专利名称：一种城市目标热辐射方向性的检测方法
技术领域：
本发明涉及一种热辐射检测方法，特别涉及城市目标热辐射方向性的检测方法。
背景技术：
城市热环境作为城市环境问题的一个极其重要的方面，是当前城市气候、环境的研究热点问题。自从1818年，Lake Howard在其所著的《伦敦的气候》一书中指出伦敦城市内气温比周围郊区高，人们开始关注城市的热环境。此后，各国学者陆续观测了许多位于中高纬度与低纬度的城市，都存在城市气温比郊区高的现象。过去几十年，城市快速扩张和其他人类活动对城市生态环境和气候变化产生了巨大的影响。以城市热效应为代表的城市热环境变化，已愈来愈引起各国学者和政府的高度重视，如美国航空航天局(NASA)和环保署(EPA)共同发起的Irban Heat Island Pilot Pro ject”计划、加拿大启动的“Cool Toronto ftx)ject”计划，东京、香港等大都市也纷纷开展了有关城市热效应的研究工作。 显然，开展城市热环境研究，掌握城市热环境变化规律和城市地表能量收支，对优化人居环境、合理规划城市发展具有重要的现实意义。自1972年Rao首次利用卫星遥感数据进行城市地表热环境制图以来，许多学者纷纷利用遥感技术开展有关城市热环境的研究工作。借助遥感技术获取地表热辐射参数，研究城市热效应，是热红外遥感研究的主要领域之一。而地表温度作为陆面过程最关键的热辐射参数，长期以来备受关注。然而研究结果表明，不同传感器甚至同一传感器在不同检测条件下，获取地面同一城市目标的表面辐射温度存在差异，即异质性地表热辐射具有方向性。随着热红外遥感影像分辨率的不断提高，地表异质性已成为限制地表温度遥感反演精度提高的关键因素，并引起了学术界的高度重视。城市目标热辐射方向性为城市地表温度反演带来的不确定性，严重制约了城市热环境的定量分析，进而也阻碍了对城市热环境变化规律的研究发展。
发明内容
本发明目的在于提供一种城市目标热辐射方向性的检测方法。本发明目的是通过如下技术方案实现的通过对获取与城市区域目标有关的目标尺寸、空间位置关系、城市区域组分分类和分布等参数，并依据这些参数建立城市目标物理模型；同时，借助Visual Studio 2005 开发平台和OpenGL三维建模语言编程开发城市目标热辐射方向性计算机模型，确定城市区域的方向亮温特性和热辐射空间分布。技术方案用数码相机对建筑物、草地和地面实体进行成像，获取形态结构和组合方式及表面纹理图案；用激光测距仪测量建筑物的长、宽和高度等几何结构数据；用GPS精确定位实体空间位置；将检测记录编号，记录了各类实体的空间相对位置关系；制作按真实建筑大小1 30--50缩小的城市目标物理模型；城市目标物理模型采用常规建筑材料制成，将模型按照一定的间距布局构成城市区域的比例模型；城市目标物理模型长宽高为30 20 ^cm;对城市目标物理模型的各个表面按一定的温度范围进行分组；温度接近的表面划分为同一种组分类型，有一个确定的组分亮度温度值；当组分内绝对温度差小于2度时，能保证组分温度平均偏差不超过1度；为保证各组分内温度差异满足精度要求，当组分内差异大于2度以上时，将该组分划分为两种或更多组分；城市目标热辐射方向性计算机模型检测方向亮温；计算机模型包括面元分解模块、参数设置模块； 面元分解是对导入的城市区域三维场景中的各个实体表面进行等大小分割离散化，面元分解的面积大小可由用户输入，面积越小，分解所需时间越长，模拟计算的时间也越长，但模拟精度最高；参数设置模块是把用户提供的组分温度，赋予场景中各个对应的组分；模拟计算模块根据用户的输入数据，进行模拟运算，完成光照状态、可见状态、组分在视场内的比例和方向亮温的确定。
