基于GIS的地域性光氣候信息系統(tǒng)*

王愛英 金 海 李雯雯

(天津大學(xué)建筑學(xué)院，天津 300072)

1 前言

天然光是一種安全的、取之不盡用之不竭的清潔能源，充分利用天然光，可以節(jié)約大量照明用電和保護(hù)環(huán)境。我國地處溫帶，氣候溫和，天然光資源十分豐富，所以充分利用天然光成為我國發(fā)展可持續(xù)建筑的重要方面。天然光的利用面臨的最大問題就是它的不穩(wěn)定性和可變性，光氣候研究是采光設(shè)計(jì)的重要基礎(chǔ)。

1.1 建筑設(shè)計(jì)本土化趨勢

當(dāng)前建筑設(shè)計(jì)正在往生態(tài)化和可持續(xù)方向發(fā)展，這就提出了建筑設(shè)計(jì)的本土化 (localization)需要。也就是要求建筑要適應(yīng)當(dāng)?shù)氐牡乩憝h(huán)境、氣候條件、建筑材料、歷史文化和生活方式等等，這樣才能在保證舒適度不降低的前提下使建筑最大限度地節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境。為了盡量少地制造人工環(huán)境，本土化的建筑設(shè)計(jì)中當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件是必須要考慮的重要因素，光氣候是其中與建筑采光有關(guān)的一個(gè)重要方面。光氣候的研究就是為了得到可靠的天然光數(shù)據(jù)，以便建筑師進(jìn)行準(zhǔn)確的采光計(jì)算和設(shè)計(jì)，這樣可以有效地節(jié)約電能，同時(shí)得到較舒適的室內(nèi)光環(huán)境。

1.2 本土化的光氣候數(shù)據(jù)

我國地域遼闊，不同地區(qū)，不同時(shí)間的光氣候條件存在著巨大的差異，所以建筑師和照明工程設(shè)計(jì)師在進(jìn)行建筑采光設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮不同時(shí)間段和特定地區(qū)的具體特點(diǎn)。以往在采光設(shè)計(jì)時(shí)，往往以全陰天情況下的采光系數(shù)為依據(jù)進(jìn)行采光計(jì)算。雖然也考慮了地域的差別，但是五個(gè)分區(qū)對(duì)于960萬平方公里的遼闊地域來說顯然是不夠的，保守的采光計(jì)算假設(shè)帶來了電能的浪費(fèi)。

本土化的建筑設(shè)計(jì)和采光設(shè)計(jì)需要本土化的光氣候數(shù)據(jù)，短期和長期的地域性光氣候數(shù)據(jù)包括太陽輻射量、室外照度和天空亮度分布等，對(duì)于建筑采光設(shè)計(jì)、建筑設(shè)計(jì)和城市設(shè)計(jì)都是必不可少的。光氣候變化無常，室外可利用的天然光和天空情況隨著時(shí)間和地點(diǎn)在不停地變化著。為了得到更好的本土化設(shè)計(jì)效果，需要研究在當(dāng)?shù)貧夂驐l件下天然光的變化規(guī)律，即獲得地域性的光氣候數(shù)據(jù)。

1.3 GIS在數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用

地理信息系統(tǒng) (Geographic Information System，GIS)是一種特定的空間信息系統(tǒng)，它是在計(jì)算機(jī)硬、軟件系統(tǒng)支持下，對(duì)整個(gè)或部分地球表層 (包括大氣層)空間中的有關(guān)地理分布數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、儲(chǔ)存、管理、運(yùn)算、分析、顯示和描述的技術(shù)系統(tǒng)。地理信息系統(tǒng)用于分析和處理在一定地理區(qū)域內(nèi)分布的各種現(xiàn)象和過程，解決復(fù)雜的規(guī)劃、決策和管理問題。GIS應(yīng)該提供以下幾個(gè)基本功能:數(shù)據(jù)的獲取、數(shù)據(jù)的初步處理、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及檢索、數(shù)據(jù)的查詢與分析、圖形的顯示與交互。目前GIS在城市設(shè)計(jì)中已有應(yīng)用。將GIS運(yùn)用到地域性光氣候的存儲(chǔ)和分析中，可以發(fā)揮GIS處理空間數(shù)據(jù)的優(yōu)勢。

本課題的任務(wù)，就是首先運(yùn)用科學(xué)的方法得到全國各省市的地域性光氣候數(shù)據(jù)，然后將其與地理信息系統(tǒng)結(jié)合，建立可靠的光氣候信息數(shù)據(jù)庫，以便于建筑師和照明設(shè)計(jì)師進(jìn)行合理準(zhǔn)確的建筑采光設(shè)計(jì)。

2 光氣候數(shù)據(jù)的獲得

光氣候受到太陽高度角、云量、云狀、大氣透明度等因素的影響。按照 IDMP(International Daylight Measurement Program)的規(guī)定，在研究光氣候時(shí)，應(yīng)考慮太陽輻射，包括水平太陽總輻射量、水平太陽直射輻射量、水平太陽散射輻射量等;室外照度，包括室外水平面照度以及室外垂直照度;天空亮度的分布，包括全陰天、全晴天和中間天空的亮度分布。太陽輻射表明了太陽光射到地球表面所帶來的能量或熱量;天空亮度的分布則影響了室內(nèi)的照度分布。

