CN100458372C - 一种对建筑、城市空间进行精确测量的粒子图像测速方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对建筑、城市空间进行精确测量的粒子图像测速方法，特点是，方法步骤为：建立一建筑、城市空间的模拟结构，按比例将其缩小在一固定流场内；向流场内吹入自然风，即示踪粒子；通过片光源***照亮测量区域，使图像拍摄***记录下示踪粒子的位置；通过CCD相机拍摄，得出所有示踪粒子的平均速度以及示踪粒子的图像信息；综合整理在建筑、城市空间模拟结构实验中所得出的示踪粒子的位置、平均速度以及图像信息，测试出在模拟的城市空间环境中，城市风向随着建筑物的影响而发生改变的情况，得出具体的风向数据图。本发明是通过粒子图像测速即PIV测速方法，对建筑、城市空间进行精确测量，能满足综合性的基础空间信息生产的要求。

Description

一种对建筑、城市空间进行精确测量的粒子图像测速方法

技术领域

本发明涉及一种建筑、城市空间与粒子图像测速即PIV(Particle Image Velocimetry)测试、运用PIV测试技术，对建筑、城市空间进行精确测量，从而对整个建筑、城市空间进行有效的设计和分析的粒子图像测速方法。

背景技术

激光测速技术自1964年问世以来，由于它具有非接触性测量、不干扰流场、空间分辨率高、动态响应快、测量精度高等诸多优点已经越来越广泛地应用于各种测量领域。粒子图像测速技术(PIV)是近十几年发展起来的一种崭新的流速测量技术，它在流动显示基础上，由70年代末兴起的激光散斑全场测速技术(Laser Speckle Velocimetry，简称LSV)演变而来，它融计算机图像处理与光学技术为一体，突破了空间单点测量技术的局限性，可在同一时刻记录下整个测量平面的相关信息，从而可以获得流动的瞬时平面速度场、涡量场等。PIV作为一种无扰动、瞬态、全场速度测量方法，已被广泛应用于液体或气体的单相流流速场测定。PIV测试技术目前已经成为比较成熟的技术，正广泛地应用于物理、动力等各个行业。PIV的前沿研究为两相流或三相流中的相分离技术和颗粒粒径测量技术，目前主要有荧光标记法、亮度分辨法、粒径分辨法、中值滤波法、双参数相分离法和***相关法共六种。而粒子粒径的测试困难是因为衍射对粒径的影响很大，国内石油大学吴飞雪、董守平等基于统计理论及图像分析技术，巧妙地消除了衍射对粒子粒径测量的影响，成功地给出了1～10μm范围内光斑直径与粒子直径的回归公式，为解决多相流PIV粒径测量提出了新的思路。PIV的应用之一为验证CFD模型的仿真结果和为CFD模型提供边界条件。目前PIV前沿的研究和应用主要为和CFD相结合进行两相流或三相流的研究或联合起来使用来对一些复杂形态的流体进行测试。

但至今尚未有PIV用于对建筑、城市空间进行精确测量的报道。传统的测绘学科研究如何获取基础空间信息，即通过大地测量、摄影测量和地图制图的工序，获取各种类型的地图和数据。根据最近***对全国部分城市调查显示，当前我国城市空间数据具有如下特点：比例尺大，分辨率高；内容丰富，信息传输效率低；信息老化速度快；数据生产与更新的周期长、费用高；各城市多使用独立的平面参考***，造成不同城市的数据参考基准不一致；数据种类单调，现势性差，可用性低；数据生产和提供的现状仍然不能满足应用的需求。

基础空间信息的生产，是建立数字城市的前提和制约因素。这是一项投资巨大，技术要求十分复杂的工程，不仅成果精度要求高，而且信息的内容包含广泛。传统的模拟测图***和解析测图***，已经无法满足综合性的基础空间信息生产的要求，数字摄影测量***，是继模拟测图***和解析测图***之后，全新的高度自动化的摄影测量***。它可以针对不同用户的多种需求提供相应解决方案。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是将图像测速即PIV(Particle Image Velocimetry)测试技术运用到对建筑、城市空间进行精确测量。

本发明的技术方案是：一种对建筑、城市空间进行精确测量的粒子图像测速方法，其特点是，具体步骤为：

1.建立一建筑、城市空间的模拟结构，按照比例将其缩小在一固定流场内；

2.向流场内吹入自然风，即示踪粒子；

3.通过片光源***来照亮测量区域，能够使示踪粒子产生散射光，可以使图像拍摄***记录下示踪粒子的位置；

4.通过CCD相机的图像拍摄，获得示踪粒子两次曝光间隔内的位移。从而得出所有示踪粒子的平均速度以及示踪粒子的图像信息；

5.综合整理在建筑、城市空间模拟结构实验中所得出的示踪粒子的位置、平均速度以及图像信息，来测试出在模拟的城市空间环境中，城市风向随着建筑物的影响而发生改变的情况，得出具体的风向数据图。

