專利名稱：一種對建筑、城市空間進(jìn)行精確測量的粒子圖像測速方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種建筑、城市空間與粒子圖像測速即PIV(Particle ImageVelocimetry)測試、運(yùn)用PIV測試技術(shù)，對建筑、城市空間進(jìn)行精確測量，從而對整個建筑、城市空間進(jìn)行有效的設(shè)計(jì)和分析的粒子圖像測速方法。
背景技術(shù)：
激光測速技術(shù)自1964年問世以來，由于它具有非接觸性測量、不干擾流場、空間分辨率高、動態(tài)響應(yīng)快、測量精度高等諸多優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)越來越廣泛地應(yīng)用于各種測量領(lǐng)域。粒子圖像測速技術(shù)(PIV)是近十幾年發(fā)展起來的一種嶄新的流速測量技術(shù)，它在流動顯示基礎(chǔ)上，由70年代末興起的激光散斑全場測速技術(shù)(Laser SpeckleVelocimetry，簡稱LSV)演變而來，它融計(jì)算機(jī)圖像處理與光學(xué)技術(shù)為一體，突破了空間單點(diǎn)測量技術(shù)的局限性，可在同一時刻記錄下整個測量平面的相關(guān)信息，從而可以獲得流動的瞬時平面速度場、渦量場等。PIV作為一種無擾動、瞬態(tài)、全場速度測量方法，已被廣泛應(yīng)用于液體或氣體的單相流流速場測定。PIV測試技術(shù)目前已經(jīng)成為比較成熟的技術(shù)，正廣泛地應(yīng)用于物理、動力等各個行業(yè)。PIV的前沿研究為兩相流或三相流中的相分離技術(shù)和顆粒粒徑測量技術(shù)，目前主要有熒光標(biāo)記法、亮度分辨法、粒徑分辨法、中值濾波法、雙參數(shù)相分離法和系統(tǒng)相關(guān)法共六種。而粒子粒徑的測試?yán)щy是因?yàn)檠苌鋵α降挠绊懞艽螅瑖鴥?nèi)石油大學(xué)吳飛雪、董守平等基于統(tǒng)計(jì)理論及圖像分析技術(shù)，巧妙地消除了衍射對粒子粒徑測量的影響，成功地給出了1～10μm范圍內(nèi)光斑直徑與粒子直徑的回歸公式，為解決多相流PIV粒徑測量提出了新的思路。PIV的應(yīng)用之一為驗(yàn)證CFD模型的仿真結(jié)果和為CFD模型提供邊界條件。目前PIV前沿的研究和應(yīng)用主要為和CFD相結(jié)合進(jìn)行兩相流或三相流的研究或聯(lián)合起來使用來對一些復(fù)雜形態(tài)的流體進(jìn)行測試。
但至今尚未有PIV用于對建筑、城市空間進(jìn)行精確測量的報(bào)道。傳統(tǒng)的測繪學(xué)科研究如何獲取基礎(chǔ)空間信息，即通過大地測量、攝影測量和地圖制圖的工序，獲取各種類型的地圖和數(shù)據(jù)。根據(jù)最近建設(shè)部對全國部分城市調(diào)查顯示，當(dāng)前我國城市空間數(shù)據(jù)具有如下特點(diǎn)比例尺大，分辨率高；內(nèi)容豐富，信息傳輸效率低；信息老化速度快；數(shù)據(jù)生產(chǎn)與更新的周期長、費(fèi)用高；各城市多使用獨(dú)立的平面參考系統(tǒng)，造成不同城市的數(shù)據(jù)參考基準(zhǔn)不一致；數(shù)據(jù)種類單調(diào)，現(xiàn)勢性差，可用性低；數(shù)據(jù)生產(chǎn)和提供的現(xiàn)狀仍然不能滿足應(yīng)用的需求。
基礎(chǔ)空間信息的生產(chǎn)，是建立數(shù)字城市的前提和制約因素。這是一項(xiàng)投資巨大，技術(shù)要求十分復(fù)雜的工程，不僅成果精度要求高，而且信息的內(nèi)容包含廣泛。傳統(tǒng)的模擬測圖系統(tǒng)和解析測圖系統(tǒng)，已經(jīng)無法滿足綜合性的基礎(chǔ)空間信息生產(chǎn)的要求，數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)，是繼模擬測圖系統(tǒng)和解析測圖系統(tǒng)之后，全新的高度自動化的攝影測量系統(tǒng)。它可以針對不同用戶的多種需求提供相應(yīng)解決方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明需要解決的技術(shù)問題是將圖像測速即PIV(Particle Image Velocimetry)測試技術(shù)運(yùn)用到對建筑、城市空間進(jìn)行精確測量。
