一種城市居住區熱島效應的測量裝置及其方法
【專利摘要】本發明提供了一種城市居住區熱島效應的測量裝置及其方法。裝置包括氣象數據采集裝置、紅外圖像采集裝置和接收設備，氣象數據采集裝置和紅外圖像采集裝置安裝在建筑物的頂部，紅外圖像采集裝置的采集范圍覆蓋居住區下墊面；紅外圖像采集裝置包括紅外熱成像儀和第一傳輸模塊；氣象數據采集裝置包括多個采集單元，每個采集單元中設有風速傳感器、濕度傳感器、太陽輻射傳感器和第二傳輸模塊；紅外圖像采集裝置和氣象數據采集裝置分別通過第一傳輸模塊和第二傳輸模塊將圖像和數據傳輸至接收設備。本發明針對居住區熱島效應的測量特點，從間接對影響住區熱島強度因子的評價方法轉變為直接測量，使得成本更低、操作更簡易、測量精度更高。
【專利說明】
一種城市居住區熱島效應的測量裝置及其方法
技術領域
[0001]本發明涉及一種城市居住區熱島效應的測量裝置及其方法。
【背景技術】
[0002]自20世紀70年代能源危機，世界發達國家已經開始重視這一問題，并相繼出臺一系列的制度和政策以推廣綠色建筑。我國先后發布兩部《綠色建筑評價標準》，首部于2006年開始實施，新的評價標準于2015年實施，同時廢止原標準。而在綠色建筑評價體系中，熱島強度作為城市居住區熱環境評價的一項指標。
[0003]新的評價標準是通過評價采取的改善室外熱環境措施從而間接判斷住區熱島效應，判斷依據包括兩方面:(I)紅線范圍內戶外活動場地有喬木、構筑物等遮陰措施的面積比例；(2)道路路面、建筑屋面的太陽輻射反射系數。然而影響住區熱島效應的因素不止遮陰措施及建筑材料的太陽輻射反射系數，因此，該評價方法并不能直觀的反應居住區熱島效應。
[0004]目前測量熱島效應的方法主要有兩種:(I)實地觀測法，通過在近地面對實際研究對象進行觀測，由測點獲得直接的局地氣候數據；(2)遙感觀測法，基于傳感器及其搭載平臺，無需接觸被測物體，得到其熱屬性。
[0005]實地觀測法有固定觀測和流動觀測兩種，均可直接測量出空氣溫度，但是，其缺點是:需要較多人員24小時現場操作，且受布點密度和流動路線數量的制約，影響測量精度及測量數據同步性。
[0006]遙感觀測法測量的是地表溫度，由于空氣溫度不能直接被太陽輻射而升高，而是首先通過太陽輻射加熱地表，然后經大氣湍流和地表非大氣窗口的熱紅外輻射間接加熱。目前采用遙感觀測法的搭載平臺比較多的有空中平臺和太空平臺，包括飛機、低空無人駕駛飛行器、氣球、人造衛星等。此類方法更適合研究城市或更大范圍的熱島效應，而對于居住區熱島效應的研究，采用這兩種搭載平臺的缺點是:成本高、精度差、操作復雜。因此，迫切需要專門針對居住區熱島效應的測量方法進行相關研究。
【發明內容】
[0007]針對目前對城市居住區熱島效應測量方法的不足，以及居住區熱島效應的測量特點，即測量范圍相對較小、測量結果要求精度較高，本發明提供一種城市居住區熱島效應的測量裝置，比現有裝置成本更低、操作更簡易、測量精度更高。本發明的另外一個目的是提供該裝置的測量方法。
[0008]本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:
[0009]—種城市居住區熱島效應的測量裝置，包括氣象數據采集裝置、紅外圖像采集裝置和接收設備，氣象數據采集裝置和紅外圖像采集裝置安裝在建筑物的頂部，其中，紅外圖像采集裝置的采集范圍覆蓋居住區下墊面;所述紅外圖像采集裝置包括紅外熱成像儀和第一傳輸模塊;所述氣象數據采集裝置包括多個采集單元，每個采集單元中設有風速傳感器、濕度傳感器、太陽輻射傳感器和第二傳輸模塊;所述紅外圖像采集裝置和氣象數據采集裝置分別通過第一傳輸模塊和第二傳輸模塊將圖像和數據傳輸至接收設備。
