一种基于地面激光点云的太阳能潜力评估方法技术

本发明专利技术公开了一种基于地面激光点云的太阳能潜力评估方法，其包括以下步骤：S1、对原始点云进行抽稀；S2、对抽稀后的点云P进行感兴趣区域地面点集R的提取，

A method of solar energy potential evaluation based on ground laser point cloud

The invention discloses a method for evaluating the ground potential based on laser point cloud of solar energy, which comprises the following steps: S1, the original point cloud thinning; point cloud P S2, on the extraction of dilute region of interest ground point set R,

【技术实现步骤摘要】
一种基于地面激光点云的太阳能潜力评估方法
本专利技术涉及计算机图形学领域，具体涉及一种利用激光点云进行太阳能资源评估的方法。
技术介绍
传统的太阳能潜力评估主要是在设备安装过程中采用人为主观估计的方法，然而太阳辐射分布同时取决于时间、气候以及调查环境内物体的空间位置关系，简单的考察和推算难以应对复杂多变的调查环境，如城区、林地、交通路段。对于传统手工测量的方法，其分析效率较低，数据采集和后续处理环节脱离，难以满足需求，因此，迫切需要一种具备时空变换反演能力的精确分析方法。近年来，LiDAR(LightDetectionandRanging)技术飞速发展，其因高度的场景再现能力而适合于日照遮挡分析。激光扫描仪可以快速，高效，精确地获取调查区域内的三维信息，得到的数据为三维激光点云数据。目前，利用点云数据进行太阳能潜力评估的工作集中于机载点云，且大多处于研究阶段。其处理流程主要是通过原始点云数据生成数字表面模型(DSM)，然后直接在DSM网格上进行阴影计算，这种方法主要用于城市级尺度的太阳能潜力评估。而在微观调查尺度下(例如对于单栋建筑屋顶)，仍需要对数据进行多边形建模来确保分析质量，建筑物目标的还原程度取决于结构细节在建模过程中的保留程度。多边形模型需要大量的手工操作或是先验的几何模型和参数，城市环境的复杂性为该方法带来很大的工作量和挑战，种类繁多的城市部件(树木，电力线，桥梁和围墙等)都需要被置入于模型库中。可以看出，对于点云数据而言，其在太阳能潜力评估中的应用场景还较为单一，主要集中于城区。对于郊区和林区的太阳能资源调查研究工作还较少，植被建模的复杂性也同时制约着该方面研究的发展。对于机载点云建模类方法。首先，机载点云由于扫描视角的原因难以获取建筑物侧面和凹面结构，导致点云形成层级结构，各层之间存在大量空隙，不利于进行精确的日照分析。机载点云分辨率一般在1米左右，且数据采集及规划需要花费大量时间。其次，已存在的建模方法主要基于表面模型进行阴影计算，容易将表面建模过程中的误差传递到遮挡分析之中。而对建筑物目标的特定建模则更多的依赖于交互式操作，不仅需要先验的几何参数或充足的样本模型库，且对植被，交通设施，山体岩石等难以建模目标的选择性忽略同样容易导致反演时产生误差。对于直接面向点云的方法，其遮挡分析过程过于简单粗放。直接面向点云的方法都主要依据高程值作为判断依据，忽视物体本身的结构和形状。例如对于植被而言，树冠在高空具有向外延展性，会导致该类方法产生的阴影面积过大，难以适应复杂的场景。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种基于地面激光点云的太阳能潜力评估方法。本专利技术具体采用以下技术方案：一种基于地面激光点云的太阳能潜力评估方法，包括如下步骤：S1、对原始点云进行抽稀；S2、对抽稀后的点云P进行感兴趣区域内的地面点集R的提取，S3、设置光源偏差控制角；S4、采用最远点贪心策略(farthest-firsttraversal)来快速计算基点的位置和个数；S5、计算基点太阳位置；S6、采用广义隐藏点移除算法即GHPR(GeneralizedHiddenPointRemoval)算法进行三维点云场景的遮挡分析，从而进行日照模拟计算；S7、对遮挡分析结果进行二值化阴影绘制；S8、对点云场景进行太阳辐射计算。进一步地，S1的具体步骤如下：输入三维地面激光点云Praw，首先设置一个抽稀距离Ls，然后采用体素抽稀方法。体素抽稀方法先将点云划分为边长为Ls的正立方体体素，再按体素内点集的中心点作为新的数据点，这些新的点集形成了抽稀后的点云P。进一步地，S2的具体步骤如下：S21、首先，采用基于体素高程生长滤波的方法来提取地面点，基于整个点云的最低高程值设置一个阈值高度tz，该阈值高度通常为感兴趣区域高程值之上3米高度。如果一个体素的中心高程与最低点的相对高度高于该阈值tz，则认为其不可能是地面点，此外，若一个低于阈值的体素可以生长到该阈值高度tz，则认为是墙体或垂直物体的一部分，也为非地面点，从而提取所有地面点集；S22、接着，对地面点集进行欧式距离聚类，对获得的聚类簇标记序号；S23、最后，计算每一个类簇的平均密度值，选择密度最高的一个作为感兴趣区域(调查对象)，返回抽稀后的点云，根据各点索引值标记感兴趣区域的数据点ri，ri∈R。进一步地，S3的具体步骤如下：设置模拟光线偏差平行光的最大允许偏差角θ，同时设置太阳距离d，从而可以确定两个基点之间的最大距离l，有：l＝d/tan(π/2-θ)进一步地，S4的具体步骤如下:S41、首先，最远点策略随机选择一个感兴趣区域点作为初始基点o1，构建基点序列O＝{o1}；S42、接着，计算感兴趣区域点集上与该序列最远的点，即并将其添加到O中，为O＝{o1,o2}，直到任意一点ri，ri∈R，都满足S43、获得基点序列后O＝{ok|k∈[1,n]}，对于感兴趣区域点集中的每个点ri，求取其在基点集上的最近邻点，同属于一个基点的感兴趣区域点构成一个偏差控制区域Gk。进一步地，S5的具体步骤如下：S51、对于每个基点ok，通过一套太阳位置求解模型，来计算其相应的太阳位置sk，将每个基点从WGS84坐标额外转为一份经纬度坐标，有[oΨ,oΦ,oh]＝T([ox,oy,oz])，其中，T为坐标变换，[oΨ,oΦ]为基点的经纬度值，oh为海拔高度值，然后，根据太阳位置模型获得基点o的太阳位置s，s＝[oΨ+fd(y),oΦ-fd(x),oh+z]T，fd为将长度化为度数的函数，在经纬度坐标下可以如下计算:x＝dsin(90°-α)cos(ψ)y＝dsin(90°-α)sin(ψ)z＝dcos(90°-α)S52、将经纬度和高度坐标转回WGS84坐标，获得太阳在点云场景三维空间中的相对位置，s＝T′(s)，T′为T的逆变换。进一步地，S6的具体步骤如下：S61、首先，遍历太阳点集S，对于每个太阳位置si，以及调查场景抽稀后的三维点集P，P＝{pi|i∈[1,m]}，其中m是点集的势，执行径向几何变换F，有:其中，若pi＝s，则变换后的点集为而fk是变换的核函数。S62、然后对点集做一次凸包计算，并保留凸包内的点为阴影点集W。进一步地，S7的具体步骤如下：S71、对于每个太阳位置sk，计算一次Wk；S72、然后，取Wk与负责区域Gk的交集为各相应区域内的阴影点。遍历完后，将每个区域内的的阴影结果取并集，从而得到整个感兴趣区域的光照结果；S73、最后将光照结果二值化，设fi(ri)为二值化函数用于表示该点ri的遮挡状况，对感兴趣区域内的阴影点标记为0，记为fi(ri)＝0，而非阴影点标记为1，记为fi(ri)＝1。进一步地，S8的具体步骤如下：S81、采用Hottel模型进行遮挡分析和阴影绘制的结果分析，首先输入太阳时，计算该日大气层外的太阳辐照度Io，然后输入经纬度计算该地区直射辐射透过率τb，再计算斜面修正因子ε，对于修正因子，先求取太阳入射光学与斜面法向量之间的夹角，后采用构建和分解协方差矩阵获得每个感兴趣区域点ri的法向量接着，连接太阳和当前遍历点构建入射向量为s-ri，校正因子ε可以通过入射向量与法向量之间的夹角余旋计算:其中·为向量点乘，而s为该点相关本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于地面激光点云的太阳能潜力评估方法，其特征在于：包括以下步骤：S1、对原始点云进行抽稀；S2、对抽稀后的点云P进行感兴趣区域内的地面点集R的提取，

