一种太阳直接辐射遥感计算方法和装置与流程

本发明实施例涉及大气遥感技术领域，更具体地，涉及一种太阳直接辐射遥感计算方法和装置。

背景技术：

太阳辐射是地表物理、化学和生物生理过程(融雪、光合作用、蒸散和作物生长等)的最主要的能量来源，也是地球大气中各种现象和一切物理过程的基本动力。地表太阳辐射控制着地气系统的能量和通量交换过程，是引起地表空间异质性和生物过程的关键因子，对气候预测、太阳能利用都具有的重要意义。

地表太阳辐射控制了地表-大气系统的能量和通量交换过程，是地表物理、生物和化学过程最重要的能源。直接辐射量是平行的太阳光线直接到达地表产生的辐射量，直射光占总辐射的比例是设计聚光型太阳能系统时需要考虑的主要因素，而我国只有98个国家级太阳辐射观测站，远不能满足气候学研究以及太阳能资源利用领域对太阳辐射数据需求。

国内外学者利用多种方法和观测资料对到达地表的直接太阳辐射量进行了模拟估算以及预测，而遥感技术的发展为获取大范围准实时地表太阳辐射量提供了重要的技术和数据支持，众多极轨和静止气象卫星为获取地表太阳辐射量提供了海量数据源。同时，国内外众多科学团队也发布了一系列全球太阳辐射产品，如国际卫星云气候计划(internationalsatellitecloudclimatologyproject,isccp)发布的空间分辨率为2.5°，时间分辨率为3小时的，1984年以来全球太阳辐射产品isccp-fd；全球能量水循环试验(globalenergyandwaterexchanges,gewex)发布的空间分辨率为1°，时间分辨率为3小时、每日、每月的全球太阳辐射产品gewex-srb；美国国家环境预报中心也发布了空间分辨率为209km的太阳辐射产品；美国国家海洋和大气管理局也利用云与地球辐射能量系统(cloudsandtheearth'sradiantenergysystem,ceres)传感器发布了多种时间分辨率的地表太阳辐射数据。

现有的全球太阳辐射产品空间分辨率较低，相应的太阳辐射计算方法或只包含总地表入射太阳辐射，未计算直接太阳辐射量，或大多采用站点的历史观测数据利用日照时数经验回归模型对直接辐射量进行简单估计，没有考虑云在地表的投影位置和云实际阴影位置空间位移导致的辐射计算误差。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种太阳直接辐射遥感计算方法和装置。

第一方面，本发明实施例提供一种太阳直接辐射遥感计算方法，包括：

基于数字高程模型dem和日-地几何关系计算地形阴影遮蔽像元，并基于所述地形阴影遮蔽像元获取非地形阴影遮蔽像元；

基于大气参数和大气辐射传输模型，得到非地形阴影遮蔽像元的瞬时太阳直接辐射量；

根据日出至日落时间内多个时刻的瞬时太阳直接辐射量，基于时间扩展方法获得日总太阳直接辐射量。

第二方面，本发明实施例提供一种太阳直接辐射遥感计算装置，包括：

地形遮蔽计算模块，用于基于数字高程模型dem和日-地几何关系计算遥感影像中的地形阴影遮蔽像元，并基于所述地形阴影遮蔽像元获取非地形阴影遮蔽像元；

瞬时太阳直接辐射量计算模块，用于基于大气参数和大气辐射传输模型，得到非地形阴影遮蔽像元的瞬时太阳直接辐射量；

总辐射计算模块，用于根据日出至日落时间内多个时刻的瞬时太阳直接辐射量，基于时间扩展方法获得日总太阳直接辐射量。

第三方面，本发明实施例提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如第一方面所提供的太阳直接辐射遥感计算方法的步骤。

第四方面，本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如第一方面所提供的太阳直接辐射遥感计算方法的步骤。

本发明实施例提出了一种太阳直接辐射遥感计算方法和装置，通过遥感影像数据直接提取非地形阴影遮蔽区域，并计算瞬时太阳直接辐射量，不受历史观测数据的限制，算法精度更高，可以对全球任意地形和气候条件下的直接太阳辐射进行计算，适用于不同地形和天气条件的区域直接太阳辐射计算，为气候变化研究和太阳能资源科学评估提供数据支持。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为根据本发明实施例的太阳直接辐射遥感计算方法示意图；

