專利名稱：一種城市目標熱輻射方向性的檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種熱輻射檢測方法，特別涉及城市目標熱輻射方向性的檢測方法。
背景技術(shù)：
城市熱環(huán)境作為城市環(huán)境問題的一個極其重要的方面，是當前城市氣候、環(huán)境的研究熱點問題。自從1818年，Lake Howard在其所著的《倫敦的氣候》一書中指出倫敦城市內(nèi)氣溫比周圍郊區(qū)高，人們開始關(guān)注城市的熱環(huán)境。此后，各國學者陸續(xù)觀測了許多位于中高緯度與低緯度的城市，都存在城市氣溫比郊區(qū)高的現(xiàn)象。過去幾十年，城市快速擴張和其他人類活動對城市生態(tài)環(huán)境和氣候變化產(chǎn)生了巨大的影響。以城市熱效應(yīng)為代表的城市熱環(huán)境變化，已愈來愈引起各國學者和政府的高度重視，如美國航空航天局(NASA)和環(huán)保署(EPA)共同發(fā)起的Irban Heat Island Pilot Pro ject”計劃、加拿大啟動的“Cool Toronto ftx)ject”計劃，東京、香港等大都市也紛紛開展了有關(guān)城市熱效應(yīng)的研究工作。 顯然，開展城市熱環(huán)境研究，掌握城市熱環(huán)境變化規(guī)律和城市地表能量收支，對優(yōu)化人居環(huán)境、合理規(guī)劃城市發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。自1972年Rao首次利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進行城市地表熱環(huán)境制圖以來，許多學者紛紛利用遙感技術(shù)開展有關(guān)城市熱環(huán)境的研究工作。借助遙感技術(shù)獲取地表熱輻射參數(shù)，研究城市熱效應(yīng)，是熱紅外遙感研究的主要領(lǐng)域之一。而地表溫度作為陸面過程最關(guān)鍵的熱輻射參數(shù)，長期以來備受關(guān)注。然而研究結(jié)果表明，不同傳感器甚至同一傳感器在不同檢測條件下，獲取地面同一城市目標的表面輻射溫度存在差異，即異質(zhì)性地表熱輻射具有方向性。隨著熱紅外遙感影像分辨率的不斷提高，地表異質(zhì)性已成為限制地表溫度遙感反演精度提高的關(guān)鍵因素，并引起了學術(shù)界的高度重視。城市目標熱輻射方向性為城市地表溫度反演帶來的不確定性，嚴重制約了城市熱環(huán)境的定量分析，進而也阻礙了對城市熱環(huán)境變化規(guī)律的研究發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種城市目標熱輻射方向性的檢測方法。本發(fā)明目的是通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)的通過對獲取與城市區(qū)域目標有關(guān)的目標尺寸、空間位置關(guān)系、城市區(qū)域組分分類和分布等參數(shù)，并依據(jù)這些參數(shù)建立城市目標物理模型；同時，借助Visual Studio 2005 開發(fā)平臺和OpenGL三維建模語言編程開發(fā)城市目標熱輻射方向性計算機模型，確定城市區(qū)域的方向亮溫特性和熱輻射空間分布。技術(shù)方案用數(shù)碼相機對建筑物、草地和地面實體進行成像，獲取形態(tài)結(jié)構(gòu)和組合方式及表面紋理圖案；用激光測距儀測量建筑物的長、寬和高度等幾何結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)；用GPS精確定位實體空間位置；將檢測記錄編號，記錄了各類實體的空間相對位置關(guān)系；制作按真實建筑大小1 30--50縮小的城市目標物理模型；城市目標物理模型采用常規(guī)建筑材料制成，將模型按照一定的間距布局構(gòu)成城市區(qū)域的比例模型；城市目標物理模型長寬高為30 20 ^cm;對城市目標物理模型的各個表面按一定的溫度范圍進行分組；溫度接近的表面劃分為同一種組分類型，有一個確定的組分亮度溫度值；當組分內(nèi)絕對溫度差小于2度時，能保證組分溫度平均偏差不超過1度；為保證各組分內(nèi)溫度差異滿足精度要求，當組分內(nèi)差異大于2度以上時，將該組分劃分為兩種或更多組分；城市目標熱輻射方向性計算機模型檢測方向亮溫；計算機模型包括面元分解模塊、參數(shù)設(shè)置模塊； 面元分解是對導入的城市區(qū)域三維場景中的各個實體表面進行等大小分割離散化，面元分解的面積大小可由用戶輸入，面積越小，分解所需時間越長，模擬計算的時間也越長，但模擬精度最高；參數(shù)設(shè)置模塊是把用戶提供的組分溫度，賦予場景中各個對應(yīng)的組分；模擬計算模塊根據(jù)用戶的輸入數(shù)據(jù)，進行模擬運算，完成光照狀態(tài)、可見狀態(tài)、組分在視場內(nèi)的比例和方向亮溫的確定。


