基于机载激光雷达的城市建筑提取及屋顶太阳辐射估算开题报告

1. 研究目的与意义

能源是人类社会赖以生存的物质基础，是支持经济和社会发展的根本保证。作为应对新世纪能源短缺和气候变化双重挑战的重要手段，可再生能源受到各国政府的广泛关注。可再生能源是指在自然界中可以不断再生、永续利用的能源，而太阳能（SolarEnergy）便是其中一种具有巨大潜力的新兴可再生能源。我国太阳能热利用产业颇具潜力，全国太阳能年辐射总量大于502万千焦/平方米年，日照时数在2200小时以上的地区约占我国国土面积的2/3以上。

激光雷达（LiDAR，LightDetectionandRanging）是近年来发展迅速的主动遥感技术，用户可以自主设计数据获取时间和范围，并通过处理分析点云（Pointclouds）高度、密度、分布、强度及波形信息，从而得到高精度（亚米级）数字地形模型并提取地物（建筑物、植被等）的三维结构参数。同时，从LiDAR数据集中提取的建筑物垂直结构信息（如表面高程、朝向、坡度以及阴影特征等）也可用于参数化太能辐射模型的主要输入变量。LiDAR数据特有的空间尺度优越性为社区管理人员及居民提供了单体建筑为基础的（building-by-buildingbasis）屋顶太阳能信息获取新方式。通过分析提取覆盖全市的LiDAR建筑高度信息，美国纽约市(美国能源部的太阳能城市计划资助)发布了在线太阳能地图（2011）。根据该地图，纽约市66.4%的建筑屋顶空间适合安置太阳能电池板，共可产生高达5847兆瓦的太阳能电力（典型天气状况）。本研究将是主动遥感与被动遥感技术结合提取城市空间信息的有益一次尝试；为定量化评估单体建筑屋顶的多时期太阳能资源，也为可再生能源利用和评价提供数据支撑。

2. 国内外研究现状分析

以往的太阳辐射估测研究工作中，利用光学遥感数据并结合地球-大气系统物理模型反演太阳辐射的方法，被较多应用于太阳总辐射量的变化特征趋势分析。如利用气象卫星（NOAA/AVHRR及我国FY系列静止气象卫星）的可见光和近红外波段观测值，结合站点所观测的太阳辐射资料，建立基于物理模型的太阳辐射空间模型；并在考虑了地形、气象因子影响的情况下反演地表太阳辐射。随着GIS和RS技术的发展，对太阳辐射的研究转向太阳辐射模型与GIS、遥感技术的结合。如Huld等把影响太阳能使用的太阳辐射数据和从遥感影像中提取的环境因子整合到GIS系统中，开发了PVGIS评估模型，用于欧盟内太阳能利用潜力的区域评估。然而，以上方法往往都只适用于大尺度上(国家或省级太阳能利用和规模化开发)的太阳辐射定量估算和分布预测，且需要大量地面太阳辐射观测数据，很难为小尺度的可再生能源规划（如低碳社区屋顶太阳能利用规划等）提供翔实可靠且实用性强的逐个单体建筑（building-by-buildingbasis）屋顶太阳能资源的时空分布信息。

小尺度（如城市中的社区）的屋顶太阳热能模拟研究中，屋顶太阳能适宜度制图技术被应用于加拿大BC省PrinceGeorge市中心城区255栋建筑上：借助Sketchup建模工具制作的多层平顶（multipleflat-roofed）建筑以及GIS为基础的适宜度分析，在邻居尺度（neighborhoodscale）上评估适宜安装太阳能热水器的区域。然而，由于无法基于特定算法自动化提取建筑高度模型，此方法难于扩展尺度（scaleup），往往限于为区域可再生能源和低碳社区规划项目提供数据支撑。

3. 研究的基本内容与计划

4. 研究创新点