當前位置 > 首頁 > 優秀會員推薦 > 數據分析應用實戰:陽臺能曬多長時間太陽?

數據分析應用實戰:陽臺能曬多長時間太陽?

來源:中國數據分析行業網 | 時間:2020-07-10 | 作者:數據委

(作者:劉程浩,CPDA廣州11期學員、經濟學碩士,擅長通過數據對業務流程進行分析和優化)

 

本篇為另外一篇數據分析應用實戰原創文章《誰家的散打隊?》的姊妹篇

 

前段時間比較忙,我和老婆差不多在第N時間才加入現在所在的小區住戶微信群。

 

感慨一下,現在不同于幾十年前住單位福利分房了,那時候串門聯絡感情非常方便。

 

那時候大家都在一個大單位工作,住的都是同一個單位的單身漢或者家屬,平時白天都可以不用關門,打招呼串門很方便。

 

而且那個年代職工剛新搬進單位的宿舍,提著一籃子熟雞蛋遛一圈,就能把所有鄰居都給認識了。

 

但在商品房+微信的時代,鄰居們都來自五湖四海,平時都不怎么見面。要想熟絡一下認識認識同一樓層的鄰居都不一定有時間。

 

不過我發現,微信群里面共同聊一個話題,倒是個不錯的方法。

 

今天一大早上班的路上,就看到群里在熱烈討論一個話題,“我家的陽臺能不能曬到太陽,或能曬多久的太陽?”

 

如下圖,里面不乏許多大神級的解讀。

 

 

 

 

 

 

陽臺要有太陽曬這個話題是個很老的題材了,其實在看房子階段,決策是否要買這個單元之前,怕是大家都已經在樓盤工地、樣板間里來回穿梭考察好幾十回了。

 

但是由于當時是預售,很多樓房那時候還是工地,真正搬進去的房子在那個時候不僅進不去,而且房子周圍都是腳手架和堆滿了建材,還比較危險。因此很難真實的考察到很多細節,最多遠遠的看一下樓距,估計一下自己看中的房子有多高。

 

如果說一開始買的樓層就很高,或者買的是小區邊上戶型,那這個問題就不是問題,因為確實沒有小區內其他的樓宇遮擋自己的陽臺采光。

 

而其他樓層的戶型就不同了,畢竟來看房的時候可能剛好是陰天,或者工地正在施工進不去,因此很大程度就要看經驗或者自己預判。

 

當然了,有門路的還是可以找熟人問問;而沒有熟人的,那就只好在樣板間、售樓大廳研究模型,或者研究下售樓書上的宣傳圖紙。

 

等掰著手指可以驗房和交房的時候,能走進屋里看了,大家會發現很多細節和之前看到的模型和圖紙多少有些出入。甚至時間久了,看到真正的房子時,卻又都記不起來當時是咋考慮的了。

 

因此要想回答自己家里的陽臺一年下來每天能曬個多長時間,還是得重新考慮和重新計算的。

 

下面介紹3種比較常用的方法:

 

方法一:實地測量和計時法

 

由于我國在北半球,考慮到每年的夏至、冬至是一年中白天時間最長和最短的兩個特殊日子,因此可以就在那2天專門在家測算和觀察下,太陽有沒有照進陽臺,照進來多大面積,一共照了多長時間,非常精準。

 

其余的日子里,陽臺被光照射的時間就是這2個日子觀測到的中間值。

 

非常簡單對吧?