圖1技術(shù)路線圖2北京師范大學東門小區(qū)圖3北京市朝陽區(qū)國貿(mào)商業(yè)區(qū)圖4北京市黃土店圖5北京市房山區(qū)霍營小區(qū)圖6城市目標地面調(diào)查檢測圖7城市目標物理模型圖8北京師范大學房山綜合實驗基地檢測目標建筑物圖9北京師范大學實驗基地1號建筑各面的溫度圖10南墻與東西墻表面溫度差異日變化曲線11取平均組分溫度對組分溫度估計的影響(2008年8月22日12:00)圖12面元分解圖13太陽位置參數(shù)輸入框圖14傳感器和目標參數(shù)輸入框圖15組分溫度參數(shù)輸入框圖16模擬計算模塊菜單圖17模擬光照狀態(tài)模擬結(jié)果圖18面元可見狀態(tài)模擬結(jié)果圖19物理模型示意20檢測場局部空間坐標系統(tǒng)示意21東西方向檢測平面示意22組分溫度的檢測圖23城市物理模型方向亮溫模擬值與檢測值對比圖(2008年8月22日)圖M不同檢測視角方向亮溫平均模擬誤差分布25不同天頂角方向亮溫模擬絕對誤差沈不同方位角方向亮溫模擬絕對誤差圖
圖27隨機視角方向亮溫對比觀方向亮溫模擬值隨天頂角變化圖(以天頂角45°，方位角135°為基準檢測方向)圖四方向亮溫模擬值隨方位角變化圖(以天頂角45°，方位角135°為基準檢測方向)圖30方向亮溫模擬值隨面元大小變化圖(以天頂角45°，方位角135°為基準檢測方向)
具體實施例方式實施例1 真實城市地表的熱輻射方向性計算機模擬城市典型小區(qū)調(diào)查為尋求更符合城市真實情況的城市目標簡化方案，2007年12月四日至2008年1 月1日、2008年12月M日兩個時期，在北京市區(qū)內(nèi)展開了城市建筑物布局的地面調(diào)查。調(diào)查區(qū)域類型依建筑物的高度和空間分布情況分為四種1)城市CBD區(qū)域，選擇朝陽區(qū)的國貿(mào)商業(yè)區(qū)作為北京城市CBD區(qū)域的代表區(qū)域。該區(qū)域的建筑多屬于高層建筑，建筑外形多為規(guī)則幾何體，且分布較為集中；2)舊居民區(qū)，選擇位于北京師范大學東門附近的居民區(qū)作為城市舊居民區(qū)的代表區(qū)域。該區(qū)域的建筑多以民用住房，以六、七層高建筑居多，但在空間分布上較不規(guī)則；幻城市低矮建筑群，以北京市東北郊的黃土店區(qū)域為代表。這個區(qū)域的建筑主要是一至兩層的底層居民房，房屋排列密集，房屋之間多以狹長的胡同間隔；4) 新居民區(qū)，選擇北京市北郊的房山區(qū)霍營區(qū)域，這個區(qū)域的居民建筑多是新建不久，建筑物尺寸大小相似，分布規(guī)則，排列緊湊，呈現(xiàn)極強的城市建筑整體規(guī)劃效果。圖2-圖5為四個區(qū)域航空圖片(為Google Earth軟件截圖)。圖2-圖5城市目標調(diào)查研究區(qū)航空影像(來自Google Earth軟件截圖)城市目標地面調(diào)查方案通過實地檢測，考察城市地表主要實體，確定其形態(tài)結(jié)構(gòu)的簡化方式及參數(shù)化方案。主要記錄城市地表中建筑物、地表、草地三類實體的幾何尺寸、材質(zhì)、結(jié)構(gòu)及主要實體之間的組合方式和分布特征。為下一步城市熱輻射方向性計算機模型和物理模型的構(gòu)建提供合理的參數(shù)依據(jù)。擬選取建筑布局規(guī)則、結(jié)構(gòu)單一的居民區(qū)進行實地檢測，考察城市中建筑物、地表、草地三類主要實體，確定其形態(tài)結(jié)構(gòu)的簡化方式及參數(shù)，完成城市地表主要實體的簡化方案。檢測方案見表1。表1城市地面主要實體的實地檢測方法與內(nèi)容
檢測內(nèi)容建筑物草地地面結(jié)構(gòu)和分布特征利用數(shù)碼相機拍攝利用數(shù)碼相機拍攝利用數(shù)碼相機拍攝尺寸利用激光測距儀實地測量利用激光測距儀實地測量—材質(zhì)記錄—記錄空間位置GPS定位——目標四至記錄記錄記錄
