用信息法研究天空亮度分布

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1、用信息法研究天空亮度分布重慶大學(xué)博士學(xué)位論文學(xué)生姓名:何滎指導(dǎo)教師:陳仲林教授專業(yè):建筑技術(shù)科學(xué)學(xué)科門類:工學(xué)重慶大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院二OO八年五月StudyontheSkyLuminanceDistributionModelbyInformationMethodsAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheDegreeofDoctorofEngineeringByHeYingSupervisorbyP

2、rof.ChenZhonglinMajor:ArchitecturalTechnologyandScienceCollegeofArchitectureandUrbanPlanningofChongqingUniversity,Chongqing,ChinaMay,2008中文摘要摘要在能源日趨緊張的今天,充分利用天然光,追求生態(tài)和可持續(xù)發(fā)展,節(jié)約照明用電,具有十分重要的意義。建筑物利用天然光最重要的因素是天空亮度分布,因此天空亮度分布規(guī)律就成為了天然采光的主要研究對(duì)象。本文在較為系統(tǒng)的分析前人有關(guān)天空亮度分布

3、模型的基礎(chǔ)上,利用信息法來(lái)研究天空亮度分布模型,理論上天空亮度分布模型僅與天頂亮度轉(zhuǎn)換系數(shù)有關(guān),而天頂亮度轉(zhuǎn)換系數(shù)僅取決于太陽(yáng)高度角的大小,與地域無(wú)關(guān),具有普適性。也就是說(shuō)在理論上僅需要一個(gè)地區(qū)的數(shù)據(jù)就可以了,這為我們研究天空亮度分布提供了一種新的方法和新的思路,其結(jié)果將會(huì)對(duì)建筑采光設(shè)計(jì)、建筑節(jié)能及充分合理的利用太陽(yáng)能產(chǎn)生極大的影響。本文從大氣輻射的基礎(chǔ)理論出發(fā),得到了天空亮度來(lái)源于太陽(yáng)輻射在大氣中的散射和吸收及影響天空亮度的主導(dǎo)參數(shù)是消光系數(shù)(或光學(xué)厚度)、單散射反照率以及相函數(shù)的重要結(jié)論,從而為研究天空亮度

4、分布奠定了理論基礎(chǔ)。參考天空是采用盡量少的天空類型來(lái)代表變化眾多的真實(shí)天空,方便采光設(shè)計(jì)和采光計(jì)算,本文對(duì)各種不同氣候狀態(tài)下的參考天空與實(shí)際天空狀況進(jìn)行了比較分析,明確了參考天空與真實(shí)天空之間的關(guān)系。通過(guò)對(duì)影響天空亮度的大氣光學(xué)參量進(jìn)行分析研究,并在此基礎(chǔ)上提出大氣等效模型假設(shè),提出信息法研究天空亮度的數(shù)學(xué)表達(dá)式,同時(shí)確定了該表達(dá)式中各參量的特性及在不同氣候條件下的變化范圍和趨勢(shì)。這為天空分類及利用信息法研究天空亮度分布提供了基礎(chǔ)與前提。本文利用多年積累的多城市、大規(guī)模光氣候觀測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù),通過(guò)對(duì)天空氣象參量對(duì)天

5、空亮度分布的影響研究,提出參考天空分類標(biāo)準(zhǔn),即通過(guò)太陽(yáng)日面狀況、天空狀況(云量)及地平到天頂亮度漸變狀況,將天空類型劃分為六類。這種分類方法具有易于觀察、容易區(qū)分,能較準(zhǔn)確的反映天空類型,并避免了現(xiàn)有CIE一般天空亮度標(biāo)準(zhǔn)分類模糊不清的缺陷。同時(shí)對(duì)信息法參考天空模型調(diào)整系數(shù)a、b、c、d及e對(duì)天空亮度分布的影響進(jìn)行研究分析,得到不同天空類型條件下的大致取值范圍,為信息法研究天空亮度模型提供了基礎(chǔ)參數(shù)。本文利用了一種嶄新的求解復(fù)雜優(yōu)化問(wèn)題的啟發(fā)式算法——蟻群算法來(lái)研究天空亮度模型,蟻群算法具有智能搜索、全局優(yōu)化、

6、穩(wěn)健性強(qiáng)、分布式計(jì)算、易與其它方法結(jié)合等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)蟻群算法對(duì)天空亮度各影響要素的分析優(yōu)化處理,得到天空亮度相對(duì)分布對(duì)表達(dá)式的各系數(shù)值。同時(shí)還開(kāi)發(fā)了一套方便實(shí)用的天空亮度模型計(jì)算軟件,提供直觀而方便的計(jì)算手段。I重慶大學(xué)博士學(xué)位論文本文還研究了數(shù)碼相機(jī)測(cè)試天空亮度的測(cè)試方法;運(yùn)用經(jīng)標(biāo)定后的帶魚眼鏡頭的數(shù)碼相機(jī)對(duì)天空半球拍攝測(cè)試,并采用自行開(kāi)發(fā)的圖像處理系統(tǒng)對(duì)天空亮度數(shù)據(jù)信息提取記錄。通過(guò)實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)與由信息法獲得的理論模型的計(jì)算值相比較,其誤差較小,這無(wú)疑為天然光利用,特別是建筑采光設(shè)計(jì)的高精度和標(biāo)準(zhǔn)化工作提供了

7、無(wú)論理論上還是運(yùn)用上都非常有價(jià)值的結(jié)果。論文的創(chuàng)新之處在于:①論文提出將天空類型分為六類的新分類標(biāo)準(zhǔn),新分類標(biāo)準(zhǔn)解決了現(xiàn)有CIE標(biāo)準(zhǔn)在描述天空特征時(shí)所使用的模糊分類語(yǔ)言,方便了實(shí)際運(yùn)用。②首次利用了一種嶄新的求解復(fù)雜優(yōu)化問(wèn)題的啟發(fā)式算法——蟻群算法來(lái)研究天空亮度模型,優(yōu)化求解出天空模型各參數(shù)值,并在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出天空模型計(jì)算系統(tǒng),經(jīng)驗(yàn)證該模型具有較高的精度。③研究利用帶魚眼鏡頭的數(shù)碼相機(jī)和亮度計(jì)組成的圖像處理系統(tǒng),可方便地進(jìn)行天空亮度測(cè)量,獲取天空亮度測(cè)試中亮度分布數(shù)值。該系統(tǒng)方便易用,且有較高的精度。關(guān)鍵詞:

8、天空亮度分布,信息法,蟻群算法,天空分類,天空亮度測(cè)量II英文摘要ABSTRACTMakefulluseofnaturallight,pursueecosystemandsustainabledevelopmentand savelightingpowerismostimportantfortheenergygraduallylacksnow.Themost importantfact

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