测量特征（共7篇）
测量特征 篇1
红外光谱又称分子振动转动光谱,属分子吸收光谱。样品受到频率连续变化的红外光照射时,分子吸收其中一些频率的辐射,分子振动或转动起偶极矩的净变化,使振转能级从基态跃迁到激发态,相应于这些区域的透射光强减弱,记录百分比透过率对波数的曲线,即为红外光谱。
对翡翠而言,存在有其特征的基团或络阴离子团,这些基团内部振动模式和潜带数决定于基团本身的构型及晶胞对称性。虽然当基团处在由阳离子所构成的晶体中,振动频率会受到周围环境的影响,但其影响是次要的,主要还是取决于内部坚固的共价键,故基团振动频率较稳定。实验证明:每基团在不同化合物中振动频率是大体相同的,即每种基团都有其特征吸收频率,其振动模式频率,决定了翡翠红外光谱的主要轮廓,是翡翠红外光谱的主要特征。[1]
1 仪器及样品
本实验选用三块天然翡翠,两块充蜡翡翠,一块充胶翡翠、一块充胶染色翡翠为实验样品。并抛磨成薄片。
在实验过程中采用反射法及透射法对上述样品的红外吸收光谱进行测试。测试仪器为傅立叶变换红外光谱仪(Nicolet 550型),分辨率为16,扫描范围为4000~400 cm-1,扫描次数为32。
为了验证镜反射法测得的红外吸收光谱的可靠性及红外吸收谱带的位移情况,本实验在相同的条件下对不同样品的红外吸收光谱进行了比对。对于测出的反射曲线,应用Kramers-Kronig转换技术(简称KK转换)使之转换为人们熟知的红外吸收光谱。使用Omnic-2000软件对所测的图谱进行处理,采用自动基线校正,并累加处理。
2 翡翠的红外吸收光谱表征
2.1 翡翠的镜反射红外光谱
翡翠是以硬玉为主的由多种细小矿物组成的矿物集合体。它的主要组成矿物是硬玉,次要矿物有绿辉石、钠铬辉石、钠长石、角闪石、透闪石等,其中绿辉石在某些情况下会成为主要组成矿物。从岩石学角度来讲,翡翠是一种岩石,它是由硬玉、绿辉石为主要成分的辉石族矿物组成的矿物集合体。[2]
根据前人对天然翡翠的红外吸收光谱的归属[2],图1中翡翠的主要成分硬玉的晶体结构[SiO4]较为规则,故其振动带的频率较高,在900cm-1~1200cm-1,主要是3个频带, 1162cm-1,1079cm-1,950cm-1,其中1079cm-1的频带最强。在400 cm-1~600 cm-1,主要为M1 和M2配位体的振动吸收。金属阳离子和O2-离子的振动,主要有4个频带,582、531、476、435。硬玉中,其M2是8配位,配位多面体形态为变形的立方体,中心阳离子几乎全部为Na。M1为6配位,为规则的配位M2和M1以共棱连接成平行c轴的链,各链在⊥(100)方向排列成层。
图2所示,经过优化处理的翡翠在指纹区的红外吸收光谱特征与天然翡翠基本相同,M1与M2配位体的振动吸收峰略有偏移。值得注意的是,在2800 cm-1~3000 cm-1(图中黑色方框标示)中,三个样品的红外吸收图谱曲线有所不同。J-1的红外吸收曲线基本平直,而J-2及J-3的曲线,在2840 cm-1及2920 cm-1有两个峰,这两个峰属于蜡或其它有机物引起的。当这两组峰表现强烈时,便是充填处理翡翠的信息显示,因为B货注入的有机物或蜡的数量要比A货抛光用的有机物或蜡的量大得多。但单从这两个峰区分A、B货也是不完全确切的。但至少可以起警示作用。
2.2 翡翠的透过红外光谱特征
透射红外光谱的测量对样品的要求一般是越薄越好。如果样品的厚度较大,吸收强烈的指纹区的吸收峰基本上测不出来,测出的光谱主要是指纹区外的、微量的组成。多应用于测试宝石中的水、OH-、外源的有机质成分等。不能作矿物种类的鉴定。
注:J-1为注蜡翡翠;J-2为注胶翡翠;J-3为注胶染色翡翠
注:J-1为注蜡翡翠;J-2为注胶翡翠;J-3为注胶染色翡翠;J-4为天然翡翠
从图谱中可以清晰地看出,J-1的透射红外图谱中,有油引发的2850 cm-1、2927 cm-1、2959 cm-1的三个吸收峰组成的峰系,该峰系即为烃基峰系。
