Utveckling av en visualiseringsapplikation för solinstrålningsdata

Abstract

Increasing demand for ways to make use of renewable energy, has led to a greater need for methods to estimate the optimal position of energy system that make use of solar power. Systems for solar analysis make it possible to estimate incoming solar radiation on surfaces based on the structure of landscapes, buildings and vegetation. To make use of the data derived from solar analysis, there is a user need for applications that summarize and present the data in a meaningful way. It is possible to create an interactive environment through an application for visualization of 3D-models. This interactive environment can be used to create custom functions that are geared towards creating uses for incoming solar radiation.
An application for such visualization would function through the use of data on incoming solar radiation, a user interface and a technique for 3D-visualization. These components need to be integrated in working application architecture. Systems for solar analysis generate large amounts of data. This creates a need for solutions that allows the visualization application to function without performance related problems. Furthermore, a useful application has to be able to create a link between the data from solar analysis to existing structures such as buildings.
SEBE (Solar Energy on Building Envelopes) is a solar analysis system developed in cooperation between Gothenburg University and the consulting firm Tyréns AB. Data produced by this system were used in the case study of this project. The goal of the project was to investigate what possiblites exists for creating an application for visualization based on the data produced by SEBE. Through user analysis a set of user needs and technical requirements was developed for the application. Through research into what similar applications exist and how they functions a set of possible architectures were identified. The architecture thought to be most fitting for the application was identified, and used to create a prototype of the application. As part of the project the prototype was evaluated. A plugin program, titled SEBEvisualizer was developed for QGIS with support for 3D-models created in OpenGL. This was the platform determined most fitting for development of an applictation for visualization. SEBEvisualizer makes use of vector layers, a database, the QGIS API and the Qt framewok to handle and visualize incoming solar radiation. Voxels, or volume pixels, make it possible to create 3D-models of buildings and other complex objects without the need for any kind of sorting algorithms. Voxel based methods have drawbacks on performance but are easy to implement correctly. The conclusions made from the project are that it is possible to create a useable application for visualization. There are problems with meeting the needs of all kinds of users in a single application. The development platform consisting of QGIS and OpenGL has benefits pertaining to the handling of geographic data and good performance. Drawbacks are that users have a harder time finding and using the application. With future progress in web based 3D-modeling, through supports such as WebGL, an application developed for the web might be more fitting to reach a broader user base.

Abstract (Swedish)

Med en ökande efterfrågan på källor för förnyelsebar energi, däribland solenergi, ökar behovet av att utreda lämplig placering av solenergisystem. Genom solinstrålningsmodeller är det möjligt att beräkna solinstrålning på ytor utifrån ytmodeller av landskap, byggnader och vegetation. För att användare ska kunna ta del av informationen från en solinstrålningsmodell, behövs applikationer som sammanfattar och presenterar informationen. Genom en visualiseringsapplikation som skapar 3D-modeller av till exempel byggnader går det att skapa en interaktiv användarmiljö. Interaktiva miljöer tillåter att många typer av skräddarsydda funktioner skapas för att presentera solinstrålningsdata på ett så användbart sätt som möjligt.
För att kunna skapa en visualiseringsapplikation krävs det data om solinstrålningens intensitet, ett gränsnitt för att kommunicera med användaren och en visualiseringsteknik för att skapa en 3D-modell. Komponenterna måste sammanfogas genom en applikationsarkitektur som har stöd för alla delar. Solinstrålningsmodeller genererar stora mängder data. Det leder till frågeställningar om hur en visualiseringsapplikation kan tas fram för att hantera data utan att lösningen blir för långsam. För en användbar applikation krävs också att datan kan sammankopplas med objekt såsom byggnader. SEBE (Solar Energy from Building Envelopes) är en solinstrålningsmodell framtagen i ett samarbete mellan Göteborgs universitet och konsultbolaget Tyréns AB. Data från modellen användes i fallstudien inom detta projekt. Målet med projektet var att undersöka vilka möjligheter som finns att ta fram en visualiseringsapplikation för solinstrålning baserad på data från SEBE. Genom att identifiera potentiella användare och utifrån en analys av deras behov formulera tekniska krav har en kravspecifikation tagits fram. Genom en litteraturstudie har liknande applikationer och möjliga applikationsarkitekturer undersökts. Av de identifierade applikationsarkitekturerna valdes den som verkade mest lämpad för utvecklingen av en prototyp. Som en del av projektet har applikationens prototyp därefter utvärderats.
Ett insticksprogram till QGIS med en 3D-modell framtagen i OpenGL beslöts vara den bästa plattformen för att skapa en visualiseringsapplikation. Visualiseringsapplikationen gavs arbetsnamnet SEBEvisualizer. SEBEvisualizer använder sig av vektorlager, en databas, QGIS kodbibliotek och applikationsramverket Qt för att utföra arbetet från hantering till visualisering av solinstrålningsdata. Voxlar eller volym-pixlar tillåter att man skapar 3D-modeller av byggnader och andra komplexa objekt utan att behöva lösa problem såsom sortering av indata. Metoden är prestandakrävande men gör det möjligt att enkelt skapa en automatiserad process avsedd att rendera miljöer på ett korrekt sätt.
Slutsatserna av projektet är att det är möjligt att skapa en användbar visualiseringsapplikation. Dock är det i nuläget svårt att uppfylla alla användares behov genom enbart en applikation. Den valda utvecklingsplattformen genom QGIS och OpenGL har fördelen att den underlättar arbetet med geografiska data och har god prestanda. Nackdelar är bland annat att plattformen försvårar spridning och användning av applikationen. Med framtida framsteg av stöd för utveckling av 3D-grafik på webben som WebGL, kan förutses att en webbapplikation blir bättre lämpad för att nå bredare användargrupper.

• author: Krave, Niklas
• supervisor: Lars Harrie
• organization: Surveying (M.Sc.Eng.); Dept of Physical Geography and Ecosystem Science
• alternative title: The development of an application for visualization of solar radiation data
• course: EXTM05 20141
• year: 2015
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Earth and Environmental Sciences; Technology and Engineering
• keywords: voxlar, 3D, solinstrålning, insticksprogram, geografiska informationssystem, QGIS
• publication/series: Examensarbete i geografisk informationsteknik
• report number: 14
• language: Swedish
• id: 5147703
• date added to LUP: 2015-03-03 13:38:18
• date last changed: 2015-06-23 10:03:21