各国天空模型研究综述

本文较系统地介绍了各国天空模型研究的概况。对建立我国天空模型，有效利用天然光资源节约人工照明用电具有重要意义。

基于CIE天空模型的室内自然光照度计算模型

介绍了一种计算室内自然光照度的模型。该模型以国际照明委员会公布的15种天空亮度分布模型为基础,以天气条件、建筑朝向、建筑纬度、四季更替、昼夜更替、建筑开窗、室内表面反射系数等为变量,较全面的考虑了影响室内照度的因素。将实际测量数据与本模型计算的结果进行比较,结果表明本模型的计算精度能够很好地吻合实验数据。

基于天空模型的公共场所照明智能控制

公共场所照明具有全天候、多应用、能耗大的特点;掌握任意时间的天空亮度分布情况是充分利用自然光、实现智能照明的基础;基于国际照明委员会(CIE)给出的天空亮度计算公式,建立自然光对公共照明区域产生的天空照度模型;引入数学和光学相关原理建立公共场所人造光和自然光的混合模型;利用改进蚁群算法求解模型,得出最佳的灯具亮度组合,实现舒适和及节能的综合最优;最后,选择典型的大跨度带天窗建筑物为采光对象完成仿真实验,实验结果验证该策略的有效性。

基于OpenGL的3D天空模型

工程应用中使用Open GL对三维场景进行渲染时,常需要对场景中的天空进行重构。为了达到到逼真的效果,要求3D天空模型能进行纹理渲染并具有动态效果。本文对目前常用的两种3D天空模型在Qt环境下利用Open GL进行重构,对比了这两种天空模型的优缺点。

参考天空亮度分布模型下的建筑采光设计优化

结合观测研究某地区天空亮度分布的方法以及参考天空模型的构建方式,提出了华南区参考天空模型(CSRS),并通过房间内的实地测量验证了该计算模型;然后在华南区夏季光气候条件下以某侧窗采光教室为研究对象提出了基于CSRS的建筑采光优化设计方法;最后针对该案例给出了优化的采光设计方案及量化参数,并说明了其采光效果.结果表明:使用CSRS模型进行采光模拟与分析的结果较CIE标准全云天模型更准确.

基于CIE天空模型计算任意时间天空亮度分布

掌握任意时间天空亮度的分布情况是充分利用自然光、实现智能照明的基础。以国际照明委员会(CIE)15种天空类型及其给出的天空亮度计算公式为基础,对天空亮度计算公式中各个参数的计算方法进行了研究。使用这一计算方法,只需知道当地的经纬度、日期以及当前天空属于哪种天空类型,就可计算出其任意时间的天空亮度分布。从已有的可靠的天空亮度分布实测数据出发,将天空亮度分布的计算值与实测值进行比较,分析了计算值与实测值之间的误差。结果表明,通过计算得出的天空亮度分布数据能较好地与实测数据相吻合,因此可以用天空亮度分布的计算值代替实测值作为节能调光的重要数据。

三种标准天空分量叠加的天空亮度模型构建

天空亮度分布是研究建筑采光的基本资料。研究建筑动态采光要求量化年周期内天空亮度动态分布,本课题提出了通过三种标准天空亮度分布模型的分量进行叠加以近似拟合某时刻天空实际亮度分布的构想,并以此为基础建立动态天空亮度模型。本文主要介绍了三种标准天空确立的研究方法、分量叠加方式及该模型校验测试方式。

真实感天空的实时渲染

提出一种实现真实感天空实时渲染的高效方法。首先利用基于分析的天空模型实现天空的光照计算，该模型充分考虑了天空的昼夜变化，并对夜空中特有的各类光源如月球、星体、黄道光和气辉等进行分析；其次通过色调重现实现天空的真实感渲染，通过对暗视效果的模拟进一步提高夜空渲染的真实感；最后给出基于观察窗口的天空几何模型和银河系、星体的渲染方法，并通过图形处理器（GPU）实现上述算法的实时渲染。该方法适用于室外场景的渲染，并已成功应用于某直升机飞行模拟器中。