本發(fā)明的技術(shù)方案是一種對建筑、城市空間進(jìn)行精確測量的粒子圖像測速方法，其特點(diǎn)是，具體步驟為1.建立一建筑、城市空間的模擬結(jié)構(gòu)，按照比例將其縮小在一固定流場內(nèi)；2.向流場內(nèi)吹入自然風(fēng)，即示蹤粒子；3.通過片光源系統(tǒng)來照亮測量區(qū)域，能夠使示蹤粒子產(chǎn)生散射光，可以使圖像拍攝系統(tǒng)記錄下示蹤粒子的位置；4.通過CCD相機(jī)的圖像拍攝，獲得示蹤粒子兩次曝光間隔內(nèi)的位移。從而得出所有示蹤粒子的平均速度以及示蹤粒子的圖像信息；5.綜合整理在建筑、城市空間模擬結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)中所得出的示蹤粒子的位置、平均速度以及圖像信息，來測試出在模擬的城市空間環(huán)境中，城市風(fēng)向隨著建筑物的影響而發(fā)生改變的情況，得出具體的風(fēng)向數(shù)據(jù)圖。
一種用于實(shí)現(xiàn)對建筑、城市空間進(jìn)行精確測量的粒子圖像測速方法的裝置，其特點(diǎn)是所述的裝置包括片光源系統(tǒng)、圖像拍攝系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)和示蹤粒子1.片光源系統(tǒng)，采用由兩臺脈沖激光器聯(lián)合組成，它用于照亮測量區(qū)域，使測量區(qū)域內(nèi)的示蹤粒子產(chǎn)生散射光，并保證散射光強(qiáng)足以使PIV圖像拍攝系統(tǒng)記錄下示蹤粒子的位置；2.圖像拍攝系統(tǒng)，選用CCD相機(jī)，用于感應(yīng)示蹤粒子產(chǎn)生的散射光，記錄示蹤粒子圖譜的瞬態(tài)數(shù)字信號，采用互相關(guān)模式的圖像拍攝方式，前后兩個時刻拍攝得到的不同示蹤粒子圖像信息被存儲到CCD相機(jī)中的不同幀存儲器中；3.圖像處理系統(tǒng)，采用快速傅利葉變換，對CCD相機(jī)獲取的兩次曝光時刻的示蹤粒子圖像進(jìn)行相關(guān)處理；4.示蹤粒子，以通向流場流場內(nèi)吹入自然風(fēng)。
本發(fā)明的有益效果，激光測速技術(shù)具有非接觸性、不干擾流場、空間分辨率高、動態(tài)響應(yīng)快、測量精度高等諸多優(yōu)點(diǎn)。粒子圖像測速技術(shù)(PIV)作為一種全新的無擾、瞬態(tài)、全場速度測量方法，已被用于液體或氣體的單相流速場測定，是近十幾年發(fā)展的一種嶄新的流速測量技術(shù)，它在流動顯示基礎(chǔ)上，融計(jì)算機(jī)圖像處理與光學(xué)技術(shù)為一體，突破了空間單點(diǎn)測量技術(shù)的局限性，可在同一時刻記錄下整個測量平面的相關(guān)信息，從而可以獲得流動的瞬間平面速度場、渦量場等，本發(fā)明是通過一種建筑、城市空間與粒子圖像測速即PIV(Particle Image Velocimetry)測試，對建筑、城市空間進(jìn)行精確測量，


圖1是建筑、城市空間的三維立體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是建筑、城市空間的平面結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明實(shí)施例中的示蹤粒子的平面圖像信息圖；圖4是本發(fā)明實(shí)施例中的示蹤粒子的立面圖像信息圖；圖5是PIV速度測量示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明涉及一種建筑、城市空間與粒子圖像測速即PIV(Particle ImageVelocimetry)測試、運(yùn)用PIV測試技術(shù)，對建筑、城市空間進(jìn)行精確測量，從而對整個建筑、城市空間進(jìn)行有效的設(shè)計(jì)和分析的粒子圖像測速方法。