[0010]測量裝置還包括支撐架，所述紅外圖像采集裝置安置在支撐架上。
[0011]優選地，所述支撐架為三腳架。
[0012]進一步地，所述紅外成像儀中嵌有定時控制模塊。所述定時控制模塊帶有用于設定照相機定時拍照時長的開關。
[0013]所述第一傳輸模塊通過TCP或HTTP協議將紅外圖像采集裝置采集的圖像傳輸至接收設備。
[0014]所述第二傳輸模塊為DTU通訊模塊。
[0015]本發明上述測量裝置的測量方法，包括以下步驟:
[0016](I)所述紅外圖像采集裝置實時采集城市居住區的紅外圖像，所述氣象數據采集裝置實時采集居住區氣象數據，圖像和數據分別通過第一傳輸模塊和第二傳輸模塊實時傳輸至接收設備；
[0017](2)接收設備將接收到的紅外圖像，拼接成整個居住區完整圖像，并計算居住區下墊面平均溫度Ts;
[0018](3)結合接收到的居住區氣象數據以及郊區溫度Tc，評價居住區熱島效應:選取夏季無云晴天的條件下，且風速〈4.5m/s的數據為有效數據，居住區下墊面平均溫度Ts與近地面空氣溫度Ta之間滿足線性關系:Ts = a+bTa，其中a = 153.45-147.23ε，b = 0.55+0.45ε，地表比輻射率￡采用面積加權平均算法得到；居住區熱島強度即為居住區近地面空氣溫度Ta和郊區溫度Tc的差值:H=Ta-Tc，根據H值的大小來評價居住區熱島效應。
[0019]本發明具有以下有益效果:
[0020]1、本發明針對綠色建筑評價標準中對于居住區熱島強度的評價，從間接對影響住區熱島強度因子的評價方法轉變為直接測量。對于綠色建筑運營標識的評價，即對已建成并投入使用一年以上的建筑，可以采用該直接測量的方法，其結果更為直接、準確，為綠色建筑評價提供更有力的依據。
[0021]2、相比較其他熱島效應測量裝置，如空中遙感平臺及太空遙感平臺，本發明通過在建筑物頂部搭載平臺，減少了測量成本，操作更簡易，測量精度更高。
[0022]3、本發明實現了對氣象數據及紅外圖像的遠程采集、傳輸、接收，可以做到每日24小時數據采集，現場無需人員日夜值守，省時省力;彌補了現有技術中由于數據采集不足帶來精度不夠的缺點。
【附圖說明】
[0023]圖1是本發明城市居住區熱島效應測量方法流程圖；
[0024]圖2是本發明紅外圖像采集裝置的位置示意圖；
[0025]圖3是本發明氣象數據采集裝置和接收設備的數據傳輸圖；
[0026]圖4是本發明紅外圖像采集裝置和接收設備的數據傳輸圖；
[0027]圖5是本發明紅外圖像分析處理流程圖；
[0028]圖6是本發明居住區平均溫度計算方法示意圖。
[0029]其中:1、氣象數據采集站，2、風速傳感器，3、濕度傳感器，4、太陽輻射傳感器，5、傳輸設備，6、紅外熱成像儀，7、定時控制模塊，8，圖像傳輸軟件，9、接收設備。
【具體實施方式】
[0030]下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
[0031]如圖1所示，本發明城市居住區熱島效應的測量方法思路如下:利用城市居住區數據采集裝置采集數據和圖像，然后進行實時傳輸，經數據分析處理裝置計算城市居住區下墊面平均溫度，結合其他一些氣象參數評價城市居住區熱島效應。
[0032]搭載遙感器的工具，即遙感平臺，按照平臺距離地面的高度，分為三類:地面平臺、空中平臺和太空平臺。本發明所采用的為地面平臺，即在建筑物頂部搭載平臺，放置城市居住區數據采集裝置。本實施例中，數據采集裝置包括紅外圖像采集裝置和氣象數據采集裝置，紅外圖像采集裝置對城市居住區下墊面進行拍攝，攝取地物細節影像，如圖2所示。通過分析居住區整體布局，選取搭載平臺的位置，使所選取搭載平臺的個數和位置能夠保證覆蓋居住區所有下墊面。本實施例居住區共有6棟住宅樓，搭載平臺的個數和位置如圖6所示，分別設置在6棟住宅樓的頂端。
