第10届全国大学生GIS技能大赛下午试题详解（下）附练习数据
一、案例背景
太阳能是一种可再生能源，是指太阳的热辐射能。太阳能资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。太阳能的利用目前还不是很普及，太阳能的使用受到昼夜、季节、地理纬度和海拔高度等自然条件的限制以及晴、阴、云、雨等随机因素的影响。
某住宅小区希望在屋顶安装太阳能，供给家庭日常用电。你将为该小区评估是否适合安装太阳能电池板。
二、数据说明
Building.shp：建筑物数据。
DSM.tif：数字表面模型。
DTM.tif：数字地面模型。
文末有数据下载链接
三、分析要求
1、根据建筑物修正 DTM
DTM 一般指数字地面模型，在本项目中，你可以理解为DEM。
DSM 是数字表面模型，包括地形及地表的所有对象（例如树和建筑物等）。
本项目中的 DTM 和DSM 数据都是通过雷达数据生成，固有一定的误差。正确的 DTM
应该在建筑物处是平整的，而不是倾斜或者高低起伏。
- 请为Building 添加属性字段【基本高度】，并计算数值。
基本高度指建筑物底部高程值，本题请计算每栋建筑物范围内 DTM 的平均值，保留 2 位小数位数。
在做任务之前我们把建筑物数据存放到数据库中，因为数据库中的数据建立字段时字段名可以设置为超过5个中文的长度。
我们使用【空间分析】|【区域分析】|【以表格显示分区统计】，相关参数如下图所示：
接着我们右键“Building”数据选中连接至刚才导出的平均DTM数据表“MEAN”，如下图所示：
这时候“Building”中就已经有了筑物范围内 DTM 的平均值数据，但是还不是自己的数据，为此我们需要新建一个浮点型字段“基本高度”，使用字段计算器将“MEAN”表中的“MEAN”字段复制过来，然后在“mean”字段上右键选择属性，在打开的对话框中选择【数值】，设置小数位数为：2，如下图所示：
2) 修正DTM 数据，将结果命名为“DTM 修正”。
建筑物所在位置对应的DTM 应是平整的，高程值为建筑物的基本高度。
打开【转换工具】|【转为栅格】|【要素转栅格】工具，设置参数如下：
这时候我们会得到建筑物范围内正确的“DTM”数据，如下图所示：
接下来就是用新生成的“mzsg”数据覆盖掉之前的原始DTM数据，为此我们使用到【数据管理工具】|【栅格】|【栅格数据集】|【镶嵌至新要素】，参数设置如下图所示：
根据结果可知建筑物范围内的DTM数据已经被改变成了平均值。
2、计算每栋房屋的其它基础信息。
请为Building 添加属性字段【最大高度】，并计算数值。
最大高度指建筑物屋顶的最大高程值，保留 2 位小数位数。
最大高程值是指房子最高处的绝对高度，也就是海拔，我们使用【空间分析】|【区域分析】|【以表格显示分区统计】，相关参数如下图所示：
3) 接着我们右键“Building”数据选中连接至刚才导出的最大值的DSM数据表“max”，然后新建一个浮点型字段“最大高度”，设置其小数位数为2，接着讲连接过来的表中的字段复制过来，相关操作和上文的一样，再次不在赘述啦。请为Building 添加属性字段【建筑物高度】，并计算数值。
- 建筑物高度指建筑物本身高度，保留 2 位小数位数。
根据前面的操作，我们已经得到了建筑物的最大高程和建筑物的基本高度（底部高程值），建筑物的高度=最大高度-基本高度，为此我们新建一个浮点型字段“建筑物高度”，然后使用栅格计算器计算其建筑物高度，最后设置小数位数为2即可，最终结果如下图所示：
5) 填写下表中的建筑物屋顶形态。
屋顶形态分为平屋顶、双坡屋顶、四坡屋顶。屋顶朝向分为平面、东、南、西、北、东南、西南、东北和西北。如果建筑物是双坡屋顶，请填写 2 个屋顶朝向；如果建筑物是四坡屋顶，请填写 4 个屋顶朝向。
序号
BuildingBM
屋顶形态
屋顶朝向
1
2116
双坡屋顶
东南、西北
2
2156
双坡屋顶
东、西、南、北
3
2161
四坡屋顶
东南、东北、西北、西南
4
2165
四坡屋顶
东南、东北、西北、西南
5
2171
四坡屋顶
东南、东北、西北、西南
首先我们对“DSM”数据求坡向，然后将“Building”建筑物符号化为空心状态，然后再打开属性表依次选中对应的序号建筑物，使其高亮显示，点击“缩放至”按钮图片图片，这时候我们就可以主观判断其属于那种屋顶形状和屋顶朝向了，其他建筑物屋顶形态也是一样的操作。
图片
3、创建房屋屋顶区域 2021 年每月预计获得太阳辐射量栅格数据，在环境设置中，将Building 作为掩膜
- 【太阳辐射区域】工具可以计算从栅格表面获得的入射太阳辐射。输出总辐射栅格用于表示为输入表面的每个位置所计算的全局辐射或全部日照入射量（直射 + 散射）的输出栅格。输出单位为瓦特小时每平方米 (WH/m2)。
a) 本题工具主参数中天空大小为 200，间隔小时数 0.5，其它主参数请自行研究。
b) 本题工具地形参数中地形方向为 16，其它保持不变。
太阳辐射区域工具计算的太阳辐射量为假设该区域全部晴天可以获得的太阳辐射量。实际太阳辐射受晴、阴、云、雨等随机因素的影响。为了简化计算，我们把天气分为晴天和非晴天，晴天可以获得太阳辐射区域工具计算的全部太阳辐射量，非晴天则无法获得任何太阳辐射量。
该区域 2021 年每月晴天数据如下：
月份
