地面照度

地面照度是指空間地面上直接輻射到地面上的光能量。現場的建築物的牆壁大多是水泥毛坯牆面，對大功率節能燈輻射到水泥毛坯牆面上的光能量，絕大部分是全部吸收，反射和折射的到地面的光能量極少，在這個空間中，大功率節能燈輻射到地面上的光能量只是直接輻射到地面上的部分。

基本介紹

• 中文名：地面照度
• 外文名：Ground illumination
• 描述：太陽光達到地面的光照強度
• 套用：節能燈
• 學科：測繪

概念

地面照度是指太陽光達到地面的光照強度。太陽光透過大氣層直接投射到地面的部分，稱“直射照度”；被大氣層亂反射後投射到地面部分，稱“散射照度”。地面照度是直射照度與散射照度的總和。一天之內中午前後直射照度最大，散射照度最小。散射照度影響物景的反差，在航空攝影中多選擇在中午前後進行。

矢量法在計算空間目標地面照度中的套用

空間目標的地面照度計算是很有實際意義的，它是研究目標的光電探測輻射特性等過程中不可缺少的一個環節。本文從基本輻射理論出發，推導了空間漫反射表面的地面照度計算公式，並且介紹了如何採用矢量法對該公式中積分 進行計算，此方法可以套用於所有外形能寫出函式關係的目標。

空間漫反射表面的地面照度

對空間目標，我們可以認為它是漫反射體，由於目標與太陽的距離相對目標的幾何尺寸來說非常大，因此對目標來說，太陽光可以認為是平行光。設太陽的光譜輻照度為E(γ)，目標微面元dA的法線與太陽光方向的夾角為q₁，則dA上接收到的太陽輻射為

如目標表面的漫反射係數為σ(γ)，則dA發射出的光通量為

由於目標輻射通過的路程是大氣，部分輻射由於大氣的散射和吸收而損失，設目標與測站之間的距離為R，大氣透過率為T_a，根據距離平方反比定律， dA產生的地面照度為：

對目標的整個表面積分，即得到目標的地面照度：

由於θ₁， θ₂是目標表面微元dA的法線與太陽方向、觀測方向的夾角，因此對不同形狀的目標，積分 不同，下面將闡述對任意形狀的目標，如何用矢量法計算積分 。

矢量法計算目標地面照度

設目標外形曲面Σ的函式為f(x,y,z)= c（如圖1所示）。對圖中太陽方向矢量n_s，規定其方向為遠離目標；對觀測方向矢量n_o，也規定其方向為遠離目標；對曲面Σ，規定其上任一點的法向量指向朝外。

圖1 用矢量法計算積分的示意圖

dA為在Σ上任取的微面元，（x,y,z）為dA中心點坐標，由於dA面積非常小，可以認為其法線為曲面在(x,y,z)處的法線，令其法向量為n，有n= {fx,fy,fz}。則dA的法向量與太陽方向的夾角為：

值得注意的是，q ₁,q ₂不可能對任何的角度都成立，只有當q₁,q ₂均≤π/2，即cosq₁,cosq₂均≥0時，目標照射部分才能被觀測到，當cosq ₁,cosq ₂兩者之一或兩者都<0時，可令積分式中被積表達式為0，即可求出E。

矢量法的優點

從上面的實際計算過程可看出，採用矢量法計算積分òòcosq₁cosq ₂dA簡單、方便，由於積分是在直角坐標下進行的，因而可以不受曲面形狀的限制，任何複雜的空間曲面，只要能寫出函式關係，均可計算出。計算過程中需注意：選取坐標系時應以有利於積分為原則，坐標系選定以後，根據曲面的具體形狀，可以選取在xoy或xoz或yoz內積分，在不同的坐標面內積分，dA的表達式將會有所不同。實際計算可通過MATLAB編程來實現，程式簡單，計算時間大約有幾分鐘。