图2为根据本发明实施例的地形阴影遮蔽计算方法示意图；

图3为根据本发明实施例的瞬时太阳直接辐射量计算方法示意图；

图4为根据本发明实施例的日总太阳直接辐射量计算方法示意图；

图5为根据本发明实施例的太阳直接辐射遥感计算装置示意图；

图6为根据本发明实施例的电子设备的实体结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

太阳辐射是地表物理、化学和生物生理过程(融雪、光合作用、蒸散和作物生长等)的最主要的能量来源，也是地球大气中各种现象和一切物理过程的基本动力。地表太阳辐射控制着地气系统的能量和通量交换过程，是引起地表空间异质性和生物过程的关键因子，对气候预测、太阳能利用都具有的重要意义。

由于现有的太阳辐射产品或空间分辨率较低，或只包含总地表太阳辐射，未计算直接太阳辐射量，同时现有的直接辐射计算方法大多采用站点的历史观测数据，没有采用遥感方法，对粗分辨率遥感影像，没有考虑云在地表的投影位置和云实际阴影位置空间位移导致的辐射计算误差。因此本发明各实施例针对适用于不同地形和天气条件的区域直接太阳辐射计算方法，为气候变化研究和太阳能资源科学评估提供数据支持。以下将通过多个实施例进行展开说明和介绍。

图1为本发明实施例提供的一种太阳直接辐射遥感计算，包括：

s1、基于数字高程模型dem和日-地几何关系计算地形阴影遮蔽像元，并基于所述地形阴影遮蔽像元获取非地形阴影遮蔽像元；

s2、基于大气参数和大气辐射传输模型，得到非地形阴影遮蔽像元的瞬时太阳直接辐射量；

s3、根据日出至日落时间内多个时刻的瞬时太阳直接辐射量，基于时间扩展方法获得日总太阳直接辐射量。

数字高程模型(digitalelevationmodel，dem)，描述的是地面高程信息，它是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型，是数字地形模型(digitalterrainmodel，dtm)的一个分支。dtm是描述包括高程在内的各种地貌因子，如坡度、坡向、坡度变化率等因子在内的线性和非线性组合的空间分布，其中dem是零阶单纯的单项数字地貌模型，其他如坡度、坡向及坡度变化率等地貌特性可在dem的基础上派生。

在本实施例中，通过采集遥感影像数据，根据数字高程模型(digitalelevationmodel，dem)和太阳位置计算地形阴影遮蔽像元，进而设定地形阴影遮蔽像元不进行太阳直接辐射计算，并根据大气参数和大气辐射传输模型计算非地形遮蔽区域的瞬时太阳直接辐射量，利用单次或多次遥感观测大气参数通过时间扩展方法插值得到任意时刻大气参数，并计算日出至日落时间内多个时刻的瞬时太阳直接辐射量，再通过时间扩展方法获得日总太阳直接辐射量，不受历史观测数据的限制，算法精度更高，能够广泛适用于各种地形和气候条件下，且能够实现区域或全球太阳直接辐射量的准实时计算。

在上述实施例的基础上，如图2所示，步骤s1具体包括：

s11、根据dem求取坡度、坡向；根据当地时间、经度、纬度，求取太阳赤纬、各像元太阳高度角、太阳方位角、日出时角、日落时角，即求取日-地几何关系(日-地几何参数)。

s12、根据太阳高度角、太阳方位角、地表高程，求取被地形遮蔽像元，记为0，对该部分像元不进行直接辐射计算。

在本实施例中，具体的，步骤s11中，根据遥感成像时间和经纬度，计算日-地几何参数，包括：

(1)水平面太阳高度角h1如下式(1)所示：

sinh1＝sinφsinδ+cosφcosδcosω(1)