檢測方案1)數(shù)碼相機對建筑物、草地和地面實體進行成像，獲取形態(tài)結(jié)構(gòu)和組合方式及表面紋理圖案；2)激光測距儀測量建筑物的長、寬和高度等幾何結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)；3)GPS:精確定位實體空間位置。檢測記錄編號規(guī)范1)小區(qū)編號DXX(如D03代表第三小區(qū))；2)建筑物編號BXXX(如B007代表某小區(qū)內(nèi)第7座建筑物)3)相片編號取相機實拍時編號；4)草地編號GXXX(如GOll代表某小區(qū)內(nèi)第11塊草地)；5)地塊編號主要是指大塊的水泥、浙青或磚鋪設(shè)的地塊表面。城市目標地面調(diào)查數(shù)據(jù)分析通過對城市典型區(qū)域的地面目標實際調(diào)查，獲得了大量城市建筑物、街道、綠化帶的幾何尺寸和結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，同時記錄了各類實體的空間相對位置關(guān)系，為城市地面目標建模提供合理依據(jù)。表2所示為北京師范大學東門居民區(qū)建筑物尺寸調(diào)查數(shù)據(jù)記錄表。表2北京師范大學東門居民區(qū)建筑物尺寸調(diào)查數(shù)據(jù)記錄表
權(quán)利要求
1.一種城市目標熱輻射方向性的檢測方法，其特征在于該方法為通過對獲取與城市區(qū)域目標有關(guān)的目標尺寸、空間位置關(guān)系、城市區(qū)域組分分類和分布等參數(shù)，并依據(jù)這些參數(shù)建立城市目標物理模型；同時，借助Visual Studio 2005開發(fā)平臺和OpenGL三維建模語言編程開發(fā)城市目標熱輻射方向性計算機模型，確定城市區(qū)域的方向亮溫特性和熱輻射空間分布。
2.如權(quán)利要求1所述的一種城市目標熱輻射方向性的檢測方法，其特征在于該方法為用數(shù)碼相機對建筑物、草地和地面實體進行成像，獲取形態(tài)結(jié)構(gòu)和組合方式及表面紋理圖案；用激光測距儀測量建筑物的長、寬和高度等幾何結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)；用GPS精確定位實體空間位置；將檢測記錄編號，記錄了各類實體的空間相對位置關(guān)系；制作按真實建筑大小 1 30-50縮小的城市目標物理模型；對城市目標物理模型的各個表面按一定的溫度范圍進行分組，溫度接近的表面劃分為同一種組分類型，有一個確定的組分亮度溫度值，各組分內(nèi)溫度差異滿足精度要求，當組分內(nèi)差異大于2度以上時，將該組分劃分為兩種或更多組分；計算機模型檢測并確定方向亮溫。
3.如權(quán)利要求2所述的一種城市目標熱輻射方向性的檢測方法，其特征在于該方法中城市目標物理模型采用常規(guī)建筑材料制成，將模型按照一定的間距布局構(gòu)成城市區(qū)域的比例模型。
4.如權(quán)利要求3所述的一種城市目標熱輻射方向性的檢測方法，其特征在于該方法城市目標物理模型長寬高為30 20 26cm。
5.如權(quán)利要求2、3或4所述的一種城市目標熱輻射方向性的檢測方法，其特征在于該方法中計算機模型包括面元分解模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、模擬計算模塊。
6.如權(quán)利要求5所述的一種城市目標熱輻射方向性的檢測方法，其特征在于該方法中面元分解是對導入的城市區(qū)域三維場景中的各個實體表面進行等大小分割離散化，面元分解的面積大小由用戶輸入，面積越小，分解所需時間越長，模擬計算的時間也越長，但模擬精度最高。
7.如權(quán)利要求5所述的一種城市目標熱輻射方向性的檢測方法，其特征在于該方法中參數(shù)設(shè)置模塊是把用戶提供的組分溫度，賦予場景中各個對應(yīng)的組分。
8.如權(quán)利要求5所述的一種城市目標熱輻射方向性的檢測方法，其特征在于該方法中模擬計算模塊根據(jù)用戶的輸入數(shù)據(jù)，進行模擬運算，完成光照狀態(tài)、可見狀態(tài)、組分在視場內(nèi)的比例和方向亮溫的確定。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種城市目標熱輻射方向性的檢測方法，該方法為通過對獲取與城市區(qū)域目標有關(guān)的目標尺寸、空間位置關(guān)系、城市區(qū)域組分分類和分布等參數(shù)，并依據(jù)這些參數(shù)建立城市目標物理模型；同時，借助Visual Studio 2005開發(fā)平臺和OpenGL三維建模語言編程開發(fā)城市目標熱輻射方向性計算機模型，確定城市區(qū)域的方向亮溫特性和熱輻射空間分布。
文檔編號G09B29/00GK102235911SQ201010154108
公開日2011年11月9日 申請日期2010年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月20日
發(fā)明者占文鳳, 周紀, 陳云浩, 馬偉 申請人:北京師范大學