不同傾角的秋刀魚集魚燈箱照度實驗比較研究

研究背景

秋刀魚(Cololabissaira)屬頜針魚目(Beloniformes)，竹刀魚科(Scomberesocidae)，秋刀魚屬，又稱竹刀魚。秋刀魚廣泛分布於西北太平洋及其沿海海域。體內營養物質豐富，味道鮮美，且價格便宜，深受消費者歡迎，是日本、俄羅斯、韓國和我國台灣省等地的重要捕撈魚種之一。秋刀魚資源豐富，漁具漁法簡單，漁獲效率較高，具有較高的經濟效益。現今從事秋刀魚漁業的國家和地區大部分採用光誘舷提網作業，由於其操作簡便、漁獲效率高，從而得以迅速推廣，我國大陸於2004年開始利用遠洋魷釣船在西南大西洋生產的間隙赴西北太平洋從事秋刀魚舷提網漁業生產，至2013年年底，我國大陸有近30艘秋刀魚船從事生產，年捕撈產量超過2萬噸。國內外對秋刀魚的生物學特性、資源漁場、秋刀魚捕撈技術、視覺及趨光特性等進行了較為廣泛的研究，但有關秋刀魚集魚燈燈光配置方面的研究較少。為此，本文根據集魚燈燈箱的平面照度分布實驗結果，利用Matlab7.0軟體建立秋刀魚集魚燈照度分布模型，對不同傾角的秋刀魚集魚燈箱照明效果進行比較研究，希望為海上誘集捕撈實踐提供參考。

實驗過程和分析方法

（1）秋刀魚集魚燈燈箱裝配

本文以“滬漁910”秋刀魚舷提網船燈箱中長條形集魚燈為研究對象，進行燈光測試實驗，燈箱分布如圖2所示。右舷共有37組長條燈箱，其中3組裝配綠燈，船舯部一長條燈箱的延伸處裝配有3組裝有紅燈圓形燈箱；左舷也有37組長條燈箱，其中6組裝配綠燈；船體前部共裝配有6組導魚用圓形燈箱；尾部裝配有5組長條燈。在海上實際生產中，集魚燈箱的裝配高度(以海平面為基準)為3.95m。

圖2 船隻燈箱布局示意圖

（2）實驗的假設條件

在進行燈箱光學特性實驗前，假設有以下理想條件：

①燈箱內集魚燈具有相同的配光特性，集魚燈在燈箱內等間距裝配。

②燈箱內壁反射率相同，上、下擋板及左、右擋板的反光特性分別相同。

③不考慮光線遇實驗系統外物品(如測量儀器和測量者、遠處物品等)後反射對地面照度的影響。

實驗結論

西德爾科尼夫在海上試驗發現，秋刀魚處在0.01～0.1 lx照度範圍內時開始向光源移動，長期停留在150～200 lx的照度區域內，在600～800 lx照度區內只停留幾秒，超過800lx時秋刀魚即離開。本文研究發現，秋刀魚集魚燈箱的地面照度在其直射方向上呈現出隨地面距離(L)的增加而減少的趨勢，各傾角所形成的光場最大照度值在89～196 lx之間，與上述研究基本相符。秋刀魚集魚燈箱在不同傾角時的照度分布之間存在顯著差異。通過照度分布實驗，在30°傾角時的燈光照度光場波動變化大於45°和60°傾角時的照度光場波動變化，說明傾角越小，其海面光場的波動越大，其有效誘集區域也越小，不利於魚群的聚集；但不是傾角越大越好，當傾角角度增大到一定程度時，其有效誘集區域也會隨之減小，而且部分光線還會被反射到天空中，造成燈光浪費。通過燈光照度分布實驗，我們發現，集魚燈箱的傾角角度在50°～60°較為合適，對於某些誘魚燈箱，其傾角可適當增加至70°。

集魚燈光在傳遞到海面的過程中，主要存在兩方面的能量衰減：一個是在燈箱內部，由於燈泡、燈具的相互干擾造成的燈光的散射和吸收。另一個是燈光從燈箱發出至海麵點的傳遞過程中，由於空氣吸收和散射以及船體對燈光的干擾造成的光通量的衰減。因此在實驗過程中我們要考慮到這兩點誤差來源，進而進行計算，使結果更加精確。除此之外，海水對集魚燈光的折射也是很明顯的，而本次實驗是在陸地上進行的，所測量的數據不可能與實際在海上操作的一致，故也可能會造成實驗誤差。由於受到實驗條件的限制，只對不同傾角時的燈箱照度分布進行了研究，沒有從多個角度和層次對秋刀魚集魚燈箱周圍的光照度及其光強值變化分布進行研究，因此需要在今後進一步深入研究。