 

不過用這種方法,對于大多數年輕人來說,還是有一些比較嚴格的條件:

 

1、一般來說你得比較有時間(例如財務自由),或者已經是退休在家,總之來說得比較有時間。

 

因為夏至和冬至這2天,遇上周末不用上班的可能性不大。比方說今年的夏至,就是星期一得上班。如果不是財務自由或退休在家,你總不能說和老板或者和客戶請假,要待在家里看太陽吧?所以,比較有時間的人,才能夠用得到這種方法。

 

2、還有就是得天公作美,或者說天氣得配合。

 

如果夏至那天剛好遇上大暴雨或者陰天,冬至那天剛好下雪或者也是多云,你就沒法去觀察和測算了。再加上這2個時節,下雨或陰天,經常一搞就好幾天,你也說不準哪天請假方便。難道你敢請假一請就請個一星期,不至于吧。

 

3、當然還有一種互聯網的方法,那就是家里安裝攝像頭。

 

很多人的家里都裝了攝像頭,不過很多人的攝像頭都是拍攝室內。因此,除非陽臺上裝了一個攝像頭能夠拍攝到一天下來陽臺的光照情況,這樣就可以通過在家里回看視頻統計太陽曬陽臺的時間了。

 

方法二:衛星圖片觀察法

 

如果你有能看到衛星圖片這方面的人脈,那就太方便了。

 

只要調出夏至和冬至的衛星圖片(或者之前之后幾天的,只要是晴天的都行),看看太陽照射下,自己住的樓層沒有被其他樓層的影子遮擋的時間有多長就行了。

 

當然了,還有更加先進的圖像處理算法,可以在雨天模擬出晴天的效果!

 

這種人脈資源怕是相當的難得,因為一般來說,只能找商業衛星公司。

 

如果你沒有這方面的人脈,還有一種大致估計的方法。

 

例如自己可以下載谷歌地球,在谷歌地球上就可以根據時間線找到最靠近夏至和冬至這2天的衛星圖片,然后觀察下自己住的樓層沒有被遮擋就大概知道了。

 

例如,我找到了深圳的著名高樓京基100,和它旁邊的荔園酒店。這張照片拍攝于2020年3月16日早上8點,從京基100的影子上可以推算在春分8:00的時候,京基100的影子大概率是不會對荔園酒店的底層構成遮擋的。既然春分時節都不會遮擋,那么夏至日早上8:00更加大概率不會遮擋。

 

而冬至日嘛,這個還不太好說。

 

 

因為這種方法,還是有些問題:

 

1、谷歌地球的照片不是每天、每時都更新的,因此想要看到更加詳盡的照片,特別是具體某一點某一時刻的照片,真的比較難;

 

2、這種通過影子的估算和估計,需要讀圖人有一些比較基礎的看圖能力和地理學知識。不然,影子往哪里偏移,影子在偏移的過程中該做多少壓縮或延伸,如果都沒個概念的話就麻煩了。

 

方法三:太陽高度角方法

 

我們考慮一般化場景:

 

如下圖,一般來說如果能夠住在左邊建筑的A點或以上位置就是不錯的,因為A點不容易被對面建筑的影子遮擋,而住在B點的話會被遮擋。但對于住在C點而言,到底會不會曬到太陽呢?

 

為此,如果選用太陽高度角這種方法就會比較復雜,需要一定的地理學或天文學的知識,以及幾何、三角函數的基礎。

 

所以,我建議是只要時間充足,可以考慮方法1;

 

家里有礦可以考慮方法2;

 

像我這樣平時比較忙,又只能搬磚挖礦的,就傾向于方案3了。

 

回到正題,方法三的思路從下圖看出要從2個切入點入手:

 

 

假設你站在陽臺上,陽臺對面有個遮擋物會造成陽光的遮擋,從而在陽臺上落下影子;

 

不同時刻的太陽位置,落在陽臺上的影子的位置是不一樣的;

 

第一個切入點,Y方向作為0-1的先決條件:由于陽臺比較窄,因此只要陽臺出現影子,就說明被遮擋1,反之就不被遮擋0;

 

第二個切入點,一旦陽臺被遮擋,那么X方向上最長的影子移動距離是多少?

 

下面先研究Y方向,陽臺是否會被遮擋

 

從中學的地理知識可以知道,北半球兩棟建筑物之間的距離,至少要保證在冬至日的正午時刻,相互間不產生陽光遮擋。

 

為啥這么說呢?

