如何使用ArcGIS进行太阳辐射分析

1. 概述

太阳辐射在大气和地表的能量交换过程中有重要意义，地球上99.8%的能量来自太阳。太阳辐射是地球上化学、物理、生物等过程的主要能源，也是水文模拟模型、生物物理模型研究中的重要参数。这里，我们介绍一下如何使用ArcGIS进行太阳辐射分析。

2. 数据来源

本教程所使用的数据是使用水经注微图下载的DEM数据，除了DEM数据，常见的GIS数据均可从水经注微图中进行下载。

水经注微图

（私信回复'微图4.0'获取微图软件安装包）

3. 太阳辐射建模

为了更加清楚的使用太阳辐射工具，需要先了解一下太阳辐射建模。

太阳辐射量到达地表需要经过很长的一段旅程，所以，在建模太阳辐射量时，地球外层太阳辐射与地球大气、表面和物体之间的相互作用都应该考虑进去。

直接辐射是源自阳光的畅通无阻的直光线，散射辐射则是由于被大气中的云和尘埃等成分分散，反射辐射则是经过表面要素的反射，直射、散射和反射辐射的总和称为太阳辐射总量或整体日辐射量。

太阳辐射组成

由于辐射会受到地形和表面要素的极大影响，因此需要在数字高程模型 (DEM) 中为每个位置生成一个仰视半球视域，这是该计算算法的一个重要组成部分。

半球视域与仰视半球（鱼眼镜头）相片类似，后者从地面仰望整片天空，就像在天文馆中看到的景象一样。

半球（鱼眼镜头）相片

视域是从某特定位置查看天空时，对整个可见或被遮挡天空的栅格表达。要计算视域，可先围绕感兴趣的位置在指定数量的方向上进行搜索，然后确定天空遮挡的最大角度或视角。

视域计算

来自每个天空方向的直接太阳辐射可通过太阳图计算得出，该太阳图与视域应位于同一半球投影中。

太阳图这种栅格表达方式可表示太阳轨迹，即太阳在一天中的不同时刻以及一年中的不同日期不断变化的明显位置。

太阳图示例

来自各个天空方向的散射辐射是云、粒子等大气成分分散光线的结果，要计算某特定位置的散射辐射，需要创建一个星空图作为整个天空的半球视图，整个天空将被划分为由天顶角和方位角定义的一系列天空扇区。

每个扇区都将指定唯一标识符值以及质心的天顶角和方位角，根据方向（天顶角和方位角）计算每个天空扇区的散射辐射。

星空图示例

计算日照时，在视域栅格中叠加太阳图栅格和星空图栅格可以计算出从每个天空方向接收到的散射辐射和直接辐射。

计算每个扇区中可见天空区域比例的方法为，用每个扇区中未遮挡像元的数量除以像元的总数，可以考虑部分遮挡的天空扇区。

太阳图、星空图与视域叠加

4. 太阳辐射分析工具

太阳辐射区域工具用于计算某处整个地表的日照，对输入地形面中的每个位置都重复此计算，生成整个地理区域的日照地图。

太阳辐射区域

太阳辐射点工具用于计算给定位置辐射能量的大小，可将位置以点要素或 x,y 坐标的形式存储在位置表中，只能对指定位置执行太阳辐射计算。

太阳辐射点

5. 太阳辐射分析

在ArcToolbox中点击'Spatial Analyst工具\太阳辐射\太阳辐射区域'，调用太阳辐射区域工具。

调用太阳辐射区域工具

在显示的太阳辐射区域对话框内，输入栅格选择下载的DEM数据，时间配置可以选择特定的日子、一天内、一年中的多天或者含每月间隔的整年，根据实际情况进行选择。

太阳辐射区域设置

点击确定之后可以得到太阳辐射区域，其中红色表示高日照，蓝色表示低日照，如下图所示。

太阳辐射区域

在ArcToolbox中点击'Spatial Analyst工具\太阳辐射\太阳辐射图'，调用太阳辐射图工具。

在显示的太阳辐射图对话框内，输入栅格为下载的DEM数据，如下图所示。

太阳辐射图设置

点击确定之后可以得到太阳辐射图，标记出来了可见和不可见的范围，如下图所示。

太阳辐射图

在太阳辐射图对话框内，设置好太阳图栅格输出位置，可以得到太阳图。

设置太阳图输出栅格

点击确定之后可以得到太阳图，如下图所示。

太阳图

同样的方法，选择上星空图输出栅格，如下图所示。

设置星空图输出栅格

点击确定之后可以看到生成的星空图，如下图所示。

生成的星空图

在ArcToolbox中点击'Spatial Analyst工具\太阳辐射\太阳辐射点'，调用太阳辐射点工具。

调用太阳辐射点工具

在显示的太阳辐射点对话框内，输入栅格为下载的DEM数据，输入点要素或表为需要知道日照总量的点要素。

太阳辐射点设置

点击确定之后，打开生成的点要素的属性表，可以看到每个点对应的日照总量，可以看到编号为4的点，日照总量最大，最适合种植高日照需求的植物。

包含日照总量信息的属性表

6. 结语

以上就是如何使用ArcGIS进行太阳辐射分析的详细说明，主要包括了数据来源、太阳辐射建模、太阳辐射分析工具和太阳辐射分析等功能。如果在使用过程中有任何疑问，请联系我们。