根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，建立一建筑、城市空間的模擬結(jié)構(gòu)，在此以同濟(jì)新村居住小區(qū)為實(shí)驗(yàn)對象，按照1∶10的比例將其縮小在一固定的實(shí)驗(yàn)流場內(nèi)；如圖1所示，PIV測試系統(tǒng)裝置依次具有示蹤粒子發(fā)射器1(即鼓風(fēng)機(jī)一臺)、兩臺脈沖激光器2和3、高速CCD攝像機(jī)4、圖像采集卡5、控制及圖像處理計(jì)算機(jī)6。
打開示蹤粒子發(fā)射器1，即鼓風(fēng)機(jī)，向固定的實(shí)驗(yàn)流場內(nèi)吹入示蹤粒子，即自然風(fēng)；通過由兩臺脈沖激光器2和3組成的光源系統(tǒng)來照亮測試區(qū)域，兩激光器交替工作將脈沖間隔大大降低，不僅可以解決滿足從低速到高速全范圍的流動測量需要，而且可以實(shí)現(xiàn)從定常流量到非定常流動的需要。
計(jì)算機(jī)6向高速CCD攝像機(jī)4下達(dá)采集圖像的命令，通過互相關(guān)模式的拍攝方式，拍攝得到前后兩個不同時刻的示蹤粒子的圖像信息，為獲得示蹤粒子在兩次曝光間隔內(nèi)的位移，需要對CCD相機(jī)獲取的兩次曝光時刻的示蹤粒子圖像進(jìn)行相關(guān)處理，目前較常使用的處理技術(shù)是快速傅利葉變換。在PIV圖像處理技術(shù)中，一般將CCD相片劃分成許多方形小區(qū)域，即查詢區(qū)(Interrogation area)，圖像的相關(guān)處理實(shí)際上是在每一塊查詢區(qū)域進(jìn)行的，得到每一塊查詢區(qū)內(nèi)所有示蹤粒子的平均速度。所有查詢區(qū)域的速度組成了整個流動區(qū)域上的速度場。因此，一幅速度矢量圖中速度矢量的數(shù)目取決于CCD相機(jī)中的像素?cái)?shù)目以及所采用的查詢區(qū)域大小。完全獨(dú)立的速度矢量數(shù)目為NorowNint×NocolNint---(1)]]>其中，Norow和Nocol分別為CCD相機(jī)底片上水平方向和豎直方向上像素的總數(shù)目，Nint為方形查詢區(qū)域邊長方向上覆蓋的像素?cái)?shù)目。Nint的選擇受到速度變化范圍和測量空間分辨率的限制。
速度矢量所對應(yīng)的空間分辨率RS＝SNintdpitch(2)速度測量的上限和查詢區(qū)域的大小有關(guān)，而且還同曝光間隔時間Δt和放大系數(shù)S有關(guān)dmax=vmaxΔtS≤0.25Nintdpitch---(3)]]>
vmax≤0.25SNintdpitchΔt---(4)]]>為了平衡空間分辨率和速度測量上限，一般對于自相關(guān)模式，Nint取64個像素，而對于互相關(guān)模式，Nint取32個像素。因此對于分辨率相同的CCD相機(jī)，采取互相關(guān)模式要比自相關(guān)模式能獲得更多的速度矢量，從而可以提高測量流場的空間分辨率。
在實(shí)際處理時，為了充分利用查詢區(qū)域的邊界信息，一般將查詢區(qū)域重疊布置。在本實(shí)驗(yàn)中采用推薦值在行列方向的重疊率都取25％，則速度矢量數(shù)目為Norow(1-25%)Nint×Nocol(1-25%)Nint---(5)]]>在本實(shí)驗(yàn)中，針對CCD相機(jī)拍攝得到的bmp格式的圖像，采用matlab軟件包，根據(jù)互相關(guān)算法，編寫了圖像處理的后處理程序。同時通過圖像采集卡5快速地存儲并實(shí)時地輸送到計(jì)算機(jī)6內(nèi)，并進(jìn)行后繼的圖像處理。
綜合整理在建筑、城市空間模擬結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)中所得出的示蹤粒子的位置、平均速度以及圖像信息，來測試出在模擬的城市空間環(huán)境中，城市風(fēng)向隨著建筑物的影響而發(fā)生改變的情況，得出具體的風(fēng)向數(shù)據(jù)圖。
粒子圖像測速即PIV(Particle Image Velocimetry)原理說明PIV的基本原理是在流場中散布合適的示蹤粒子，用脈沖激光片光源照射所測流場切面區(qū)域，通過成像記錄系統(tǒng)攝取兩次曝光的粒子圖像，形成PIV底片，再用圖像處理技術(shù)處理PIV底片，獲得示蹤粒子圖像的平均位移，由此確定測量區(qū)域內(nèi)的速度場。