图1技术路线图2北京师范大学东门小区图3北京市朝阳区国贸商业区图4北京市黄土店图5北京市房山区霍营小区图6城市目标地面调查检测图7城市目标物理模型图8北京师范大学房山综合实验基地检测目标建筑物图9北京师范大学实验基地1号建筑各面的温度图10南墙与东西墙表面温度差异日变化曲线11取平均组分温度对组分温度估计的影响(2008年8月22日12:00)图12面元分解图13太阳位置参数输入框图14传感器和目标参数输入框图15组分温度参数输入框图16模拟计算模块菜单图17模拟光照状态模拟结果图18面元可见状态模拟结果图19物理模型示意20检测场局部空间坐标系统示意21东西方向检测平面示意22组分温度的检测图23城市物理模型方向亮温模拟值与检测值对比图(2008年8月22日)图M不同检测视角方向亮温平均模拟误差分布25不同天顶角方向亮温模拟绝对误差沈不同方位角方向亮温模拟绝对误差图
图27随机视角方向亮温对比观方向亮温模拟值随天顶角变化图(以天顶角45°，方位角135°为基准检测方向)图四方向亮温模拟值随方位角变化图(以天顶角45°，方位角135°为基准检测方向)图30方向亮温模拟值随面元大小变化图(以天顶角45°，方位角135°为基准检测方向)
具体实施例方式实施例1 真实城市地表的热辐射方向性计算机模拟城市典型小区调查为寻求更符合城市真实情况的城市目标简化方案，2007年12月四日至2008年1 月1日、2008年12月M日两个时期，在北京市区内展开了城市建筑物布局的地面调查。调查区域类型依建筑物的高度和空间分布情况分为四种1)城市CBD区域，选择朝阳区的国贸商业区作为北京城市CBD区域的代表区域。该区域的建筑多属于高层建筑，建筑外形多为规则几何体，且分布较为集中；2)旧居民区，选择位于北京师范大学东门附近的居民区作为城市旧居民区的代表区域。该区域的建筑多以民用住房，以六、七层高建筑居多，但在空间分布上较不规则；幻城市低矮建筑群，以北京市东北郊的黄土店区域为代表。这个区域的建筑主要是一至两层的底层居民房，房屋排列密集，房屋之间多以狭长的胡同间隔；4) 新居民区，选择北京市北郊的房山区霍营区域，这个区域的居民建筑多是新建不久，建筑物尺寸大小相似，分布规则，排列紧凑，呈现极强的城市建筑整体规划效果。图2-图5为四个区域航空图片(为Google Earth软件截图)。图2-图5城市目标调查研究区航空影像(来自Google Earth软件截图)城市目标地面调查方案通过实地检测，考察城市地表主要实体，确定其形态结构的简化方式及参数化方案。主要记录城市地表中建筑物、地表、草地三类实体的几何尺寸、材质、结构及主要实体之间的组合方式和分布特征。为下一步城市热辐射方向性计算机模型和物理模型的构建提供合理的参数依据。拟选取建筑布局规则、结构单一的居民区进行实地检测，考察城市中建筑物、地表、草地三类主要实体，确定其形态结构的简化方式及参数，完成城市地表主要实体的简化方案。检测方案见表1。表1城市地面主要实体的实地检测方法与内容
检测内容建筑物草地地面结构和分布特征利用数码相机拍摄利用数码相机拍摄利用数码相机拍摄尺寸利用激光测距仪实地测量利用激光测距仪实地测量—材质记录—记录空间位置GPS定位——目标四至记录记录记录
