3D laser scanning and open source GIS for solar potential assessment
Description
There is an increasing demand among home owners and operators of commercial and public facilities to reduce energy costs, the reliance on declining fossil fuel resources and the impact on the environment. Therefore, cost effective sustainable energy production such as biomass, wind power and solar energy must play a major role in the energy supply chain. The latter is in the focus of this thesis. Solar thermal and photovoltaic conversion systems can be mounted on both, roof planes and building facades in order to produce heat and electricity and thus to increase renewable energy supply. The amount of the incoming solar energy on building areas can be assessed by using e.g. solar radiation models that are implemented in Geographical Information Systems (GIS). However, this requires detailed information about the three dimensional representation of the buildings of interest as well as of their surrounding objects that may cast shadows in order to find suitable areas for the installation of solar based renewable energy technologies. In recent years Light Detection and Ranging (LiDAR), also referred to as laser scanning, has established as a standard technology for highly accurate three dimensional data acquisition of object surfaces. The geometrical information of the scanned surface is stored as 3D point cloud (xyz-triples). Each point is tagged with additional information such as strength of backscatter (intensity), timestamp and scan angle. Most solar radiation models that are implemented in standard GIS software operate on 2.5D raster data and cannot be combined with 3D point cloud data. Hence, an aggregation and simplification of the 3D point cloud to 2.5D raster cells is required leading to an irreversible loss of the third dimension. This procedure reduces the amount of point cloud data significantly and processing such simple data models is less time consuming because the complexity of the third dimension has not to be considered anymore. Although 3D shapes such as roof overhangs or building parts covered by e.g. vegetation are not represented in 2.5D raster data, they have been used for building detection and solar radiation modeling in many cases. This thesis aims to utilize the highest degree of information - the third dimension - of the laser scanning point cloud for both the detection of planar areas of buildings and solar radiation modeling. The algorithms and workflows developed in the framework of this thesis are implemented in Open Source GRASS and SAGA GIS allowing the integration of own modules and the use of existing visualization and spatial analysis tools to interpret and further process the results. Methods are demonstrated generating 2D GIS-ready information in the form of vector polygons and vector lines of the detected objects and their properties (e.g. area, total amount of the incoming solar energy). This offers the possibility for 'normal' GIS users such as spatial planners to analyze and further process the spatial information in standard GIS environments. In the first part of this thesis approaches for the detection and segmentation, respectively, of roof planes using 3D point cloud data acquired by Airborne Laser Scanning (ALS) are presented. The detected roof planes are used as input for point cloud-based solar radiation modeling. Shadows of nearby objects are considered by modeling the 3D horizon of each point being reflected from a roof plane within the original laser scanning point cloud. As solar thermal and photovoltaic conversion systems can also be mounted on building facades the developed point cloud based solar radiation model is transferred on building walls extracted from Mobile Laser Scanning (MLS) data in order to assess their solar potential. The developed algorithms are completely executed within the computer's main memory and thus are not suitable for large study areas because the huge amount of point cloud data produced by LiDAR technology cannot be processed at once. In the second part of this thesis GIS-based workflows are developed allowing an application of the developed algorithms on large LiDAR datasets. Suggestions for both area-wide point cloud based solar radiation modeling and seamless area-wide roof plane segmentation are provided.The thesis concludes that point cloud based solar radiation modeling considers the strong local gradients of the incoming solar energy in a more realistic way due to a better consideration of 3D shapes such as roof overhangs or overhanging vegetation. However, the developed algorithms and workflows might be highly valuable for a variety of research areas and applications and are not limited to the point cloud based assessment of the incoming solar energy of building areas. Future research should focus on the integration of the developed methods in further applications. This might contribute to raise state of the art research activities in spatial science to a higher level. (author)
Availability note (English)
Available from Library of the University of Innsbruck, Innrain 50, 6020 Innsbruck (AT)Abstract (German)
