全 文 ：　　收稿日期 : 2001207204
基金项目 : 国家 948 项目“INSAR 自动生成 DEM技术的引进”(9924225)
作者简介 : 谢阳生 (1975 —) ,女 ,贵州贵阳人 ,研究实习员.
　　文章编号 : 100121498 (2003) 0120008205
基于 GIS 太阳直接辐射模型的研究
谢阳生 , 唐小明 , 黄水生
(中国林业科学研究院资源信息研究所 ,北京 100091)
摘要 : 地面所接收到的太阳直接辐射量是随地面的纬度、高程、坡度、坡向以及地形遮蔽等地形因子
的变化而变化的。本文基于 GIS技术 ,利用 DEM 获取地形因子 ,在 GIS 中建立了晴空太阳直接辐射
模型。本模型的计算结果准确率达到 90 % ,可应用于农业、林业、生物、生态等领域。
关键词 : 太阳直接辐射模型 ; GIS; DEM
中图分类号 :X87 　　　　　文献标识码 :A
地球表面所接收的太阳辐射有 3 种形式 :直接辐射、散射辐射和反射辐射。直接辐射是地
面所接收到的没有改变方向的太阳辐射 ,是总辐射中最重要的部分 ,它不仅在能量的平衡中起
了最重要的作用 ,而且总辐射中其它辐射成分都依赖于它[1 ] 。正是由于直接辐射的重要性 ,许
多领域的研究都需要直接辐射的数据。要取得实验区合理准确的辐射通量 ,一种手段是用直
接辐射仪来收集各个站点的数据资料 ,另一种手段即建立太阳辐射模型。基于 GIS 的太阳辐
射模型国外从 20 世纪 90 年代开始进行了理论的探讨和实践 ,国内在这方面的研究刚刚起步 ,
仅在理论上有一些探讨 ,还没有成型的模型。本文对基于 GIS 的太阳辐射模型进行了研究与
实践。运用地理信息系统获取地理坐标、地形地貌与太阳运动之间的关系建立太阳直接辐射
模型 ,从而得到太阳直接辐射及相关信息的空间格局。
1 　计算方法
1. 1 　基本参数的计算
计算太阳直接辐射量需要用到的基本天文参数有太阳高度角、太阳方位角、时角、赤纬。
太阳高度角 ( h)是太阳与水平面所成的夹角 ,其计算公式为 :
sin h = sinφsinδ+ cosφcosδcosω (1)
其中 h 为太阳高度角 ,φ为地理纬度 ,δ为赤纬 ,ω为时角。
太阳方位角 ( A)是水平面上向北的直线与太阳和测点之间连线在水平面上的投影线的夹
角 ,计算公式为 :
A = arctan ( sinω
- cosφtanδ+ sinφcosω) (2)
时角是指太阳向东或向西偏离子午线的度数。其计算公式为 :
ωsr = arccos( - tanφtanδ) (3)
林业科学研究　2003 ,16 (1) :8 　12
Forest Research
太阳赤纬是太阳方向和地球赤道平面的夹角 ,由以下方程式给出 :
角度用天数来计算 ,以弧度表示 ,以 1 月 1 日为 0 到 12 月 31 日为 364 ,闰年为 365。
　　　　　　　　δ= 0. 006 918 - 0. 399 912 cosθ0 + 0. 070 257 sinθ0
- 0. 006 758 cos2θ0 + 0. 000 907sin2θ0 (4)
- 0. 002 697cos3θ0 + 0. 001 480sin3θ0
角度θ0 用天数 dn 来计算 ,以弧度表示 , dn 以 1 月 1 日为 0 到 12 月 31 日为 364 ,闰年为
365。
θ0 = 2πdn/ 365
1. 2 　太阳直接辐射量的计算
大气外层的太阳辐射通量、大气质量、水蒸气和大气中的悬浮微粒都决定了一个地区的太
阳辐射量。大气外层的太阳辐射通量 I0 的计算式如下[2 ,3 ] :
I0 = S0 (1 + 0. 034 4cos(360°dn/ 365) ) (5)
其中 S0 表示太阳常数 ,太阳常数本文采用国际气象组织推荐的 1 367W·m - 2 [1 ] 。
到达地面的太阳辐射由于受到大气的吸收散射而削弱 ,因此在计算太阳辐射之前应首先
计算大气透射率 (τb) ,晴空条件下辐射光束在大气中传输的经验关系式如下[3 ] :
τb = 0. 56 ( e - 0. 65M + e - 0. 095M) (6)
其中 M 为大气光学质量 ,大气光学质量的计算采用如下方程式[1 ,3 ] :