1 月
2 月
3 月
4 月
5 月
6 月
7 月
8 月
9 月
10 月
11 月
12 月
晴天
25
20
24
23
20
15
22
26
27
20
25
26
- 根据每月晴天数据，创建房屋屋顶范围内 2021 年每月太阳辐射量栅格数据，像元值表示瓦特小时每平方米 (WH/m2)。请命名为“太阳辐射 1 月”、“太阳辐射 2 月”、“太阳辐射 3 月”，以此类推，并完成下表。
由于计算的是屋顶的太阳辐射度，为此我们使用【按掩膜提取】将“DSM”数据中的建筑物部分提取出来保存为“jzwgc”，打开【空间分析】|【太阳辐射】|【太阳辐射区域】工具，输入相关参数如下图所示：
计算结果如下图所示：
其他月份也是依次计算，注意起始日和结束日分别填写每一个月份的第一天和最后一天，由于我们计算的是一整个月都是晴天的数据，为此我们要使用【栅格计算器】用算出来的数据*（当月晴天数/当月天数）最终得到统计结果如下图所示：
月份
1 月
2 月
3 月
4 月
5 月
6 月
7 月
8 月
9 月
10 月
11 月
12 月
低值
39887
48881.3
85747
106796
108547
85333.7
123495
133359
107508
56285.9
44876.6
28998.4
高值
13.3676
16.7754
30.3918
38.7674
39.664
31.6062
45.1405
48.6699
38.4884
19.5503
15.1472
11.6104
4、计算 8 月份可用房屋屋顶范围内的太阳辐射量，在环境设置中，将 Building 作为掩膜
考虑到太阳能电池板的能效，符合以下条件的屋顶才适合安装电池板。
如果屋顶坡度小于等于 15 度，则任何屋顶方向都可以安装太阳能电池板。
如果屋顶坡度大于 15 度，且小于等于 30 度，则屋顶朝向不可以朝北（北方为大于等于 337.5，或者小于等于 22.5 度）。
如果屋顶坡度大于 30 度，且小于等于 45 度，则屋顶朝向不可以朝北、东北和西北
（东北为大于 22.5 度且小于等于 67.5 度，西北为大于等于 292.5 且小于 337.5 度）。
- 创建 2021 年 8 月，符合以上条件要求的房屋屋顶范围内的太阳辐射量栅格数据， 命名为“可用辐射 8 月”，像元值表示瓦特小时每平方米 (WH/m2)。
首先对“jzwgc”进行【坡度】和【坡向】分析，然后分别根据题目要求对坡度和坡向结果进行重分类，方便后续的计算，重分类相关参数设置如下图所示：
这时候根据条件要求选择坡度值为1的、坡度值为2且坡向值不为2的和坡度值为3且坡向值不为1、2、3的栅格值，在【栅格计算器】输入如下语句即可：
((“Reclass_Asp10”!=2)&(“Reclass_Slop3”==2))|(“Reclass_Slop3”==1)|((“Reclass_Asp10”==4)& (“Reclass_Slop3”==3))
在得出的栅格结果中，值为0的不符合要求，为此需要对其进行无数据处理，打开【重分类】，将值为0的值设置为“NoData”即可，输出数据保存为“TJ”，相关参数如下图所示：
最后符合条件要求的栅格数据如下图所示：
可以发现此时的栅格值都为1，没有太阳辐射值，为此我们需要使用【栅格计算器】输入“TJ”*之前运算出的8月份的太阳辐射栅格数据，数据输出为“TYFS8”最后得到的数据如下图所示：
5、计算 8 月份每栋房屋可接收的太阳辐射量，在环境设置中，将 Building 作为掩膜
- 为 Building 添加属性字段【可用面积】，计算每栋房屋屋顶可用太阳辐射区域的面积。
面积单位为平方米，保留 2 位小数位数。1 平方英尺=0.093 平方米。
我们打开【空间分析】|【区域分析】|【面积制表】，设置相关参数如下图所示：
这时候我们可以看到输出的表中有每一个建筑物内的像元面积，单位为平方英尺，这个其实就是每个建筑物内的栅格像元个数，因为“TJ”栅格数据的分辨率就算1*1英尺，所以面积等于数量。然后将数据“Building”根据公共字段连接到刚才生成的表“TJ1”，这时候我们在“Building”内新建一个浮点型字段“可用面积”，并且右键选择【字段计算器】，将面积单位“平方英尺”转换为“平方米”，输入如下语句：
这时候“可用面积”就得到了8月份每栋房屋屋顶可用太阳辐射区域的面积啦。
- 为 Building 添加属性字段【可用辐射量8月】，计算每栋房屋屋顶 8 月可接收太阳辐射量。
直接在【空间分析】|【区域分析】|【以表格显示分区统计】，在【统计类型】中选择“SUM”即可，统计8月份每一个建筑物屋顶可接收的太阳辐射量。
计算结果会产生一个表格，里面有8月份每一个建筑物屋顶可接收的太阳辐射量字段“SUM”。
这时候我们只要在“Buiding”中新建一个浮点型的字段“可用辐射量8月”并且通过公共字段连接刚才产生的表格，复制字段“SUM”即可，并且设置其有效小数位为2即可。
a) 如果该栋房屋可用面积小于 25 平方米，则该栋房屋不适合安装太阳能电池板， 无需计算可接收太阳辐射量。
b) 可用辐射量单位为千瓦时（kWH），保留 2 位小数位数。
- END -
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