式(1)中，为地理纬度；δ为太阳赤纬；ω为太阳时角。

(2)倾斜面太阳高度角h2如下式(2)所示：

式(2)中，α为坡度；β为坡向。

(3)水平面日出时角ωsr,日落时角ωss，且满足：ωsr＝-ωss，ωsr如下式(3)所示：

(4)坡面日出日落时角依据坡向采用不同的算法，对于朝东或偏东方向的日出时角(ωs'r)和日落时角(ωs's)可以分别如下式(4)、(5)所示：

对于朝西或偏西方向的日出时角(ωs'r)和日落时角(ωs's)可以分别如下式(6)、(7)所示：

式(4)～(7)中，

(5)太阳方位角a如下式(8)所示：

(6)太阳赤纬如下式(9)所示：

其中：τ为日角，即：

τ＝2π(jd-n0)/365.2422

n0＝79.6764+0.2422*(年份-1985)-int[(年份-1985)/4]

其中：jd为儒略日。

s12：根据地表高程和日-地几何关系，采用一定步长(本实例中设定为栅格单元最小分辨率)，沿太阳入射方向，对栅格单元a一定范围(本实例中设定为20km)的栅格单元依次搜索，若某栅格b与栅格a间的高度角大于该入射路径的太阳高度角，则该时刻栅格a被遮蔽，否则可照。重复搜索过程直至搜索范围大于等于20km或该栅格a被遮蔽。

在上述各实施例的基础上，基于大气参数和大气辐射传输模型，得到非地形阴影遮蔽像元的瞬时太阳直接辐射量，具体包括：

计算云阴影遮蔽像元和晴空可照像元；对于晴空可照像元，采用晴空大气辐射传输模型，计算晴空近地层瞬时太阳直接辐射量，对于云阴影遮蔽像元，基于大气参数，采用云天大气辐射传输模型，计算云遮蔽近地层瞬时太阳直接辐射量；

基于坡面或水平面太阳入射角将晴空近地层瞬时太阳直接辐射量和云遮蔽近地层瞬时太阳直接辐射量转换为实际地形条件下的瞬时太阳直接辐射量。

具体的，在本实施例中，上述晴空大气辐射传输模型、云天大气辐射传输模型为实现建立的，根据晴空、云天情况下的大气参数以及对应的像元，训练得到的。

在本实施例中，具体的，如图3所示，s2可以分为以下步骤：

s21、计算云在地表的阴影区域，对云天情形，需要进行云-地表阴影相对位移订正。根据太阳高度角、太阳方位角、云顶高度、各像元地表高程，分别标记地表云阴影像元(“目标像元”)和云像元(“源像元”)的对应位置；

具体的，在本实施例中，根据云顶高度、太阳入射角和地表高程，沿太阳入射方向至地表，逐栅格判定是否被云阴影遮蔽。具体方法为：记o为天空中云的位置，o’为云阴影在地表的正投影位置，θ为o相对于地表栅格单元a的高度角，若θ大于太阳高度角，则栅格单元a被云阴影遮蔽，得到云阴影遮蔽像元。

s22、对未被云阴影和地形阴影遮蔽像元，以地表像元天顶处对应的大气参数作为输入，采用晴空大气辐射传输模型，计算近地层太阳直接辐射量。对于天顶处对应像元有云，而地表未被云阴影遮蔽的情形，以最邻近晴空像元的大气参数作为输入。输入的大气参数包括：水汽、气溶胶、臭氧含量，以及太阳天顶角。

在本实施例中，对于晴空可照像元，采用晴空大气辐射传输模型，计算晴空近地层瞬时太阳直接辐射量，具体的，采用晴空大气辐射传输模型，计算晴空近地层太阳直接辐射量。特别的，晴空条件下的大气参数垂直分布比云较为均匀，因此以地表栅格单元对应的天顶处栅格单元的大气参数作为输入，对于天顶对应像元有云，而地表像元未被云阴影遮蔽的情形，以最邻近晴空像元的大气参数作为输入，计算太阳直接辐射量。输入的大气参数包括：水汽、气溶胶、臭氧含量，以及太阳天顶角。