 

第一、? 正午時刻太陽高度角在一天中最大,此時影子最短。如果正午時刻對方建筑被自己的影子所遮擋,那么當天其他時刻,自己的影子都大概率會遮擋住對方(考慮到對方建筑可能較寬,所以用“大概率”);

 

第二、? 冬至日那天,太陽直射點在南回歸線,北半球太陽高度角在一年中所有的正午時刻中是最低的。如果這一天的正午對方建筑被自己的影子所遮擋,那么一年到頭所有的日子,大概率下自己的影子都會遮擋住對方。

 

用下圖來表示就是這樣,

 

 

在上圖左中,冬至日12:00時,如果那條紅色的光線剛好照到了建筑物2的墻角,此時兩棟建筑物的距離L,就剛好是建筑物2不被對面建筑1影子遮擋的最小距離。這個時候,只要建筑物2距離建筑物1的水平距離≥L,那么至少全年的正午時刻,在建筑2門口肯定能曬到太陽。

 

可是現實中很多時候,如上圖右,開發商為了節省用地,兩棟建筑物之間的距離會小于L。或者說考慮到1樓和2樓作為入戶大堂不住人,照不照太陽影響不大,因此允許兩棟樓之間的距離小于L。

 

此時,上圖右的問題就變成H= ?時,在這個高度以下的建筑物長時間曬不到太陽。

 

為了回答L =? 以及H =? 我們用一個場景進行建模,選擇下圖中建筑1建筑2作為研究對象

 

 

第一步,需要判斷的是,太陽到底出現在建筑1一側,還是建筑2一側。因為太陽的位置將決定誰會被遮擋住。

 

這一步的判斷其實不難。

 

首先看上圖,由于是拍攝于2019年11月8日早上11:00 ,此時建筑物的影子方向朝北,此時說明太陽就在南方,因此太陽的位置就在建筑1那側。

 

還有一種方法就是考察緯度的因素。

 

我查了一下所在的韶關市市區的地理坐標,大致是 N 24.8°,E113.8°。

 

由于在11月份,太陽的直射點在南半球,而韶關市在北回歸線以北,因此也可以看出,太陽靠南,在建筑1那側。

 

 

 

這樣一來就清楚了,建筑1和建筑2之間,我們要考察的是建筑2是否會被建筑1的影子所遮擋。

 

第二步,簡化建模,考察一下建筑1和建筑2之間的距離L是否達到了互不遮擋的最小值?

 

這時候,我們將建模所需要的參數,放到圖中來看就比較清楚了。

 

 

上圖中一共有3個參數:

 

參數1,冬至日12:00,陽光的高度角θ=?

 

參數2,建筑1的高度 H1 =?

 

要求出的參數3:此時建筑1的影子長度(或者最小樓距)L= ?

 

首先求θ,這個容易求出來 θ =41.7°。

 

一般的,天文學中關于某天某時刻的太陽高度角的計算公式是這樣

 

 

上面的等式中

 

Dec:赤緯,天文學術語,指的是太陽直射點的緯度,如果在南半球則取負數。冬至日太陽直射點在南回歸線,也就是取Dec = -23.5°

 

Lat:觀測點所在的緯度,例如韶關的緯度就是N 24.8°

 

t:時角,天文學術語,解釋起來有些費勁兒,百度百科是這么解釋的:天體的時角定義為天子午圈與天體的赤經圈在北極所成的球面角。換成不太嚴謹但容易理解的話說,就是地球每個小時自轉15°,在觀測時點上,地球已經自轉了多少個15°。

 

計算公式是? t =(觀測時點-12)×15°

 

例如,現在是正午12點,那么時角就是0°,之所以要減12,那是因為規定了正午12點的視角為0°的緣故。

 

不過由于取的是正午時間,因此cos t=1,整個公式就簡化了。

 

經過數學變形,得到冬至日正午時刻韶關市區的太陽高度角為θ = π/2-(Lat-Dec),也就是41.7°。

 

用高中課本中簡單的平面幾何公式就可求出。

 

 

 

其次求H1

 

求H1的方法有很多種。高手都在民間,所以我就用了一種相對容易的方法。

 