J-2与J-3的透射红外图谱基本相同。图中出现了天然翡翠所没有的吸收峰,为2870 cm-1、2927 cm-1、2960 cm-1、3035 cm-1、3058 cm-1吸收峰,并且,在2870 cm-1、2927 cm-1、2960 cm-1三个吸收峰中,2870 cm-1最弱。此外,在2200 cm-1~2600 cm-1范围,还可见到不太明显的多个吸收峰。这些吸收峰都具有诊断意义,反应为树脂胶中苯环上C—H键的振动吸收。如果胶更多对红外光的吸收更强一些,那么,在2800 cm-1~3100 cm-1范围中的峰系会消失,而2200 cm-1~2600 cm-1的指纹峰成为最主要的识别标志。[3]
经过油或蜡浸泡过的翡翠与充胶货翡翠的透射红外光谱图有着比较明显的区别:
1) 油或蜡没有3058 cm-1和3035 cm-1吸收峰,也没有2200 cm-1~2600 cm-1的指纹状吸收峰。
2) 蜡或油的2850 cm-1、2927 cm-1、2959 cm-1波数的3个吸收峰组成波谷的形状与树脂胶略有不同,蜡或油的2927 cm-1的吸收最强,成主峰状,而树脂胶的2927 cm-1与2959 cm-1的吸收程度相当,成双峰状。
另一个值得注意的地方就是J-1中2959 cm-1、2927 cm-1、2850 cm-1三个峰的强度大小。
注:J-1与J-5都为充蜡翡翠
以2200 cm-1~3 300 cm-1范围内相对稳定的红外吸收光谱为参比峰,并将该参比峰(基线至顶峰处)人为地划分为4等分。利用蜡质物中(—CH2—)伸缩振动致2 927 cm-1(R1)和2 850cm-1(R2)这一组红外吸收谱带的组合吸收峰Ra(R1+R2),大致判断Ra占参比峰的四分之几(即相对吸收比)。
1/4
2/4
3/4 如图4中样品J-1中蜡物质的含量已经占到了参比峰的3/4~4/4,故定为蜡充填处理翡翠。样品J-5中蜡物质的含量占参比峰的2/4~3/4,故定名为蜡充填优化翡翠。一般蜡优化的翡翠即为表面过蜡,而蜡处理的翡翠即经过长时间浸泡。 4 结论 (1)翡翠的红外光谱图在900cm-1~1200cm-1,主要是3个频带, 1162cm-1,1079cm-1,950cm-1,其中1079cm-1的频带最强。在400 cm-1~600 cm-1,主要有4个频带,582 cm-1、531 cm-1、476 cm-1、435 cm-1。 (2)经过油或蜡浸泡过的翡翠与充胶货翡翠的透射红外光谱图有着比较明显的区别:油或蜡充填没有3058 cm-1和3035 cm-1吸收峰,也没有2200 cm-1~2600 cm-1的指纹状吸收峰。蜡或油红外图谱的2850 cm-1、2927 cm-1、2959 cm-1波数的3个吸收峰组成波谷的形状与树脂胶略有不同,蜡或油的2927 cm-1的吸收最强,成主峰状,而树脂胶的2927 cm-1与2959 cm-1的吸收程度相当,成双峰状。 (3)经过蜡浸泡的翡翠在定名上也有区别。根据其透射红外光谱图中蜡峰的强度,可以判定为优化或处理。一般蜡优化的翡翠即为表面过蜡,而蜡处理的翡翠即经过长时间浸泡。
摘要：通过傅立叶红外光谱仪(Nicolet550型)对天然翡翠及其优化处理品种进行测量,分析出翡翠的样品特征红外峰为1162cm-1,1079cm-1,950cm-1,其中1050cm-1的频带最强,且400cm-1～600cm-1之间有四个频带。而B货的红外鉴定最主要的吸收峰为2870cm-1、2927cm-1、2960cm-1、3035cm-1、3058cm-1。此外,在2200cm-1～2600cm-1范围,还可见到不太明显的多个吸收峰。
关键词：翡翠,测量与分析,红外吸收光谱
参考文献
[1]V.C.farmer,应育浦等译.矿物的红外光谱[M].北京:科学出版社,1982.
[2]袁心强.翡翠宝石学[M].北京:中国地质大学出版社,2004.
[3]苏文宁,陆发正.处理翡翠玉件B货鉴别胶质充填物的判断[J].成都理工学院学报,1998,25(2):349-353.
[4]亓利剑,袁心强,彭国桢,杨国辉.翡翠中蜡质物和高分子聚合物充填处理尺度的判别[J].宝石和宝石学杂志,2005,7(3):1-6.