[0033]氣象數據采集裝置如圖3所示，包括多個采集單元I，每個采集單元I包括風速傳感器2、濕度傳感器3、太陽福射傳感器4和傳輸模塊，本實施例中，傳輸模塊為DTU通訊模塊，經由中國移動網絡平臺將氣象參數傳輸至接收設備9。
[0034]紅外圖像采集裝置如圖4所示，包括傳輸模塊5、紅外熱成像儀6、定時控制模塊7，采集裝置安裝在三腳架上。定時控制模塊7嵌入在紅外熱成像儀6中，傳輸模塊5中帶有圖像傳輸軟件8。根據居住區平面圖，選取紅外圖像拍攝點(拍攝示意圖見圖1)，設定定時控制模塊7的定時拍攝時長，間隔一定時長拍攝一次圖像;定時控制模塊7設有用于設定照相機定時拍照時長的開關。本實施例中，傳輸模塊5將紅外圖像，通過TCP或HTTP協議，經由遠程信息處理網絡訪問傳輸至接收設備9。
[0035]接收設備9根據住區平面圖，通過紅外圖像處理軟件(FLIRBuildIR紅外圖像分析軟件)，將接收到的紅外圖像進行幾何拼接處理，獲得居住區整體紅外圖像。
[0036]圖像的拼接流程如圖5所示，具體過程如下:
[0037]步驟I，圖像預處理:對圖像精度不匹配的遙感影像進行糾正，以便下一步能夠找到匹配點；
[0038]步驟2，圖像匹配:完成圖像空間上的對齊，將不同紅外圖像采集裝置拍攝的多幅圖像進行匹配和對齊，在遙感圖像重疊區域找到特征點，計算特征點在參考圖像中的相應坐標點的位置，根據對應關系計算出對應矩陣，從而使圖像間相互重疊區域對準，將遙感圖像的坐標系轉換成與參考圖像的坐標系一致；
[0039]步驟3，圖像合成:對拼接過程進行平滑過渡處理，完成灰度上的融合，最終輸出大范圍影像。
[0040]將獲得的居住區整體紅外圖像導入圖像處理軟件，計算出住區下墊面平均溫度，計算方法如圖6所示，每張圖片的面積分別為S1-S8，平均溫度為t1-ts，那么下墊面的面積加權平均溫度TS = ( Sl*tl+S2*t2+S3*t3+S4*t4+S5*t5+S6*t6+S7*t7+S8*t8)/S，其中 S = S1+S2+S3+S4+S5+S6+S7+S8，即居住區總面積。
[0041]根據外部氣象站同步記錄的城市郊區氣溫，結合氣象數據采集裝置采集的風速、相對濕度、太陽輻射強度，評價居住區熱島效應。
[0042]在測量過程中，選取夏季無云晴天的條件下，且風速〈4.5m/s的數據為有效數據，居住區下墊面平均溫度Ts與近地面空氣溫度Ta之間具有很好的數值對應關系，根據觀測資料，擬合計算表明兩者滿足線性關系:Ts = a+bTa。式中截距a和斜率b為回歸系數，不同季節回歸系數不同，在夏季，a= 153.45-147.23ε，b = 0.55+0.45ε。其中，地表比輻射率ε采用面積加權平均算法可得。居住區熱島強度為居住區近地面空氣溫度Ta和郊區溫度Tc的差值公式:H=Ta-Tc，根據綠色建筑評價標準，若H〈1.5 °C，則綠色建筑評價可得分4分。
[0043]目前對居住區熱島效應評價的方法是對影響熱島效應的部分因素:遮陰措施及建筑材料的太陽輻射反射系數評價，但是實際影響熱島效應的原因不止于此，如:1，耗能裝置的使用及周邊道路機動車熱量排放;2，不同材料下墊面的熱容量、導熱率、保水性能不同；3，風速;4，空氣污染物含量等。本發明利用測量裝置采集數據，經圖像、數據處理，最終得到居住區下墊面平均溫度，參考風速、相對濕度及太陽輻射強度的觀測結果，以及城市郊區氣溫，從而能較為準確的評價居住區熱島效應。
【主權項】