基于CBDM的建筑天然光环境研究进展

天然光作为绿色能源,对建筑可持续发展有着重要意义。正确评估建筑自然采光是积极利用天然光的关键因素,而目前的天然采光研究主要以静态计算评估为基础,未考虑天然光的高度动态性以及地域不同对室内采光的影响。因此,基于气候的采光模型(Climate-Based Daylight Modeling,CBDM)对建筑天然采光的适用性应用提出了新的要求。本文回顾了近十年来国内外对CBDM的研究成果,从“量化研究”、“技术应用”、“度量标准”三个方面进行了梳理,总结了基于CBDM的建筑天然光环境研究进展,提出了天然采光的未来发展趋势和需要解决的研究问题。

天空偏振模式对仿生偏振光定向的影响及实验

针对工程应用中仿生偏振光罗盘易受天气和太阳位置等因素的影响,存在定向精度低、稳定性差等问题,研究了天空偏振模式对偏振光定向的影响机理。建立了含有偏振模型误差的偏振光定向模型,推导了仿生偏振光罗盘的航向角解算方法;然后系统分析了模型误差对偏振光定向精度的影响机理,指出了载体水平角和太阳高度角是决定模型误差影响程度的主要因素;最后设计了静态实验与跑车测试,评估了不同水平角和太阳高度角时,模型误差对偏振光定向精度的影响。结果表明:当太阳高度角hs<40°时,偏振光定向误差为0.729°;当40°<hs<75°时,误差为3.764°;精度明显降低。另外,载体水平角越大,模型误差角对定向精度的影响程度也越显著;载体水平时,定向误差为0.323°,而倾斜后误差增大为1.352°。文中对仿生偏振光定向的影响机理分析为补偿偏振模型误差,实现高精度偏振光定向提供了理论依据。

利用云对称性假定分析微波成像仪全天空偏差特征

星载微波成像仪全天空观测资料包含了云和降水的信息,但全天空的观测误差不满足资料同化中观测误差为高斯分布的要求。根据欧洲中期天气预报中心提出的云对称性假定,建立了风云三号C星微波成像仪(Fengyun-3C Microwave Radiation Imager,FY-3C MWRI)资料全天空观测误差模型,选取超强台风玛莉亚和利奇马作为研究个例,将全天空观测辐射率进行质量控制和标准化之后分析了全天空的初估场偏离值(first-guess departure,FG departure)特征。结果显示:在云对称性假定下,FY-3C MWRI所有通道的全天空初估场偏离值均接近高斯分布,可以用于观测资料的误差分析;较传统微波晴空资料误差分析模型,基于云对称性假定的全天空观测误差分析模型新增了43.90%~54.63%的卫星观测资料分析,新增观测资料主要来自台风螺旋云带和云墙部分区域。文章初步挖掘了FY-3C MWRI全天空观测资料的可同化潜力,对进一步提高国产风云卫星微波资料在数值预报中的利用率有实际应用价值。

一种基于天空光的新型成像式仿生偏振导航传感装置

模仿昆虫偏振导航机理,设计了成像式仿生偏振导航传感装置样机。研究了天空光偏振分布模型,分析了成像式仿生偏振导航传感装置工作原理。解决了一般探测装置解算偏振参数需要上位机辅助的问题,使用CMOS图像传感器和数字信号处理器,实时输出导航角度。进行了室内、室外装置性能测试,获得了3个方向偏振分量标准化强度曲线。实验结果表明：传感装置室内外角度测量误差分别为-0.8°~0.3°,-1.2°~1.4°,能够较高精度地输出导航角度,可以满足实时导航定位的需要。

不同模型在太阳辐照量计算中的分析与比较

介绍常用的太阳辐照量计算模型天空各项同性模型、Hay模型和天空各向异性模型的计算原理,并通过计算分析比较了3种模型各自的适用情况。认为,Hay模型与天空各向异性模型同属于各向异性模型,Hay模型将天空的散射辐照量考虑为各向异性,天空各向异性模型则认为直射辐照量为各向异性,两种模型计算各有特点,在实际工程计算中,可将2种模型的计算结果进行比较分析以保证计算结果的精确。