一种用于实现对建筑、城市空间进行精确测量的粒子图像测速方法的装置，其特点是：所述的装置包括片光源***、图像拍摄***、图像处理***和示踪粒子：

1.片光源***，采用由两台脉冲激光器联合组成，它用于照亮测量区域，使测量区域内的示踪粒子产生散射光，并保证散射光强足以使PIV图像拍摄***记录下示踪粒子的位置；

2.图像拍摄***，选用CCD相机，用于感应示踪粒子产生的散射光，记录示踪粒子图谱的瞬态数字信号，采用互相关模式的图像拍摄方式，前后两个时刻拍摄得到的不同示踪粒子图像信息被存储到CCD相机中的不同帧存储器中；

3.图像处理***，采用快速傅利叶变换，对CCD相机获取的两次曝光时刻的示踪粒子图像进行相关处理；

4.示踪粒子，以通向流场流场内吹入自然风。

本发明的有益效果，激光测速技术具有非接触性、不干扰流场、空间分辨率高、动态响应快、测量精度高等诸多优点。粒子图像测速技术(PIV)作为一种全新的无扰、瞬态、全场速度测量方法，已被用于液体或气体的单相流速场测定，是近十几年发展的一种崭新的流速测量技术，它在流动显示基础上，融计算机图像处理与光学技术为一体，突破了空间单点测量技术的局限性，可在同一时刻记录下整个测量平面的相关信息，从而可以获得流动的瞬间平面速度场、涡量场等，本发明是通过一种建筑、城市空间与粒子图像测速即PIV(Particle Image Velocimetry)测试，对建筑、城市空间进行精确测量，

附图说明

图1是建筑、城市空间的三维立体结构示意图；

图2是建筑、城市空间的平面结构示意图；

图3是本发明实施例中的示踪粒子的平面图像信息图；

图4是本发明实施例中的示踪粒子的立面图像信息图；

图5是PIV速度测量示意图。

具体实施方式

本发明涉及一种建筑、城市空间与粒子图像测速即PIV(Particle Image Velocimetry)测试、运用PIV测试技术，对建筑、城市空间进行精确测量，从而对整个建筑、城市空间进行有效的设计和分析的粒子图像测速方法。

根据实验要求，建立一建筑、城市空间的模拟结构，在此以同济新村居住小区为实验对象，按照1∶10的比例将其缩小在一固定的实验流场内；

如图1所示，PIV测试***装置依次具有示踪粒子发射器1(即鼓风机一台)、两台脉冲激光器2和3、高速CCD摄像机4、图像采集卡5、控制及图像处理计算机6。

打开示踪粒子发射器1，即鼓风机，向固定的实验流场内吹入示踪粒子，即自然风；通过由两台脉冲激光器2和3组成的光源***来照亮测试区域，两激光器交替工作将脉冲间隔大大降低，不仅可以解决满足从低速到高速全范围的流动测量需要，而且可以实现从定常流量到非定常流动的需要。

计算机6向高速CCD摄像机4下达采集图像的命令，通过互相关模式的拍摄方式，拍摄得到前后两个不同时刻的示踪粒子的图像信息，为获得示踪粒子在两次曝光间隔内的位移，需要对CCD相机获取的两次曝光时刻的示踪粒子图像进行相关处理，目前较常使用的处理技术是快速傅利叶变换。在PIV图像处理技术中，一般将CCD相片划分成许多方形小区域，即查询区(Interrogation area)，图像的相关处理实际上是在每一块查询区域进行的，得到每一块查询区内所有示踪粒子的平均速度。所有查询区域的速度组成了整个流动区域上的速度场。因此，一幅速度矢量图中速度矢量的数目取决于CCD相机中的像素数目以及所采用的查询区域大小。完全独立的速度矢量数目为：

$\frac{{\mathrm{No}}_{\mathrm{row}}}{N_{\mathrm{int}}}\×\frac{{\mathrm{No}}_{\mathrm{col}}}{N_{\mathrm{int}}}---\left(1\right)$

其中，No_row和No_col分别为CCD相机底片上水平方向和竖直方向上像素的总数目，N_int为方形查询区域边长方向上覆盖的像素数目。N_int的选择受到速度变化范围和测量空间分辨率的限制。

速度矢量所对应的空间分辨率：

                R_S＝SN_intd_pitch                        (2)