1.一種城市居住區熱島效應的測量裝置，其特征在于，包括氣象數據采集裝置、紅外圖像采集裝置和接收設備，氣象數據采集裝置和紅外圖像采集裝置安裝在建筑物的頂部，其中，紅外圖像采集裝置的采集范圍覆蓋居住區下墊面;所述紅外圖像采集裝置包括紅外熱成像儀和第一傳輸模塊;所述氣象數據采集裝置包括多個采集單元，每個采集單元中設有風速傳感器、濕度傳感器、太陽輻射傳感器和第二傳輸模塊;所述紅外圖像采集裝置和氣象數據采集裝置分別通過第一傳輸模塊和第二傳輸模塊將圖像和數據傳輸至接收設備。2.根據權利要求1所述的一種城市居住區熱島效應的測量裝置，其特征在于，測量裝置還包括支撐架，所述紅外圖像采集裝置安置在支撐架上。3.根據權利要求2所述的一種城市居住區熱島效應的測量裝置，其特征在于，所述支撐架為三腳架。4.根據權利要求1所述的一種城市居住區熱島效應的測量裝置，其特征在于，所述紅外成像儀中嵌有定時控制模塊。5.根據權利要求4所述的一種城市居住區熱島效應的測量裝置，其特征在于，所述定時控制模塊帶有用于設定照相機定時拍照時長的開關。6.根據權利要求1至5之一所述的一種城市居住區熱島效應的測量裝置，其特征在于，所述第一傳輸模塊通過TCP或HTTP協議將紅外圖像采集裝置采集的圖像傳輸至接收設備。7.根據權利要求1至5之一所述的一種城市居住區熱島效應的測量裝置，其特征在于，所述第二傳輸模塊為DTU通訊模塊。8.利用如權利要求1所述一種城市居住區熱島效應的測量裝置的測量方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)所述紅外圖像采集裝置實時采集城市居住區的紅外圖像，所述氣象數據采集裝置實時采集居住區氣象數據，圖像和數據分別通過第一傳輸模塊和第二傳輸模塊實時傳輸至接收設備； (2)接收設備將接收到的紅外圖像，拼接成整個居住區完整圖像，并計算居住區下墊面平均溫度Ts; (3)結合接收到的居住區氣象數據以及郊區溫度Tc，評價居住區熱島效應:選取夏季無云晴天的條件下，且風速〈4.5m/s的數據為有效數據，居住區下墊面平均溫度Ts與近地面空氣溫度Ta之間滿足線性關系:Ts = a+bTa，其中a= 153.45-147.23ε，b = 0.55+0.45ε，地表比輻射率￡采用面積加權平均算法得到；居住區熱島強度即為居住區近地面空氣溫度Ta和郊區溫度Tc的差值:H=Ta-Tc，根據H值的大小來評價居住區熱島效應。9.根據權利要求8所述的測量方法，其特征在于，所述步驟(2)中，拼接的過程具體如下: 步驟I，圖像預處理:對圖像精度不匹配的遙感影像進行糾正，以便下一步能夠找到匹配點； 步驟2，圖像匹配:完成圖像空間上的對齊，將不同紅外圖像采集裝置拍攝的多幅圖像進行匹配和對齊，在遙感圖像重疊區域找到特征點，計算特征點在參考圖像中的相應坐標點的位置，根據對應關系計算出對應矩陣，從而使圖像間相互重疊區域對準，將遙感圖像的坐標系轉換成與參考圖像的坐標系一致； 步驟3，圖像合成:對拼接過程進行平滑過渡處理，完成灰度上的融合，最終輸出大范圍影像。10.根據權利要求8或9所述的測量方法，其特征在于，所述步驟(2)中，采用面積加權方法計算居住區下墊面平均溫度Ts，加權平均的公式如下: Ts= (Si X tl+S2 X ?2+......+SnX tn)/S 其中，S為整個居住區完整圖像的總面積，ShS2……Sn分別為不同紅外圖像采集裝置拍攝的多幅圖像的面積……^分別為多幅圖像的平均溫度。
【文檔編號】G01W1/02GK105842755SQ201610316407
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年5月12日
【發明人】許錦峰, 李婧, 陳浩, 吳志敏, 蔡旻, 楊恒亮, 袁浩, 夏玲, 王興健, 趙凱
【申請人】江蘇建科節能技術有限公司