PIV的工作原理還可以用速度的定義式u=limΔtx2-x1Δt]]>v=limΔty2-y1Δt---(13)]]>其中，Δt為兩次曝光的時間間隔；x1，x2，y1和y2是Δt時刻前后的粒子坐標(biāo)位置，u，v是粒子速度分量(如圖5所示)。從圖中可以看出，當(dāng)被測粒子的位移足夠小，粒子軌跡接近直線使得測量得到的速度極限值能很好的近似該處的速度，所以只要選擇合適的Δt，使得上面的極限精確到泰勒一階微分程度。
權(quán)利要求
1.一種對建筑、城市空間進(jìn)行精確測量的粒子圖像測速方法，其特征在于，方法的具體步驟為1)建立一建筑、城市空間的模擬結(jié)構(gòu)，按照比例將其縮小在一固定流場內(nèi)；2)向流場內(nèi)吹入自然風(fēng)，即示蹤粒子；3)通過片光源系統(tǒng)來照亮測量區(qū)域，能夠使示蹤粒子產(chǎn)生散射光，使圖像拍攝系統(tǒng)記錄下示蹤粒子的位置；4)通過CCD相機(jī)的圖像拍攝，獲得示蹤粒子兩次曝光間隔內(nèi)的位移，得出所有示蹤粒子的平均速度以及示蹤粒子的圖像信息；5)綜合整理在建筑、城市空間模擬結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)中所得出的示蹤粒子的位置、平均速度以及圖像信息，來測試出在模擬的城市空間環(huán)境中，城市風(fēng)向隨著建筑物的影響而發(fā)生改變的情況，得出具體的風(fēng)向數(shù)據(jù)圖。
2.一種用于實(shí)現(xiàn)對建筑、城市空間進(jìn)行精確測量的粒子圖像測速方法的裝置，其特征在于，所述裝置包括片光源系統(tǒng)、圖像拍攝系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)和示蹤粒子1)片光源系統(tǒng)，采用由兩臺脈沖激光器聯(lián)合組成，它用于照亮測量區(qū)域，使測量區(qū)域內(nèi)的示蹤粒子產(chǎn)生散射光，并保證散射光強(qiáng)足以使PIV圖像拍攝系統(tǒng)記錄下示蹤粒子的位置；2)圖像拍攝系統(tǒng)，選用CCD相機(jī)，用于感應(yīng)示蹤粒子產(chǎn)生的散射光，記錄示蹤粒子圖譜的瞬態(tài)數(shù)字信號，采用互相關(guān)模式的圖像拍攝方式，前后兩個時刻拍攝得到的不同示蹤粒子圖像信息被存儲到CCD相機(jī)中的不同幀存儲器中；3)圖像處理系統(tǒng)，采用快速傅利葉變換，對CCD相機(jī)獲取的兩次曝光時刻的示蹤粒子圖像進(jìn)行相關(guān)處理；4)示蹤粒子，以通向流場流場內(nèi)吹入自然風(fēng)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種對建筑、城市空間進(jìn)行精確測量的粒子圖像測速方法，特點(diǎn)是，方法步驟為建立一建筑、城市空間的模擬結(jié)構(gòu)，按比例將其縮小在一固定流場內(nèi)；向流場內(nèi)吹入自然風(fēng)，即示蹤粒子；通過片光源系統(tǒng)照亮測量區(qū)域，使圖像拍攝系統(tǒng)記錄下示蹤粒子的位置；通過CCD相機(jī)拍攝，得出所有示蹤粒子的平均速度以及示蹤粒子的圖像信息；綜合整理在建筑、城市空間模擬結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)中所得出的示蹤粒子的位置、平均速度以及圖像信息，測試出在模擬的城市空間環(huán)境中，城市風(fēng)向隨著建筑物的影響而發(fā)生改變的情況，得出具體的風(fēng)向數(shù)據(jù)圖。本發(fā)明是通過粒子圖像測速即PIV測速方法，對建筑、城市空間進(jìn)行精確測量，能滿足綜合性的基礎(chǔ)空間信息生產(chǎn)的要求。
文檔編號G01M99/00GK101021429SQ200710038309
公開日2007年8月22日 申請日期2007年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月22日
發(fā)明者項(xiàng)秉仁, 楊麗 申請人:同濟(jì)大學(xué)