CN105842755A - 一种城市居住区热岛效应的测量装置及其方法 - Google Patents

一种城市居住区热岛效应的测量装置及其方法 Download PDF

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许锦峰
李婧
陈浩
吴志敏
蔡旻
杨恒亮
袁浩
夏玲
王兴健
赵凯
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Abstract

本发明提供了一种城市居住区热岛效应的测量装置及其方法。装置包括气象数据采集装置、红外图像采集装置和接收设备，气象数据采集装置和红外图像采集装置安装在建筑物的顶部，红外图像采集装置的采集范围覆盖居住区下垫面；红外图像采集装置包括红外热成像仪和第一传输模块；气象数据采集装置包括多个采集单元，每个采集单元中设有风速传感器、湿度传感器、太阳辐射传感器和第二传输模块；红外图像采集装置和气象数据采集装置分别通过第一传输模块和第二传输模块将图像和数据传输至接收设备。本发明针对居住区热岛效应的测量特点，从间接对影响住区热岛强度因子的评价方法转变为直接测量，使得成本更低、操作更简易、测量精度更高。

Description

一种城市居住区热岛效应的测量装置及其方法
技术领域
本发明涉及一种城市居住区热岛效应的测量装置及其方法。
背景技术
自20世纪70年代能源危机，世界发达国家已经开始重视这一问题，并相继出台一系列的制度和政策以推广绿色建筑。我国先后发布两部《绿色建筑评价标准》，首部于2006年开始实施，新的评价标准于2015年实施，同时废止原标准。而在绿色建筑评价体系中，热岛强度作为城市居住区热环境评价的一项指标。
新的评价标准是通过评价采取的改善室外热环境措施从而间接判断住区热岛效应，判断依据包括两方面：(1)红线范围内户外活动场地有乔木、构筑物等遮阴措施的面积比例；(2)道路路面、建筑屋面的太阳辐射反射系数。然而影响住区热岛效应的因素不止遮阴措施及建筑材料的太阳辐射反射系数，因此，该评价方法并不能直观的反应居住区热岛效应。
目前测量热岛效应的方法主要有两种：(1)实地观测法，通过在近地面对实际研究对象进行观测，由测点获得直接的局地气候数据；(2)遥感观测法，基于传感器及其搭载平台，无需接触被测物体，得到其热属性。
实地观测法有固定观测和流动观测两种，均可直接测量出空气温度，但是，其缺点是：需要较多人员24小时现场操作，且受布点密度和流动路线数量的制约，影响测量精度及测量数据同步性。
遥感观测法测量的是地表温度，由于空气温度不能直接被太阳辐射而升高，而是首先通过太阳辐射加热地表，然后经大气湍流和地表非大气窗口的热红外辐射间接加热。目前采用遥感观测法的搭载平台比较多的有空中平台和太空平台，包括飞机、低空无人驾驶飞行器、气球、人造卫星等。此类方法更适合研究城市或更大范围的热岛效应，而对于居住区热岛效应的研究，采用这两种搭载平台的缺点是：成本高、精度差、操作复杂。因此，迫切需要专门针对居住区热岛效应的测量方法进行相关研究。
发明内容
针对目前对城市居住区热岛效应测量方法的不足，以及居住区热岛效应的测量特点，即测量范围相对较小、测量结果要求精度较高，本发明提供一种城市居住区热岛效应的测量装置，比现有装置成本更低、操作更简易、测量精度更高。本发明的另外一个目的是提供该装置的测量方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种城市居住区热岛效应的测量装置，包括气象数据采集装置、红外图像采集装置和接收设备，气象数据采集装置和红外图像采集装置安装在建筑物的顶部，其中，红外图像采集装置的采集范围覆盖居住区下垫面；所述红外图像采集装置包括红外热成像仪和第一传输模块；所述气象数据采集装置包括多个采集单元，每个采集单元中设有风速传感器、湿度传感器、太阳辐射传感器和第二传输模块；所述红外图像采集装置和气象数据采集装置分别通过第一传输模块和第二传输模块将图像和数据传输至接收设备。
测量装置还包括支撑架，所述红外图像采集装置安置在支撑架上。
优选地，所述支撑架为三脚架。
进一步地，所述红外成像仪中嵌有定时控制模块。所述定时控制模块带有用于设定照相机定时拍照时长的开关。
所述第一传输模块通过TCP或HTTP协议将红外图像采集装置采集的图像传输至接收设备。
所述第二传输模块为DTU通讯模块。
本发明上述测量装置的测量方法，包括以下步骤：
(1)所述红外图像采集装置实时采集城市居住区的红外图像，所述气象数据采集装置实时采集居住区气象数据，图像和数据分别通过第一传输模块和第二传输模块实时传输至接收设备；
(2)接收设备将接收到的红外图像，拼接成整个居住区完整图像，并计算居住区下垫面平均温度Ts；
(3)结合接收到的居住区气象数据以及郊区温度Tc，评价居住区热岛效应：选取夏季无云晴天的条件下，且风速<4.5m/s的数据为有效数据，居住区下垫面平均温度Ts与近地面空气温度Ta之间满足线性关系：Ts＝a+bTa，其中a＝153.45-147.23ε，b＝0.55+0.45ε，地表比辐射率ε采用面积加权平均算法得到；居住区热岛强度即为居住区近地面空气温度Ta和郊区温度Tc的差值：H＝Ta-Tc，根据H值的大小来评价居住区热岛效应。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明针对绿色建筑评价标准中对于居住区热岛强度的评价，从间接对影响住区热岛强度因子的评价方法转变为直接测量。对于绿色建筑运营标识的评价，即对已建成并投入使用一年以上的建筑，可以采用该直接测量的方法，其结果更为直接、准确，为绿色建筑评价提供更有力的依据。