【技术特征摘要】
1.一种基于地面激光点云的太阳能潜力评估方法，其特征在于：包括以下步骤：S1、对原始点云进行抽稀；S2、对抽稀后的点云P进行感兴趣区域内的地面点集R的提取，S3、设置光源偏差控制角；S4、采用最远点贪心策略来快速计算基点的位置和个数；S5、计算基点太阳位置；S6、采用广义隐藏点移除算法即GHPR算法，进行三维点云场景的遮挡分析，从而进行日照模拟计算；S7、对遮挡分析结果进行二值化阴影绘制；S8、对点云场景进行太阳辐射计算。2.根据权利要求1所述的一种基于地面激光点云的太阳能潜力评估方法，其特征在于：所述S1的具体步骤如下：输入三维地面激光点云Praw，首先设置一个抽稀距离Ls，然后采用体素抽稀方法。体素抽稀方法先将点云划分为边长为Ls的正立方体体素，再按体素内点集的中心点作为新的数据点，这些新的点集形成了抽稀后的点云P。3.根据权利要求1所述的一种基于地面激光点云的太阳能潜力评估方法，其特征在于：所述S2的具体步骤如下：S21、首先，采用基于体素高程生长滤波的方法来提取地面点，基于整个点云的最低高程值设置一个阈值高度tz，如果一个体素的中心高程与最低点的相对高度高于该阈值tz，则认为其不可能是地面点，此外，若一个低于阈值的体素可以生长到该阈值高度tz，则认为是墙体或垂直物体的一部分，也为非地面点，从而提取所有地面点集；S22、接着，对地面点集进行欧式距离聚类，对获得的聚类簇标记序号；S23、最后，计算每一...

【专利技术属性】
技术研发人员：李军，黄鹏頔，程明，陈一平，王程，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：福建,35