晴空近地表太阳直接辐射量(iclear)可以表示如下式(10)所示：

上式(10)中，i0为太阳常数，tclear为晴空大气透过率，下标o、r、g、w、a分别指臭氧吸收、瑞利散射、混合气体吸收、水汽吸收、气溶胶吸收和散射情形下的太阳直接辐射透过率。

s23、对于云阴影遮蔽像元，基于大气参数，采用云天大气辐射传输模型，计算云遮蔽近地层瞬时太阳直接辐射量；

对被云阴影遮蔽像元，利用辐射传输模型，如：modtran辐射传输模型，sbdart辐射传输模型，shdom辐射传输模型等，输入相应的大气参数，包括：大气水汽含量、大气气溶胶含量、云(光学厚度、液态水/冰水路径、相态、粒子半径、云顶高度等)、臭氧含量，以及太阳天顶角，计算云遮蔽近地层太阳直接辐射量icloud。

icloud＝i0tcleartcloud

其中，tcloud为太阳直接辐射穿过云层的透过率。

进一步的，步骤s21中，地表栅格单元a被o处的云阴影遮蔽，则以o处栅格单元的云参数作为输入，云以外的大气参数以步骤s22中数据作为输入。

步骤s21中，地表栅格单元a被o处的云阴影遮蔽，则以o处栅格单元的云参数作为输入，云以外的大气参数以步骤s22中数据作为输入。

s24、基于坡面或水平面太阳入射角将晴空近地层瞬时太阳直接辐射量和云遮蔽近地层瞬时太阳直接辐射量转换为实际地形条件下的瞬时太阳直接辐射量；

具体的，在本实施例中，地表实际太阳直接辐射量计算：利用坡面或水平面太阳入射角将近地表太阳直接辐射量(晴空近地层瞬时太阳直接辐射量和云遮蔽近地层瞬时太阳直接辐射量)转换为实际地形条件下的瞬时太阳直接辐射量i’，如下式(11)所示：

i′＝i·sinh(11)

上式中，i为晴空近地表太阳直接辐射量(iclear)和/或云遮蔽近地层太阳直接辐射量icloud，h为h1或h2。

在上述各实施例的基础上，如图4所示，s3具体包括：

s31、以多个观测时间的遥感影像，基于线性插值法，将日出至日落时间内任意时刻大气状态表征为多个分段函数，模拟任意时刻的大气参数；

s32、将日出至日落时间内分为多个时间段，分别计算每个分段时刻的瞬时太阳直接辐射量；

s33、根据分段时刻的瞬时太阳直接辐射量，采用时间积分的方法获取每两个相邻时刻对应时间段的累积太阳直接辐射量，对日出至日落时间内所有累积太阳直接辐射量相加得到日总太阳直接辐射量。

在本实施例中，s31、任意时刻大气参数模拟：对于一天中只有一次遥感观测的大气参数的情形，以单景影像大气参数作为全天平均值。对于一天中具有多次遥感观测大气参数的情形，以多个观测时间的影像，采用线性插值的方法，将日出至日落时间段任意时刻大气状态表征为多个分段函数。