大气效果绘制的若干问题研究

大气退化作为户外场景的一个标志成为计算机视觉和计算机图形学领域研究的一个热点和难点.本文对天空模型、色彩的光谱表达和大气退化效果绘制等几个主要问题进行了探讨.天空模型的选取是大气效果绘制的一个重要问题.本文给出了几种典型的天空模型,包括:测量模型,解析模型和直接计算模型;本文还讨论了色彩的光谱表达和转换问题,介绍了具体的转换方法.本文最后提出了一个使用上述天空模型和色彩表达方法的扩展路径跟踪方法,用以对大气效果进行绘制.在实验部分,本文给出了基于解析模型的天空和大气介质存在的场景的绘制效果.

国际上建筑天然采光研究的新动态

太阳光是随处可以利用的可再生能源,天然采光是建筑可持续发展的重要方面。本文回顾了近年来国际上比较关注的天然采光方面的研究及主要成果,提出了近期的主要研究热点和需要解决的问题。

基于人工天穹的体育馆照度均匀度实验研究

照度均匀度是关系到体育场馆自然采光、运动员比赛和电视转播的重要建筑光学指标,现有研究多采用软件模拟方式,且多未全面考虑CIE 15种天空模式。针对中型体育场比赛厅,提出一种基于人工天穹和CIE 15种天空模型的照度均匀度实验方法。按照国内体育场馆设计标准,1∶10搭建建筑模型,给出其尺寸和高度选择依据;全面考虑顶界面采光、侧界面采光和顶、侧界面三种自然采光模式;选择5 mm磨砂玻璃作为采光材料,真实测量其透射比及内墙面材料的反射系数。在此基础上,基于哈尔滨工业大学寒地建筑研究院的人工天穹进行CIE 15种天空模型下的照度均匀度实验,其数据分析为体育场馆的工程设计提供重要理论借鉴价值。

昆明地区倾斜面上太阳辐射的计算与分析

利用K-T法,由水平面上的实测太阳辐射量,用MATLAB程序估算了昆明地区不同方位、任意倾角斜面上的太阳辐射量,分析了昆明地区倾斜面上的太阳辐射特征,为建筑设计、太阳能利用等提供基础数据。

天然光照明研究的新进展

太阳光是随处可以利用的可再生能源,人类的生存健康以及环境的舒适度都取决于对于太阳光的有效利用。天然光照明是建筑可持续发展的重要方面。该文从天空模型、太阳辐射观测和建模、热带地区天然采光这三个方面介绍了目前国际上比较关注的天然光研究方面的新进展。

环境性视色盲自校正灯控系统研究

为了改善交叉口不同环境光条件下驾驶员的视认性和舒适性,消除环境性视色盲,提高交叉口安全性、通行效率,节约能源,基于韦伯-费希纳定律与Gillette-Pierpoint天空模型,并结合视觉功效实验,进行可变光强与可调穿透度的信号灯设计。仿真及实地实验结果表明:自校正灯控系统能够加强驾驶员对信号灯的视认性,使其视认反应时间大大缩短,对近视、弱视人群的改善效果尤为显著。

武汉地区光伏组件最佳倾角的实验研究

为求得大气环境下光伏组件的最佳倾角及其与理论值的差异,在武汉地区开展了15块正南朝向、不同倾角光伏组件发电的一年期对比观测与统计分析。结果表明:所有组件发电量为单峰型年、日变化;最佳倾角在冬半年(3月除外)均为45°,即大于纬度角,其发电量比水平面增幅大,最大达63%,在夏半年为5°～20°即小于纬度角,其发电量比水平面增幅较小,不超过10%;四季最佳倾角分别为20°、10°、30°、45°,年最大倾角为30°,其发电量比水平面高19%;实测与理论推算的逐月最佳倾角趋势一致,且高于或等于理论值(11、12月除外);天空各向异性模型最佳倾角斜面获取的能量多于各向同性模型,冬季相差可达6.8%。冬季增大光伏阵列倾角或夏季减小光伏阵列倾角,会使发电效果得到明显(或一定)改善;对可调光伏阵列,一年调节4次(3、5、9、10月),就能达到较高的发电效率。研究成果对最大程度利用太阳能资源具有指导作用。