速度测量的上限和查询区域的大小有关，而且还同曝光间隔时间Δt和放大系数S有关：

$d_{\max }=\frac{v_{\max }\mathrm{\Δt}}{S}\≤{0.25N}_{\mathrm{int}}{d}_{\mathrm{pitch}}---\left(3\right)$

$v_{\max }\≤\frac{{0.25\mathrm{SN}}_{\mathrm{int}}{d}_{\mathrm{pitch}}}{\mathrm{\Δt}}---\left(4\right)$

为了平衡空间分辨率和速度测量上限，一般对于自相关模式，N_int取64个像素，而对于互相关模式，N_int取32个像素。因此对于分辨率相同的CCD相机，采取互相关模式要比自相关模式能获得更多的速度矢量，从而可以提高测量流场的空间分辨率。

在实际处理时，为了充分利用查询区域的边界信息，一般将查询区域重叠布置。在本实验中采用推荐值在行列方向的重叠率都取25％，则速度矢量数目为：

$\frac{{\mathrm{No}}_{\mathrm{row}}}{(1-25\%)N_{\mathrm{int}}}\×\frac{{\mathrm{No}}_{\mathrm{col}}}{(1-25\%)N_{\mathrm{int}}}---\left(5\right)$

在本实验中，针对CCD相机拍摄得到的bmp格式的图像，采用matlab软件包，根据互相关算法，编写了图像处理的后处理程序。同时通过图像采集卡5快速地存储并实时地输送到计算机6内，并进行后继的图像处理。

综合整理在建筑、城市空间模拟结构实验中所得出的示踪粒子的位置、平均速度以及图像信息，来测试出在模拟的城市空间环境中，城市风向随着建筑物的影响而发生改变的情况，得出具体的风向数据图。

粒子图像测速即PIV(Particle Image Velocimetry)原理说明

PIV的基本原理是在流场中散布合适的示踪粒子，用脉冲激光片光源照射所测流场切面区域，通过成像记录***摄取两次曝光的粒子图像，形成PIV底片，再用图像处理技术处理PIV底片，获得示踪粒子图像的平均位移，由此确定测量区域内的速度场。

PIV的工作原理还可以用速度的定义式：

$u=\underset{\mathrm{\Δt}}{\lim }\frac{x_2-x_1}{\mathrm{\Δt}}$

$v=\underset{\mathrm{\Δt}}{\lim }\frac{y_2-y_1}{\mathrm{\Δt}}---\left(13\right)$

其中，Δt为两次曝光的时间间隔；x₁，x₂，y₁和y₂是Δt时刻前后的粒子坐标位置，u，v是粒子速度分量(如图5所示)。从图中可以看出，当被测粒子的位移足够小，粒子轨迹接近直线使得测量得到的速度极限值能很好的近似该处的速度，所以只要选择合适的Δt，使得上面的极限精确到泰勒一阶微分程度。

Claims (2)

1.一种对建筑、城市空间进行精确测量的粒子图像测速方法，其特征在于，

方法的具体步骤为：

1)建立一建筑、城市空间的模拟结构，按照比例将其缩小在一固定流场内；

2)向流场内吹入自然风，即示踪粒子；

3)通过片光源***来照亮测量区域，能够使示踪粒子产生散射光，使图像拍摄***记录下示踪粒子的位置；

4)通过CCD相机的图像拍摄，获得示踪粒子两次曝光间隔内的位移，得出所有示踪粒子的平均速度以及示踪粒子的图像信息；

5)综合整理在建筑、城市空间模拟结构实验中所得出的示踪粒子的位置、平均速度以及图像信息，来测试出在模拟的城市空间环境中，城市风向随着建筑物的影响而发生改变的情况，得出具体的风向数据图。

2.一种用于实现对建筑、城市空间进行精确测量的粒子图像测速方法的装置，其特征在于，

所述装置包括片光源***、图像拍摄***、图像处理***和示踪粒子：

1)片光源***，由两台脉冲激光器联合组成，它用于照亮测量区域，使测量区域内的示踪粒子产生散射光，并保证散射光强足以使PIV图像拍摄***记录下示踪粒子的位置；

2)图像拍摄***，选用CCD相机，用于感应示踪粒子产生的散射光，记录示踪粒子图谱的瞬态数字信号，采用互相关模式的图像拍摄方式，前后两个时刻拍摄得到的不同示踪粒子图像信息被存储到CCD相机中的不同帧存储器中；

3)图像处理***，采用快速傅利叶变换，对CCD相机获取的两次曝光时刻的示踪粒子图像进行相关处理；

4)示踪粒子，随同自然风被吹入流场内。

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