太陽輻射數(shù)據(jù)的采集較為簡單，我國大部分地區(qū)的太陽輻射數(shù)據(jù)都比較容易獲得，其歷史數(shù)據(jù)也比較豐富。室外照度數(shù)據(jù)相對(duì)較少，能收集到的最新數(shù)據(jù)只有在北京和重慶兩地在上世紀(jì)90年代兩年左右的數(shù)據(jù)。除了少量重慶的天頂亮度數(shù)據(jù)，有關(guān)天空亮度分布數(shù)據(jù)的記載非常少。在目前不可能進(jìn)行大規(guī)模測試的情況下，需要利用其他方法獲得我國的光氣候數(shù)據(jù)。

除了IDMP倡導(dǎo)的地面觀測法，獲得光氣候數(shù)據(jù)的方法還有天空模型法，數(shù)碼照片法，衛(wèi)星圖像法，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化法等。結(jié)合我國太陽輻射數(shù)據(jù)豐富和經(jīng)費(fèi)有限的現(xiàn)狀，本課題采用模型轉(zhuǎn)化法，運(yùn)用從太陽輻射熱到室外照度和天空亮度分布的轉(zhuǎn)化模型，獲得需要的光氣候數(shù)據(jù)，其轉(zhuǎn)化流程見圖1。

圖1 光氣候數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化流程

目前，光氣候數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化模型是國外研究的熱點(diǎn)之一，已有數(shù)種模型投入使用，根據(jù)現(xiàn)有的我國的數(shù)據(jù)在比較了幾種主流模型的基礎(chǔ)上，本課題選擇了Muneer模型和Perez模型，分別用來獲取室外照度和天空亮度分布數(shù)據(jù)。由于篇幅所限，關(guān)于轉(zhuǎn)化模型的選擇和使用將在其他文章中專門論述。

3 光氣候信息系統(tǒng)的建立

根據(jù)光氣候數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化模型計(jì)算出的光氣候數(shù)據(jù)，建立我國地域性光氣候數(shù)據(jù)庫，并與GIS相結(jié)合，形成我國光氣候信息系統(tǒng)?！豆鈿夂蛐畔⑻幚硐到y(tǒng)》已經(jīng)取得中國國家版權(quán)局頒發(fā)的計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)登記證書，登記號(hào):2010SR000372。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能模塊包括數(shù)據(jù)管理模塊、視圖操作模塊、查詢檢索模塊、數(shù)據(jù)維護(hù)模塊、分類統(tǒng)計(jì)模塊、輔助設(shè)計(jì)模塊等，如圖2所示。

圖2 光氣候信息系統(tǒng)的功能模塊

運(yùn)用光氣候信息系統(tǒng)，可得到全國32個(gè)主要城市的小時(shí)太陽總輻射量、月平均太陽總輻射量、月平均散射輻射量、月最大總輻射量、月最大散射輻射量、太陽高度角、方位角、室外照度、天空亮度分布等數(shù)據(jù)，以提供給采光設(shè)計(jì)和采光計(jì)算。光氣候信息系統(tǒng)不僅可以提供歷史數(shù)據(jù)，而且可以將新采集的太陽輻射數(shù)據(jù)輸入進(jìn)系統(tǒng)，系統(tǒng)將利用已存儲(chǔ)的轉(zhuǎn)換模型，計(jì)算出室外照度、天空亮度等光氣候數(shù)據(jù)，因此該系統(tǒng)可以進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)處理與計(jì)算，只要用戶輸入實(shí)時(shí)的太陽輻射數(shù)據(jù)，就可以得到實(shí)時(shí)的更準(zhǔn)確光氣候數(shù)據(jù)，因而進(jìn)一步可以通過采光設(shè)計(jì)軟件實(shí)時(shí)模擬室內(nèi)光環(huán)境。

光氣候信息系統(tǒng)將各地光氣候的初始數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選轉(zhuǎn)化，利用模型計(jì)算出采光設(shè)計(jì)中需要的數(shù)據(jù)，再將這些光氣候數(shù)據(jù)以空間屬性數(shù)據(jù)的方式存儲(chǔ)。與此同時(shí)，將基礎(chǔ)地理地圖轉(zhuǎn)化成矢量形式，輸入系統(tǒng)，建立全國統(tǒng)一的坐標(biāo)網(wǎng)格，形成空間的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。將光氣候數(shù)據(jù)即空間屬性數(shù)據(jù)與空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)連接，形成GIS完整的空間數(shù)據(jù)，以點(diǎn)數(shù)據(jù)和面數(shù)據(jù)形式存儲(chǔ)。系統(tǒng)將已存儲(chǔ)的空間數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，包括統(tǒng)計(jì)分析等。光氣候信息系統(tǒng)總體框架示意圖，如圖3所示。