M (0 , h) = [1 229 + (614sin h) 2 ]1/ 2 - 614sin h (7)
图 1 　坡面太阳直接辐射
于是水平面上的太阳直接辐射量 Is 为 :
Is = Ioτb (8)
得到水平面上的太阳直接辐射量后 ,接下来要计算坡
面上的太阳直接辐射。如图 1 所示 ,po 为太阳入射方向 , In
为坡面法向 ,它们的夹角为 i ,将太阳入射量乘以夹角 i 的
余弦即得坡面太阳直接辐射量 :
Ip = Iscos i (9)
其中 cos i 为法线 In 和太阳入射方向 po 分别在 3 个轴
上的分量的乘积之和[1 ,2 , 4 ,5 ] (见式 10) :
　　　　　　cosi = sinδsinφcosβ- sinδcosφsinβcosα
+ cosδcosωcosφcosβ+ cosδcosωsinφcosβcosα+ cosδsinβsinαsinω (10)
2 　模型建立
太阳辐射模型与 GIS 集成其中一个重要的结合点就是 GIS 为太阳辐射模型提供地形参
数。坡度、坡向、地形遮蔽均可由 DEM 派生计算[6 ,7 ] 。
2. 1 　地形因子的计算
地面上某点的坡度 (β)是表示地表面在该点倾斜程度的一个量 ,它是坡度线与地平面的
夹角 ,从 0°到 90°。坡向 (α)是坡度线在水平面的投影于正北方向线的夹角 ,从 0°到 360°[8 ] 。求
解坡度坡向有很多成熟的算法 ,笔者采用的是拟合曲面法。地形对地面所接收的太阳直接辐
9第 1 期 谢阳生等 :基于 GIS太阳直接辐射模型的研究
射量的影响是很大的 (如图 2) ,因此在计算直接辐射量时是一个必须考虑的因子。关于地形
对直接辐射遮蔽的计算 ,不象坡度坡向一样有成熟的算法 ,笔者在总结了前人算法的基础上 ,
提出了以下算法。
地形对直接辐射遮蔽的算法如下 :
(1) 由太阳的入射方向得到直线所通过的 DEM 格网的行列数 ,设 DEM 格网的间距为 p。
(2) 计算高度递减值。如图 3 所示 ,太阳高度角为 h 时 ,高度递减值 (ΔΕ)的计算公式为 :
ΔΕ=Δp·tan h (14)
其中 Δp = ( x1 - x2) 2 + ( y1 - y2) 2 ×p (15)
( x1 , y1) , ( x2 , y2) 分别为线段前后通过的两个格网的行列值。
(3) 计算是否被遮蔽。比较ΔΕ与前后两点的高程差 ,如前者大于后者则后者可被照射
到 ,否则被遮蔽。
图 2 　地形遮蔽示意图 图 3 　计算高度递减值示意图
2. 2 　模型算法流程
图 4 所示的是太阳辐射模型的算法流程。本模型的实现使用 VC + + 语言。借助地理信
息系统基础平台 ViewGIS 有关 DEM 的函数来获取高程、坡度、坡向数据。考虑到 PC 机的性
能 ,本模型只计算 1 d 的辐射量 ,需要用户输入的参数有 :月份、日期、是否闰年、计算 1 d 辐射
量所取的时间间隔 (默认为 30 min) 。首先计算天数 ,以天数为参数计算赤纬和天文辐射量。
接下来从 DEM 中获取起始的行列号 ,算出其纬度 ,将纬度和赤纬作为参数 ,算出日出时角。根
据上面叙述可知由日出时角可算出该纬度下水平面的照射时间。以日出时角作为循环的起始
点 ,日落时角作为终点 ,时间间隔换算成弧度后作为递进量 ,可算出 1 d 的直接辐射量、遮蔽时
间。
3 　数据验证
实验区选在宁夏西吉县 ,该县地形陡峭崎岖 ,海拔 1 688 　2 633 m[9 ] 。位于 105°20′　106°
04′E ,35°35′　36°14′N 之间。具体测定地点 :黄家二岔行政村。测定时间 :2001204201。测量
仪器 :直接辐射仪。选取包括平地 (A) 、阳坡 (B) 、谷底 (C) 、阴坡 (D)在内的 4 个点 ,每一个点共
测定 6 次 ,得到实测值与模拟值的比较表 (如表 1) 。
01　 林 　业 　科 　学 　研 　究 第 16 卷
图 4 　太阳直接辐射模型算法流程
表 1 　A、B、C、D 点实测值与模拟值比较
测点 测定时间
实测值/
(J·m - 2·s - 1)
模拟值/
(J·m - 2·s - 1)
误差率/
%
测点 测定时间
实测值/
(J·m - 2·s - 1)
模拟值/
(J·m - 2·s - 1)