工具是激光測距儀,原理用的是勾股定理。

 

原理和實操都很簡單,下圖大家一看就秒懂

 

 

 

 

求出了θ,H1后,那么L就容易求了

 

利用公式:

 

 

代入數值求出L;

 

在進入下一個環節之前,我們不妨根據一般性推導出一個臨界公式,也就是測算當在建筑2所住的樓層陽臺頂部外沿高度要達到的臨界值(見下圖)。

 

 

經測算,一般情況下,H的臨界值為

 

H臨界=H1- L1×tan(θ)

 

當陽臺頂部外沿實際高度高于臨界值H臨界時,至少能保證每天正午能曬到太陽(也就是Y方向判定不被遮擋),此時可以測算出在冬至日那天能曬到多久的太陽;當陽臺頂部外沿實際高度低于H臨界時(Y方向上判定被遮擋),那就一年到頭大概率會曬不到太陽。

 

下面研究X方向上,影子橫向移動多寬

 

這個就比較需要系統的立體幾何以及天文學的基礎知識了。

 

總體的研究思路流程如下:

 

 

上面的流程中,有一些名詞已經之前解釋過了,這里不多做解釋;

 

下面講一下沒介紹過的。

 

1、時差:不是旅游倒時差的那個時差,而是標準時區的經度和觀測地的經度之間存在角度距離。例如北京時間所在經度為E 120°,而韶關經度為E113.6°,相隔了6.4°,從時間上看差了大約半個小時。也就是說當北京時間早上6:00的時候,韶關真正的時間是早上5:30多一些。之前寫太陽高度角的時候,按道理也要考慮這個因素的,但一方面前面內容不用涉及到太陽升起和日落,另一方面誤差也不大,因此就沒在之前考慮了。時差的計算公式為

 

2. 真時角:就是“時角+時差”

 

3. 太陽方位角:天文術語,按百度百科的解釋,太陽方位角通常被定義為從北方沿著地平線順時針量度的角。它的計算公式為

 

 

這個看著不太好理解,下面我畫個圖大家就容易理解了。

 

首先,由于存在時差,韶關的冬至日是要到12:26分,太陽才到達正南方,此時影子最短。此時的太陽高度角為41.7°,太陽位于正南方,此時方位角為β= 180°;

 

其次,同樣因存在時差,冬至日早晨是7:12分日出,17:40分日落。經計算當天太陽是在正南方偏東約64°升起,也就是俗話說的約東南方升起(此時β=-116°,負數代表上午。但是站在觀測者的角度上看,負數度數看著很別扭,所以取|β|的補角64°,就會比較自然和生活化);

 

同理,當天太陽在正南方向偏西約64°的方向落下,即俗話說的約西南方向落下。

 

 

太陽方位角的變化,就決定了影子的活動范圍

 

4. 影子活動范圍,指的是太陽在不同的方位角出現時,影子的位置。在這里,我們需要確定一個時間范疇。

 

理論上一旦太陽出現在地平線之上,只要有遮擋物就一定會有影子,但有些時段的影子我們并不care。例如我們想曬衣服,早上10點之前的太陽,陽光并不強烈,此時晾干的貢獻比曬干還大;亦或者傍晚時的太陽,也是如此。

 

只有日上三竿到正午,正午到下午那段時間的太陽是我們生活中所需要的。所以我們想要研究陽臺能否曬到太陽或者能被太陽曬多久,應該取一個我們都常用來晾曬的時段,在這里我就取上午10:00到下午16:00。

 

我計算了一個韶關市區冬至日不同時段的太陽高度角-方位角一覽表。

 

一起來看一下(第二列粘貼時發生錯誤,請忽略)

 

 

時點 太陽高度角θ 生活化的方位角
10:00
  1. 18°
南偏東39.15°
11:00
  1. 46°
南偏東25.06°
12:00
  1. 36°
南偏東7.95°
12:26
正南方
13:00
  1. 07°
南偏西10.36°
14:00
  1. 66°
南偏西27.13°
15:00
  1. 01°
南偏西40.78°
16:00
  1. 19°
南偏西51.35°