4 室外照度計(jì)算模型

圖3 光氣候信息系統(tǒng)總體框架

光氣候信息系統(tǒng)需要對(duì)初始的太陽輻射等數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選處理，計(jì)算出室外總照度和室外散射照度，因此包含照度轉(zhuǎn)化模型。系統(tǒng)中照度計(jì)算模型流程示意圖，如圖4所示。

圖4 照度計(jì)算流程

從圖中可以看出，只要能輸入足夠詳細(xì)和精確的太陽輻射數(shù)據(jù)，就可以得到任意時(shí)刻的室外總照度值和室外散射照度值。

利用該系統(tǒng)計(jì)算重慶的室外照度，將計(jì)算結(jié)果與重慶IDMP觀測站的1991年室外總照度的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。發(fā)現(xiàn)模型在中午12點(diǎn)前后兩小時(shí)左右誤差稍大，而在其他時(shí)間的二者十分吻合，計(jì)算結(jié)果比實(shí)測結(jié)果略高一點(diǎn)。相關(guān)均偏差MBD為8.06%。因此，運(yùn)用Muneer模型計(jì)算我國室外照度有較為滿意的準(zhǔn)確度。

另外，本研究分別選取了張晴原著的《中國建筑用標(biāo)準(zhǔn)氣象數(shù)據(jù)庫》，美國energyplus全球氣象數(shù)據(jù)庫的全國57個(gè)城市太陽輻射量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，得到兩個(gè)全國年平均總照度圖。與上世紀(jì)80年代得到的全國年平均總照度圖進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)全國各地的照度分布趨勢大致相同，四川地區(qū)附近的較為相似，而在東北部地區(qū)的差別稍大，另外該系統(tǒng)輸出的照度值普遍要比實(shí)測值要小一些。因?yàn)槿狈εc太陽輻射數(shù)據(jù)同步的地面觀測室外照度數(shù)據(jù)，所以此處的誤差分析較難進(jìn)行。

5 天空亮度計(jì)算模型

按照國際慣例計(jì)算天空亮度分布，就要將天空半球進(jìn)行分塊，計(jì)算每一天空塊上的亮度數(shù)值。本研究采取將天空半球分為145塊，以15°為單位進(jìn)行劃分。也就是說在半球的精度上按 15°劃分為360/15=24份，在緯度上90/15=6份，共24*6+1=145塊，其中包括天頂?shù)哪且粔K。PEREZ模型是目前國際上公認(rèn)的最權(quán)威的轉(zhuǎn)化模型，他的公式非常復(fù)雜。我們利用我國已有的數(shù)據(jù)對(duì)PEREZ公式的參數(shù)進(jìn)行了確定，從而確定了計(jì)算模型，輸入太陽輻射數(shù)據(jù)可以得到145塊天空塊的亮度值，這一結(jié)果可以直接用于室內(nèi)采光計(jì)算。

光氣候信息系統(tǒng)對(duì)初始的太陽輻射等數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選處理，計(jì)算出天空中各個(gè)天空塊的亮度數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)中天空亮度計(jì)算模型流程示意圖如圖5所示。

6 結(jié)論

本課題收集了我國大量的地域性光氣候數(shù)據(jù)，運(yùn)用GIS技術(shù)建立了地域性光氣候信息系統(tǒng)，輸入太陽輻射數(shù)據(jù)，可以獲得更多時(shí)段甚至實(shí)時(shí)的室外照度和天空亮度分布數(shù)據(jù)，因而大大豐富了我國光氣候數(shù)據(jù)信息。該系統(tǒng)今后可以與采光軟件如Radiance對(duì)接，并且利用GIS平臺(tái)得到城市內(nèi)各街區(qū)的光氣候數(shù)據(jù)，為更準(zhǔn)確地進(jìn)行建筑采光和節(jié)能設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。

圖5 天空亮度分布計(jì)算流程

［1］柳孝圖.建筑物理.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2000.111～117.

［2］張晴原，Joe Huang.中國建筑用標(biāo)準(zhǔn)氣象數(shù)據(jù)庫.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.1～5，62～201.

［3］R.Perez，R.Seals and J.Michalsky.All-weather model for sky luminance distribution-preliminary configuration and validation.Solar Energy，1993，50(3):235～245.

［4］CIE Central Bureau.Spatial Distribution of Daylight-CIE Standard General Sky.CIE Standard 011/E:2003.

［5］Muneer，T. and Kinghorn， D. SolarIrradiation and Daylight Data for the United Kingdom and Japan(with Compact Disk).Napier University，Edinburgh，1996.

［6］Muneer， T. and AngusR. C. Luminousefficacy:evaluation of models for the United Kingdom.LR＆T，1995，27(2)，71～77.

［7］Perez，R.，Ineichen，P.and Seals，R.Modelling daylight availability and irradiance components from direct and global irradiance.Solar Energy，1990，44，271～289.

［8］金海.基于GIS的地域性光氣候數(shù)據(jù)分析和處理方法研究，天津大學(xué)碩士學(xué)位論文，2009.