In den letzten Jahren gibt es eine verstaerkte Nachfrage unter Hausbesitzern und Betreibern von kommerziellen und oeffentlichen Einrichtungen die Energiekosten sowie die Abhaengigkeit von den immer knapper werdenden fossilen Brennstoffen und deren Auswirkungen auf die Umwelt zu reduzieren. Aus diesen Gruenden sollten kostenguenstige, nachhaltige, erneuerbare Energiequellen wie zum Beispiel Windenergie, Biomasse und Solarenergie einen wachsenden Bestandteil innerhalb der Energieversorgungskette einnehmen. Die Solarenergie steht im Fokus dieser Arbeit. Solar- und Photovoltaikanlagen koennen sowohl auf Dachflaechen als auch auf Gebaeudefassaden angebracht und installiert werden und durch die Erzeugung von Elektrizitaet und Waerme einen Beitrag dazu leisten die Energieversorgung durch erneuerbare Energien zu erhoehen. Der Betrag der solaren Einstrahlung auf Gebaeudeflaechen laesst sich zum Beispiel durch Modellierung der solaren Einstrahlung mit Hilfe von Geographischen Informationssystemen (GIS) abschaetzen. Dieses Vorgehen erfordert jedoch detaillierte 3D Informationen ueber die entsprechenden Gebaeude sowie ueber deren umliegenden Objekte. Somit koennen Schatteneffekte beruecksichtigt und geeignete Gebaeudeflaechen fuer die Installation von Solar- und Photovoltaikanlagen gefunden werden. Innerhalb der letzten Jahre hat sich Laser Scanning zu einer Standard-Technologie zur Erfassung hoch genauer dreidimensionaler Information von Oberflaechenobjekten entwickelt. Die geometrische Information der abgetasteten Oberflaeche wird in Form einer 3D Punktwolke gespeichert. Zu jedem Punkt werden noch zusaetzliche Informationen wie zum Beispiel die Staerke des reflektierten Signals (Intensitaet), Zeitstempel und Scanwinkel abgespeichert. Die meisten Modelle zur Abschaetzung der solaren Einstrahlung, die in gaengiger GIS Software implementiert sind, lassen sich nur in Verbindung mit 2.5D Rasterdaten jedoch nicht mit 3D Punktdaten ausfuehren. Eine Aggregierung der 3D Punktwolke zu 2.5D Rasterdaten geht jedoch mit einem unwiderruflichen Verlust der dritten Dimension einher. Die Datenmenge reduziert sich dabei erheblich und die Prozessierung solcher einfachen Datenmodelle ist wesentlich schneller, da die Komplexitaet der dritten Dimension nicht mehr beruecksichtigt werden muss. Obwohl 3D Formen wie zum Beispiel Dachueberhaenge oder Gebaeudeflaechen die von Vegetation bedeckt sind in 2.5D Datenmodellen nicht dargestellt sind, wurden diese Datenmodelle schon haeufig zur Gebaeudeerkennung und Modellierung der solaren Einstrahlung herangezogen. Das Ziel dieser Arbeit ist, den vollen Informationsgehalt der 3D Punktwolke sowohl fuer die Erkennung von Gebaeudeflaechen als auch fuer die Modellierung der solaren Einstrahlung zu nutzen. Die im Zuge dieser Arbeit entwickelten Algorithmen und Arbeitsablaeufe sind in Open Source GRASS und SAGA GIS implementiert. Dadurch wird die Moeglichkeit eroeffnet bereits vorhandene raeumliche Analyse-Werkzeuge fuer die Interpretation und die weitere Prozessierung der Ergebnisse zu nutzen. Die extrahierten Objekte und ihre Eigenschaften (z.B. Flaeche, Summe der solaren Einstrahlung) werden zu 2D GIS Daten in Form von Polygonen und Linien aufbereitet. Dies ermoeglicht 'normalen' GIS Anwendern wie zum Beispiel Raumplanern die raeumliche Information in gaengiger GIS Software zu analysieren und weiter zu verarbeiten. Kenntnisse ueber Punktwolkenprozessierungsmethoden sind dabei nicht notwendig. Im ersten Teil dieser Arbeit werden Methoden zur Erkennung und Segmentierung von Dachflaechen innerhalb der 3D Punktwolke, die mit Hilfe von flugzeuggestuetztem Laser Scanning erfasst wurden, praesentiert. Die detektierten Dachflaechen werden anschliessend fuer die punktbasierte Modellierung der solaren Einstrahlung herangezogen. Schatten umliegender Objekte werden durch die Modellierung des 3D Horizontes eines jeden Dachflaechenpunktes innerhalb der originalen Punktwolke beruecksichtigt. Solar- und Photovoltaikanlagen koennen nicht nur auf Dachflaechen, sondern auch auf Gebaeudefassaden angebracht werden. Daher werden die entwickelten Modelle und Algorithmen auf Gebaeudefassaden uebertragen, die mit Hilfe von mobilem Laser Scanning abgetastet wurden, um deren Solarpotenzial abzuschaetzen. Die entwickelten punktbasierten Algorithmen werden jedoch komplett im Hauptspeicher des Computers ausgefuehrt und sind daher nicht fuer grosse Untersuchungsgebiete geeignet, da die enormen Punktdatenmengen nicht auf einmal prozessiert werden koennen. Der zweite Teil dieser Arbeit beschaeftigt sich mit der Entwicklung GIS basierter Arbeitsablaeufe, die eine Anwendung der entwickelten Algorithmen auf grosse Punktdatenmengen erlauben. Die entwickelten Arbeitsablaeufe ermoeglichen sowohl eine grossflaechige punktbasierte Modellierung der solaren Einstrahlung als auch eine flaechendeckende blattschnittfreie Segmentierung von Dachflaechen aus Laser Scanning Daten. Durch die punktbasierte Abschaetzung des Solarpotenzials werden die starken lokalen Gradienten der solaren Einstrahlung besser beruecksichtigt, da 3D Formen wie Dachueberhaenge und ueberhaengende Vegetation in die Modellierung mit einfliessen. Die entwickelten Algorithmen und Arbeitsablaeufe sind jedoch nicht auf die Abschaetzung der eintreffenden Sonnenenergie auf Gebaeudeflaechen begrenzt. Sie koennen fuer eine Vielzahl weitere Applikationen herangezogen werden und moeglicherweise einen Beitrag dazu leisten aktuelle Forschungsaktivitaeten innerhalb der Geowissenschaften auf ein hoeheres Niveau zu heben. (author)Additional details
Publishing Information
- Imprint Pagination
- 127 p.
INIS
- Country of Publication
- Austria
- Country of Input or Organization
- Austria
- INIS RN
- 44014750
- Subject category
- S14: SOLAR ENERGY;
- Resource subtype / Literary indicator
- Thesis, Non-conventional Literature
- Descriptors DEI
- BIOMASS; CLOUDS; DATA; FOSSIL FUELS; GEOGRAPHIC INFORMATION SYSTEMS; LASERS; OPTICAL RADAR; PHOTOVOLTAIC CONVERSION; SIMULATION; SOLAR ARCHITECTURE; SOLAR ENERGY; SOLAR RADIATION; WIND POWER
- Descriptors DEC
- ARCHITECTURE; CONVERSION; DIRECT ENERGY CONVERSION; ENERGY; ENERGY CONVERSION; ENERGY SOURCES; FUELS; INFORMATION; INFORMATION SYSTEMS; MEASURING INSTRUMENTS; POWER; RADAR; RADIATIONS; RANGE FINDERS; RENEWABLE ENERGY SOURCES; STELLAR RADIATION