 

有了這個表,并基于表中的數據我們就可以制作一下3個關鍵時點的影子變化邊界,我將這3個時點的影子的邊界連接上去后,得到了下圖的2條虛線。

 

 

如果你住在1樓,若從10:00到12:26,陽臺位于紅色虛線之下(外),或者下午12:26-16:00,陽臺位于綠色虛線之下(外),那么陽臺都是可以曬到太陽的。

 

1樓曬得到太陽,那么1樓以上的住戶肯定全都曬得了太陽。

 

但實際上經常是這種場景,那就是受之前所說的樓距過小的影響,沒辦法住在上面2條虛線范圍之外。

 

這個時候我們就回到之前講到的一般化場景。

 

我們想知道下圖中C點(假設為陽臺的頂部),從10:00到16:00之間是否能夠曬到太陽?

 

這個就要花點時間來測算了。

 

 

關于C點能否在冬至日正午曬到太陽,從前面推導出來的先決條件H在正午時刻的臨界高度值

 

H臨界正午 = H1- L1×tan(θ正午)

 

計算出的H臨界正午,如果這個值≤H,那么C點在冬至日正午肯定可以曬到太陽。

 

至于早上10點到下午16:00能否都能曬到太陽,則還需進一步分場景計算。

 

有一點可以肯定的就是,一天中其他時間點的太陽高度角肯定比正午時θ值要低,這就意味著除正午外其他時間點的影子上沿高度肯定超過H臨界正午值。

 

這個是顯而易見的,如下圖:影子越長,一旦影子受到遮擋,影子的上沿就越高。

 

 

于是,我們得到一個判斷C點是否被影子遮擋的臨界條件狀態,不過所需要要換成具體的場景來看。

 

首先C點是陽臺的天花完整外沿,它是有長度的。

 

我們設左側為C1,右側為C2,每天影子的變化方向是由C1→C2,也就是自西向東。

 

 

另外,當我們把分析的視角從軸測圖轉向平面圖時,就很容易分析了。

 

下圖中,是代表冬至日當天,上午10:00到正午12:26分時,需要測量的量包括如下:

 

上午的太陽方位角β0

 

C1點和對面建筑外立面構成一個夾角β1,

 

C2點和對面建筑外立面構成一個夾角β2,

 

由下圖易知,β1 > β2

 

β0、β1、β2之間存在如下關系:

 

當β0 > β1時,整個C點陽臺不受遮擋;

 

當β2 <β0 ≤β1 時,C點陽臺開始被遮擋或部分被遮擋,此時還要兼顧H和H臨界。這個時候,如果在此期間H≤H臨界,只要逆運算β1和β2分別等于太陽方位角時的時刻,就知道C點陽臺被影子遮擋的時間;如果此期間H≥H臨界,則C點陽臺完全不受遮擋;

 

當β0 ≤β2時,如果在此期間H≤H臨界,C點陽臺完全受到遮擋;如果此期間H≥H臨界,則C點陽臺完全不受遮擋;

 

同樣的,如果是在下午這段時間內

 

 

β0、β3、β4之間存在如下關系:

 

當β0 >β3時,整個C點陽臺不受遮擋;

 

當β4 <β0 ≤β3 時,C點陽臺開始被遮擋或部分被遮擋,此時還要兼顧H和H臨界。這個時候,如果在此期間H≤H臨界,只要逆運算β3和β4分別等于太陽方位角時的時刻,就知道C點陽臺被影子遮擋的時間;如果此期間H≥H臨界,則C點陽臺完全不受遮擋;

 

當β0 ≤β4時,如果在此期間H≤H臨界,C點陽臺完全受到遮擋;如果此期間H≥H臨界,則C點陽臺完全不受遮擋;

 

分析了那么久,舉個實例分析下吧:

 

假設小王住在在韶關市某小區,他所住的樓層陽臺頂部外沿距離地面28米,他的陽臺的南面斜側,有另一棟小區住宅樓,樓高40米。

 

小王所住的樓和陽臺對面的樓樓距為 20米,對面樓的立面和小王陽臺頂部外沿的兩端,形成的夾角如下圖:

 

 

 

其中,β1=47°,β2=25°,β3=52°,β4=29°

 

請分析,假設冬至日全天晴朗,小王的陽臺在冬至日那天能夠照射到多久的太陽?