2、相比较其他热岛效应测量装置，如空中遥感平台及太空遥感平台，本发明通过在建筑物顶部搭载平台，减少了测量成本，操作更简易，测量精度更高。
3、本发明实现了对气象数据及红外图像的远程采集、传输、接收，可以做到每日24小时数据采集，现场无需人员日夜值守，省时省力；弥补了现有技术中由于数据采集不足带来精度不够的缺点。
附图说明
图1是本发明城市居住区热岛效应测量方法流程图；
图2是本发明红外图像采集装置的位置示意图；
图3是本发明气象数据采集装置和接收设备的数据传输图；
图4是本发明红外图像采集装置和接收设备的数据传输图；
图5是本发明红外图像分析处理流程图；
图6是本发明居住区平均温度计算方法示意图。
其中：1、气象数据采集站，2、风速传感器，3、湿度传感器，4、太阳辐射传感器，5、传输设备，6、红外热成像仪，7、定时控制模块，8，图像传输软件，9、接收设备。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1所示，本发明城市居住区热岛效应的测量方法思路如下：利用城市居住区数据采集装置采集数据和图像，然后进行实时传输，经数据分析处理装置计算城市居住区下垫面平均温度，结合其他一些气象参数评价城市居住区热岛效应。
搭载遥感器的工具，即遥感平台，按照平台距离地面的高度，分为三类：地面平台、空中平台和太空平台。本发明所采用的为地面平台，即在建筑物顶部搭载平台，放置城市居住区数据采集装置。本实施例中，数据采集装置包括红外图像采集装置和气象数据采集装置，红外图像采集装置对城市居住区下垫面进行拍摄，摄取地物细节影像，如图2所示。通过分析居住区整体布局，选取搭载平台的位置，使所选取搭载平台的个数和位置能够保证覆盖居住区所有下垫面。本实施例居住区共有6栋住宅楼，搭载平台的个数和位置如图6所示，分别设置在6栋住宅楼的顶端。
气象数据采集装置如图3所示，包括多个采集单元1，每个采集单元1包括风速传感器2、湿度传感器3、太阳辐射传感器4和传输模块，本实施例中，传输模块为DTU通讯模块，经由中国移动网络平台将气象参数传输至接收设备9。
红外图像采集装置如图4所示，包括传输模块5、红外热成像仪6、定时控制模块7，采集装置安装在三脚架上。定时控制模块7嵌入在红外热成像仪6中，传输模块5中带有图像传输软件8。根据居住区平面图，选取红外图像拍摄点(拍摄示意图见图1)，设定定时控制模块7的定时拍摄时长，间隔一定时长拍摄一次图像；定时控制模块7设有用于设定照相机定时拍照时长的开关。本实施例中，传输模块5将红外图像，通过TCP或HTTP协议，经由远程信息处理网络访问传输至接收设备9。
接收设备9根据住区平面图，通过红外图像处理软件(FLIR BuildIR红外图像分析软件)，将接收到的红外图像进行几何拼接处理，获得居住区整体红外图像。
图像的拼接流程如图5所示，具体过程如下：
步骤1，图像预处理：对图像精度不匹配的遥感影像进行纠正，以便下一步能够找到匹配点；
步骤2，图像匹配：完成图像空间上的对齐，将不同红外图像采集装置拍摄的多幅图像进行匹配和对齐，在遥感图像重叠区域找到特征点，计算特征点在参考图像中的相应坐标点的位置，根据对应关系计算出对应矩阵，从而使图像间相互重叠区域对准，将遥感图像的坐标系转换成与参考图像的坐标系一致；
步骤3，图像合成：对拼接过程进行平滑过渡处理，完成灰度上的融合，最终输出大范围影像。
将获得的居住区整体红外图像导入图像处理软件，计算出住区下垫面平均温度，计算方法如图6所示，每张图片的面积分别为s1-s8，平均温度为t1-t8，那么下垫面的面积加权平均温度Ts＝(s1*t1+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，即居住区总面积。
根据外部气象站同步记录的城市郊区气温，结合气象数据采集装置采集的风速、相对湿度、太阳辐射强度，评价居住区热岛效应。
在测量过程中，选取夏季无云晴天的条件下，且风速<4.5m/s的数据为有效数据，居住区下垫面平均温度Ts与近地面空气温度Ta之间具有很好的数值对应关系，根据观测资料，拟合计算表明两者满足线性关系：Ts＝a+bTa。式中截距a和斜率b为回归系数，不同季节回归系数不同，在夏季，a＝153.45-147.23ε，b＝0.55+0.45ε。其中，地表比辐射率ε采用面积加权平均算法可得。居住区热岛强度为居住区近地面空气温度Ta和郊区温度Tc的差值公式：H＝Ta-Tc，根据绿色建筑评价标准，若H<1.5℃，则绿色建筑评价可得分4分。
目前对居住区热岛效应评价的方法是对影响热岛效应的部分因素：遮阴措施及建筑材料的太阳辐射反射系数评价，但是实际影响热岛效应的原因不止于此，如：1，耗能装置的使用及周边道路机动车热量排放；2，不同材料下垫面的热容量、导热率、保水性能不同；3，风速；4，空气污染物含量等。本发明利用测量装置采集数据，经图像、数据处理，最终得到居住区下垫面平均温度，参考风速、相对湿度及太阳辐射强度的观测结果，以及城市郊区气温，从而能较为准确的评价居住区热岛效应。