具体的，模拟任意时刻的大气参数，具体包括：

若一天只有一次遥感观测的遥感影像，则以遥感影像反演获得的大气参数作为全天大气参数平均值。

一天中具有两次及以上遥感观测的遥感影像，以多个观测时间的遥感影像，基于线性插值法，将日出至日落时间内任意时刻大气状态表征为多个分段函数，具体包括：

将日出至日落时间内大气状态表征为以多次观测时间为端点的，以时间为自变量的多个分段函数，如下式(12)所示：

对于某一像元相邻时刻遥感影像都有云的情形，式中obsi表示对应的观测时间，i为1,2,3…,n，根据云相态采用不同的插值方法：

若都为水云，则对液态水路径和云顶高度进行时间插值，粒子半径取平均值；

若都为冰云，则对冰水路径和云顶高度进行时间插值，粒子半径取平均值；

若相邻时刻云相态不一致，则将该时间段内云参数设定为水云和冰云的混合相态，不进行插值处理；

若只有一个时刻有云，则只对液态水路径或冰云路径插值，云顶高度和粒子半径不变。

水云云顶最大高度设置为8km，最低高度设置为1km；冰云云顶最大高度设置为12km，最低高度设置为1km。

液态水路径(wliq)、冰水路径(wice)、粒子半径(re)和光学厚度(τc)之间的关系可以表征：

其中，ρ为液态水密度。

其中，de为等效周长。

在本实施例中，s32具体包括：

在日出日落时间段内，采用1小时作为时间步长，以步骤s3插值得到的大气参数作为输入，重复步骤s1和s2，分别计算各分段时刻的瞬时太阳直接辐射量，即对应的：

其中，tsr，t1，t2，tn，tss，分别指日出时刻，t1时刻，t2时刻，tn时刻和日落时刻。

相应时刻的瞬时太阳直接辐射(e)可以表示为：

{0,e1,e2,...,0}

进一步的，对于步骤s31中所述的两相邻时刻云相态不一致的情形，取冰云和水云情形下直接辐射量的平均值作为该时刻的瞬时太阳直接辐射量。

在本实施例中，s33、日总太阳直接辐射计算：

对相邻时刻的瞬时直接辐射，采用时间积分的方法获取该时间段的累积直接辐射量。对一天日出日落时间内所有累积直接辐射量相加即可得每日总直接太阳辐射量

其中，w指累积直接太阳辐射量，下标sr和上标t1指日出至t1时刻时间段内，下标t1和上标t2指t1时刻至t2时刻时间段内，其它下标含义类，t指累积时间(以分钟为单位)。

图5为本发明实施例提供的一种太阳直接辐射遥感计算装置，包括地形遮蔽计算模块30、瞬时太阳直接辐射量计算模块40和总辐射计算模块50：

地形遮蔽计算模块30于基于数字高程模型dem和日-地几何关系计算遥感影像中的地形阴影遮蔽像元，并基于所述地形阴影遮蔽像元获取非地形阴影遮蔽像元；

瞬时太阳直接辐射量计算模块40基于大气参数和大气辐射传输模型，得到非地形阴影遮蔽像元的瞬时太阳直接辐射量；

总辐射计算模块50根据日出至日落时间内多个时刻的瞬时太阳直接辐射量，基于时间扩展方法获得日总太阳直接辐射量。

图6为本发明实施例提供的电子设备的实体结构示意图，如图6所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)810、通信接口(communicationsinterface)820、存储器(memory)830和通信总线840，其中，处理器810，通信接口820，存储器830通过通信总线840完成相互间的通信。处理器810可以调用存储在存储器830上并可在处理器810上运行的计算机程序，以执行上述各实施例提供的太阳直接辐射遥感计算方法，例如包括：

s1、基于数字高程模型dem和日-地几何关系计算遥感影像中的地形阴影遮蔽像元，并基于所述地形阴影遮蔽像元获取非地形阴影遮蔽像元；

s2、基于大气参数和大气辐射传输模型，得到非地形阴影遮蔽像元的瞬时太阳直接辐射量；

s3、根据日出至日落时间内多个时刻的瞬时太阳直接辐射量，基于时间扩展方法获得日总太阳直接辐射量。

此外，上述的存储器830中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

本发明实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各实施例提供的太阳直接辐射遥感计算方法，例如包括：

s1、基于数字高程模型dem和日-地几何关系计算遥感影像中的地形阴影遮蔽像元，并基于所述地形阴影遮蔽像元获取非地形阴影遮蔽像元；

s2、基于大气参数和大气辐射传输模型，得到非地形阴影遮蔽像元的瞬时太阳直接辐射量；

s3、根据日出至日落时间内多个时刻的瞬时太阳直接辐射量，基于时间扩展方法获得日总太阳直接辐射量。

本发明实施例还提供本实施例公开一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行如上述的太阳直接辐射遥感计算方法，例如包括：

s1、基于数字高程模型dem和日-地几何关系计算遥感影像中的地形阴影遮蔽像元，并基于所述地形阴影遮蔽像元获取非地形阴影遮蔽像元；

s2、基于大气参数和大气辐射传输模型，得到非地形阴影遮蔽像元的瞬时太阳直接辐射量；

s3、根据日出至日落时间内多个时刻的瞬时太阳直接辐射量，基于时间扩展方法获得日总太阳直接辐射量。

综上所述，本发明实施例提供的一种太阳直接辐射遥感计算和装置，通过遥感影像数据直接提取非地形阴影遮蔽区域，并计算瞬时太阳直接辐射量，不受历史观测数据的限制，算法精度更高，可以对全球任意地形和气候条件下的直接太阳辐射进行计算，适用于不同地形和天气条件的区域直接太阳辐射计算方法，为气候变化研究和太阳能资源科学评估提供数据支持。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。