные ядра процессора. Используйте параметр Целевое устройство для анализа, чтобы определить, будет ли графический процессор или CPU использоваться для запуска инструмента.
Дополнительные сведения о совместимых GPU, настройке и работе с устройствами GPU, а также советы по устранению неполадок см. в разделе Работа GPU с Spatial Analyst.
Интеграция с SPICE API
Инструменты измерения солнечного излучения используют программное обеспечение NASA SPICE для определения положения Солнца, Земли и Луны в пространстве и во времени. Первичные наборы данных SPICE называются ядрами. Данные ядер состоят из навигационной и другой вспомогательной информации, обеспечивающей точную геометрию наблюдений за небесными телами. Эти данные включены в состав установки ArcGIS Pro. Esri обновит ядра с последней версией, доступной на момент релиза. Обновление или добавление дополнительных файлов ядер не поддерживается пользователем.
SPICE не используется для непосредственного вычисления инсоляции.
Дополнительную информацию о SPICE можно найти в разделе Навигационная и вспомогательная информация на веб-сайте NASA JPL https://naif.jpl.nasa.gov/naif/.
Дополнительные ресурсы
Acton, Charles A. 1996. "Ancillary data services of NASA's Navigation and Ancillary Information Facility." Planetary and Space Science Volume 44, Issue 1, January 1996, pp. 65–70. https://doi.org/10.1016/0032-0633(95)00107-7
Acton, Charles, Nathaniel Bachman, Boris Semenov, and Edward Wright. 2018. "A look towards the future in the handling of space science mission geometry." Planetary and Space Science Volume 150, January 2018, pp. 9–12. https://doi.org/10.1016/j.pss.2017.02.013
Brodsky, Isaac. 2018. "Uber’s Hexagonal Hierarchical Spatial Index H3." Engineering (blog), June 27, 2018. https://www.uber.com/blog/h3/