误差率/
%
07 :58 312. 54 309. 33 1. 03 06 :58 98. 60 92. 94 5. 74
08 :58 513. 51 537. 01 4. 58 09 :33 623. 70 644. 70 3. 37
A 11 :58 871. 10 941. 83 8. 12 C 11 :13 824. 55 886. 14 7. 47
12 :58 852. 56 926. 37 8. 66 13 :43 781. 94 854. 72 9. 31
15 :48 445. 53 481. 61 8. 10 15 :18 533. 05 592. 77 11. 20
17 :28 1. 68 0 — 17 :08 147. 71 176. 35 19. 39
07 :33 218. 05 215. 88 0. 99 06 :28 63. 73 79. 88 25. 34
09 :18 590. 59 607. 98 2. 95 10 :08 665. 90 681. 67 2. 37
B 11 :38 878. 19 928. 61 5. 74 D 10 :58 713. 09 746. 22 4. 65
13 :28 828. 82 887. 90 7. 13 14 :08 493. 86 591. 51 19. 77
16 :08 412. 77 403. 47 2. 25 14 :58 399. 74 461. 1 15. 35
17 :38 0 0 — 16 :58 98. 93 107. 17 8. 33
4 　结　论
本模型能够在只有研究区域 DEM 的情况下计算晴空条件下的太阳直接辐射强度和日太
阳直接辐射量。计算上百万个地块单元 1 d 的累计直接辐射量 ,在 CPU 速度为 450 MHZ的计
算机上所需时间仅为 2. 4 min ,还可按照不同研究的需要计算月、季度以及年的总直接辐射量
和平均辐射量。本模型计算结果的准确率可达到 90 %。最后结果以地图的形式直观地表示。
11第 1 期 谢阳生等 :基于 GIS太阳直接辐射模型的研究
参考文献 :
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Studies on Modelling Direct Solar Radiation in a GIS Environment
XIE Yang2sheng , TANG Xiao2ming , HUANG Shui2sheng
(Research Institute of Forest Resource Information Techniques ,CAF ,Beijing 　100091 ,China)
Abstract : Clear sky solar radiation varies in response to latitude ,elevation , surface gradient (slope) and
orientation (aspect) , as well as position relative to neighbouring surfaces. This paper presents a model for
estimating daily direct solar radiation. The model is based on technology and theory of GIS , using DEM to
caculate slope , aspect and shading. Compared with measured radiation in the south of Ningxia Hui Au2
tonomous Region , the results of the model is in a high degree of accuracy and can be used in the fields of
forestry , ecology , biology and agriculture.
Key words : solar radiation model ; GIS ; DEM
21　 林 　业 　科 　学 　研 　究 第 16 卷