Claims (10)

1.一种城市居住区热岛效应的测量装置，其特征在于，包括气象数据采集装置、红外图像采集装置和接收设备，气象数据采集装置和红外图像采集装置安装在建筑物的顶部，其中，红外图像采集装置的采集范围覆盖居住区下垫面；所述红外图像采集装置包括红外热成像仪和第一传输模块；所述气象数据采集装置包括多个采集单元，每个采集单元中设有风速传感器、湿度传感器、太阳辐射传感器和第二传输模块；所述红外图像采集装置和气象数据采集装置分别通过第一传输模块和第二传输模块将图像和数据传输至接收设备。
2.根据权利要求1所述的一种城市居住区热岛效应的测量装置，其特征在于，测量装置还包括支撑架，所述红外图像采集装置安置在支撑架上。
3.根据权利要求2所述的一种城市居住区热岛效应的测量装置，其特征在于，所述支撑架为三脚架。
4.根据权利要求1所述的一种城市居住区热岛效应的测量装置，其特征在于，所述红外成像仪中嵌有定时控制模块。
5.根据权利要求4所述的一种城市居住区热岛效应的测量装置，其特征在于，所述定时控制模块带有用于设定照相机定时拍照时长的开关。
6.根据权利要求1至5之一所述的一种城市居住区热岛效应的测量装置，其特征在于，所述第一传输模块通过TCP或HTTP协议将红外图像采集装置采集的图像传输至接收设备。
7.根据权利要求1至5之一所述的一种城市居住区热岛效应的测量装置，其特征在于，所述第二传输模块为DTU通讯模块。
8.利用如权利要求1所述一种城市居住区热岛效应的测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)所述红外图像采集装置实时采集城市居住区的红外图像，所述气象数据采集装置实时采集居住区气象数据，图像和数据分别通过第一传输模块和第二传输模块实时传输至接收设备；
(2)接收设备将接收到的红外图像，拼接成整个居住区完整图像，并计算居住区下垫面平均温度Ts；
(3)结合接收到的居住区气象数据以及郊区温度Tc，评价居住区热岛效应：选取夏季无云晴天的条件下，且风速<4.5m/s的数据为有效数据，居住区下垫面平均温度Ts与近地面空气温度Ta之间满足线性关系：Ts＝a+bTa，其中a＝153.45-147.23ε，b＝0.55+0.45ε，地表比辐射率ε采用面积加权平均算法得到；居住区热岛强度即为居住区近地面空气温度Ta和郊区温度Tc的差值：H＝Ta-Tc，根据H值的大小来评价居住区热岛效应。
9.根据权利要求8所述的测量方法，其特征在于，所述步骤(2)中，拼接的过程具体如下：
步骤1，图像预处理：对图像精度不匹配的遥感影像进行纠正，以便下一步能够找到匹配点；
步骤2，图像匹配：完成图像空间上的对齐，将不同红外图像采集装置拍摄的多幅图像进行匹配和对齐，在遥感图像重叠区域找到特征点，计算特征点在参考图像中的相应坐标点的位置，根据对应关系计算出对应矩阵，从而使图像间相互重叠区域对准，将遥感图像的坐标系转换成与参考图像的坐标系一致；
步骤3，图像合成：对拼接过程进行平滑过渡处理，完成灰度上的融合，最终输出大范围影像。
10.根据权利要求8或9所述的测量方法，其特征在于，所述步骤(2)中，采用面积加权方法计算居住区下垫面平均温度Ts，加权平均的公式如下：
Ts＝(S1×t1+S2×t2+……+Sn×tn)/S
其中，S为整个居住区完整图像的总面积，S1、S2……Sn分别为不同红外图像采集装置拍摄的多幅图像的面积，t1、t2……tn分别为多幅图像的平均温度。
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