检测方案1)数码相机对建筑物、草地和地面实体进行成像，获取形态结构和组合方式及表面纹理图案；2)激光测距仪测量建筑物的长、宽和高度等几何结构数据；3)GPS:精确定位实体空间位置。检测记录编号规范1)小区编号DXX(如D03代表第三小区)；2)建筑物编号BXXX(如B007代表某小区内第7座建筑物)3)相片编号取相机实拍时编号；4)草地编号GXXX(如GOll代表某小区内第11块草地)；5)地块编号主要是指大块的水泥、浙青或砖铺设的地块表面。城市目标地面调查数据分析通过对城市典型区域的地面目标实际调查，获得了大量城市建筑物、街道、绿化带的几何尺寸和结构数据，同时记录了各类实体的空间相对位置关系，为城市地面目标建模提供合理依据。表2所示为北京师范大学东门居民区建筑物尺寸调查数据记录表。表2北京师范大学东门居民区建筑物尺寸调查数据记录表
权利要求
1.一种城市目标热辐射方向性的检测方法，其特征在于该方法为通过对获取与城市区域目标有关的目标尺寸、空间位置关系、城市区域组分分类和分布等参数，并依据这些参数建立城市目标物理模型；同时，借助Visual Studio 2005开发平台和OpenGL三维建模语言编程开发城市目标热辐射方向性计算机模型，确定城市区域的方向亮温特性和热辐射空间分布。
2.如权利要求1所述的一种城市目标热辐射方向性的检测方法，其特征在于该方法为用数码相机对建筑物、草地和地面实体进行成像，获取形态结构和组合方式及表面纹理图案；用激光测距仪测量建筑物的长、宽和高度等几何结构数据；用GPS精确定位实体空间位置；将检测记录编号，记录了各类实体的空间相对位置关系；制作按真实建筑大小 1 30-50缩小的城市目标物理模型；对城市目标物理模型的各个表面按一定的温度范围进行分组，温度接近的表面划分为同一种组分类型，有一个确定的组分亮度温度值，各组分内温度差异满足精度要求，当组分内差异大于2度以上时，将该组分划分为两种或更多组分；计算机模型检测并确定方向亮温。
3.如权利要求2所述的一种城市目标热辐射方向性的检测方法，其特征在于该方法中城市目标物理模型采用常规建筑材料制成，将模型按照一定的间距布局构成城市区域的比例模型。
4.如权利要求3所述的一种城市目标热辐射方向性的检测方法，其特征在于该方法城市目标物理模型长宽高为30 20 26cm。
5.如权利要求2、3或4所述的一种城市目标热辐射方向性的检测方法，其特征在于该方法中计算机模型包括面元分解模块、参数设置模块、模拟计算模块。
6.如权利要求5所述的一种城市目标热辐射方向性的检测方法，其特征在于该方法中面元分解是对导入的城市区域三维场景中的各个实体表面进行等大小分割离散化，面元分解的面积大小由用户输入，面积越小，分解所需时间越长，模拟计算的时间也越长，但模拟精度最高。
7.如权利要求5所述的一种城市目标热辐射方向性的检测方法，其特征在于该方法中参数设置模块是把用户提供的组分温度，赋予场景中各个对应的组分。
8.如权利要求5所述的一种城市目标热辐射方向性的检测方法，其特征在于该方法中模拟计算模块根据用户的输入数据，进行模拟运算，完成光照状态、可见状态、组分在视场内的比例和方向亮温的确定。
全文摘要
本发明公开了一种城市目标热辐射方向性的检测方法，该方法为通过对获取与城市区域目标有关的目标尺寸、空间位置关系、城市区域组分分类和分布等参数，并依据这些参数建立城市目标物理模型；同时，借助Visual Studio 2005开发平台和OpenGL三维建模语言编程开发城市目标热辐射方向性计算机模型，确定城市区域的方向亮温特性和热辐射空间分布。
文档编号G09B29/00GK102235911SQ201010154108
公开日2011年11月9日 申请日期2010年4月20日 优先权日2010年4月20日
发明者占文凤, 周纪, 陈云浩, 马伟 申请人:北京师范大学