 

解答:

 

韶關市冬至日正午高度角為41.7°為已知

 

首先判斷實際樓距是否達到理論不遮擋的最小樓距

 

理論樓距L= 40/tan(41.7°)= 43.88米;而小王所住樓和陽臺對面樓實際樓距只有20米,因此必然小王所在的樓宇的低樓層必然長期會受到影子遮擋;

 

接下來,要看看小王坐住的樓層陽臺的遮擋情況;

 

前面計算冬至日那天不同時點的太陽高度角、方位角、臨界高度等等概念不再一一贅述,直接上圖表進行分析

 

 

在上表的最右列,我用了if….else,或者IF() 的函數,很容易就判斷出了小王陽臺被遮擋的時間段。

 

上表這5個標紅的時間段就是陽臺被遮擋,當然我在這里用了半小時為間隔,如果用10分鐘或者更細的話,可以計算得更細致一些。

 

根據之前設置的上午10:00到下午16:00的有效照射時段來看,小王的陽臺在上午不到半小時,下午有1個半小時是會有太陽遮擋的。總計被遮擋的時間有2小時左右,占整個6小時有效時段的1/3,可以說也還是不錯的了。

 

是不是很方便?

 

小結:

 

上面講了長長的分析過程,看的讓人眼花繚亂,也有可能會讓人頭暈腦脹。

 

下面需要做一下總結:

 

第一步:如果你時間充裕,或者多裝幾個攝像頭,通過記錄任何日子下的陽臺被太陽光照時間,了解陽臺是否受遮擋;

 

或者,如果你有商業衛星公司的資源,可以查看特定日子,例如冬至日及前后幾天的衛星圖片,也可以準確的知道在一年中白晝最短的日子里,陽臺能夠被太陽光照的時間;其他日期里,陽臺受光照的時間只會比冬至日久。

 

如果以上兩個條件都不具備,那么可以考慮燒腦的下一步

 

第二步:考慮太陽高度角及太陽方位角,測算冬至日當天陽臺被有效光照的時間。

 

以下是動作分解:

 

1、通過百度地圖或谷歌地圖、高德地圖……,精確測量所在小區的經度和緯度。這次我用了韶關市區的經度緯度,主要是為了取整方便。

 

2、得到上面的數據后,利用赤緯、時角、時差分別計算出冬至日當天各個整點時段的太陽高度角θ、太陽方位角β。做好做一個表格,方便對比。

 

3、測量自己住的樓房和對面樓房的樓距、對面樓房的高度、陽臺外沿高度、陽臺外沿兩端和對面樓房形成的夾角β1、β2、β3、β4。

 

4、上一步測量完之后,計算陽臺外沿高度的臨界值H臨界;并根據第2步得到的各時點的太陽方位角β,和β1、β2、β3、β4進行對比,判斷陽臺是否受到遮擋,如果受到遮擋,那么反算出被遮擋的時間段;

 

5、利用第2步得到的各時點的太陽高度角θ,計算各時段影子上沿在自己住的樓房外立面的高度H, 并用之與H臨界進行對比,修正第4步的結果。

宁夏十一选五今天开奖结果 幸运农场公式预测 急速赛车10游戏 云南时时彩规则介绍 的保本理财靠谱吗 教你如何赚网赌流水 极速时时彩是不是正规的 贵州茅台股票行情 十大期货配资公司排名联系方式 吉林快3综合走势图 福彩3d预测专家推荐 kp500炒股软件 官方彩票手机投注网站 12054排列3中奖号码 股票指数期货研究 吉林快3开奖预测号码 体彩湖北11选五前三直