测量特征 篇2
实地施工和建筑之前需要进行必要的测量, 进而根据测量的结果进行结构和建设设计, 传统的测量技术存在大的误差, 测量结果不精确, 在实际的运用中存在缺陷, 经过专家的多年研究, 人们研发了数字摄影测量技术。这种技术的特点是生成的更有利用价值的电子图像而不是简单地光学图像。数字影像中主要的对象是存在的不同形状的目标点。目标点可以分为点状特征和线状特征两个主要的方向。提取点特征的算子称为兴趣算子或有利算子。点特征提取是影像分析和影像匹配的基础, 也是单幅图像处理的最重要的任务。也是人们研究的重点, 下面首先对其原理进行简单的阐释, 然后根据仿真模拟进行具体的说明。
2 Moravec算子特征点提取算法
Moravec算子的计算原理是对于灰度方差的运用。它的实际操作程序可以是:
2.1 首先根据已知的计算公式确定兴趣
值。然后以45度的距离从零开始计算, 经过四次运算, 最终把最小的定为该像元的兴趣值。
2.2 给定经验阈值, 注意把握阈值的适当范围。
2.3 选取候选点中的极值点作为特征点
以上的计算要按照既定饿步骤逐一的进行, 而且计算的数值要求准确无误。
3 基于灰度的匹配方法
这种是目前为止引用比较广泛的配配方法, 它的利用范围比较广, 基本适应现代的测量技术要求。基于灰度相似度检测和最小二乘影像匹配的方法是其主要的两个方面, 它们都是以同名影像灰度相似为基础的, 相关的精度可以达到像元级及子像元等级。其工作的实际理论依据为:
相关系数是标准化的斜方差函数, 协方差函数除以两信号的方差即得相关系数。
4 实验方案设计与实验结果分析
4.1 特征点提取方案设计
该技术的特征点选取的范围基本上确定为两个图像的重合部分。具体的设计过程中应该注意到经验阈值的范围不能过大也不能过小, 因为两者都会造成负面影响。首先如果该值的计算数据超出其最大值, 那么就使得大部分的特征点被忽略了, 排除了提取的实际范围之外, 计算的结果不能使对每一个特征点的分析, 计算的结果没有可靠性;但是如果最终取得的该值超出了应有范围的最低值就表明提取的特征点数量, 超出合理的数量。如果进行抑制局部非最大的窗口过大, 也会产生类似的部分特征点被排除在考察的范围之外, 但窗口过小又会导致亮度值变化较大的图象局部提取了超出应有范围的比较大量的特征点。依据以上的理论分析, 所以在实际操作过程中, 必须综合两种实际的科学设计方案, 来保证经验阈值及进行抑制局部非最大的窗口大小都在合理的范围之内。操作如下:
4.1.1 计算人员根据规定的标准计算出像素的兴趣值, 计算之前要熟悉具体的计算公式和方法。
4.1.2 对于两个不同的点进行详细的效
果对比分析, 实际的点的选取有固定的要求, 为了保证计算的科学和准确不能随便选取。
4.1.3 选取候选点中的极值点作为特征点, 进行筛选。
4.2 特征点匹配方案设计
完成对左片的特征点提取完毕后, 开始进行所提取特征点的匹配工作, 根据该实验的特定目标制定了如下步骤:
4.2.1 由于受到局限, 所以只对两张影像进行一次几何畸变:
4.2.2 在经过系统处理过的图像上任意
选取6对匹配像元, 根据最小二乘的原理计算出一次几何畸变的6个系数的近似值。
4.2.3 依据以上的计算数据粗略的确定各特征点在右像片中匹配位置
4.2.4 最后通过一系列的实际校验程序来确定本次试验的匹配正确。
4.3 实验过程与实验结果分析
4.3.1 软件平台与开发工具
美国的微软公司自从问世以来, 就成为软件系统的鳌头。经过专业技术人员的不断开发和完善, 微软公司旗下的软件已经可以适应各个领域的需求。本次的测验就是利用的微软公司开发的软件。在应用的同时, 人们逐渐领略到了美国微软公司开发的软件的利用的便捷, 和操作的简单化。目前, 已经成为了人们普遍认可的计算专业软件。该软件是windows系统下的, 在新开发的windows7系统中更是得到了进一步的完善, 便于相关人员的利用。
4.3.2 实验结果分析
(1) 以兴趣值15000为经验阈值, 用11×11窗口抑制局部非最大, 经过实际的对比结果, 我们得由于提取了过多的特征点, 像素隐性去值的最后结果也是不准确的, 没有实际的利用价值, 这个结果警示我们在操作过程中一定选择符合数量标准的特征点。
(2) 对于以上的结果检验的失败, 我们经过计算方法的改良对其进行了必要的改进, 以兴趣值14000为经验阈值, 用19×19窗口抑制局部非最大。
只有利用这样的计算标准才能最终确定相近的特征点数量, 特征点数量是最终试验结果正确的保障。选取过多的特征点或是选取过少的特征点都使得最后的试验结果出现严重的误差, 没有数据的利用价值。
结束语
Moravec算子是一种经典的点特征提取算子, 对于该技术的研究具有一定的使用价值。本文对于摄影测量特征点提取和匹配技术的研究, 经过了系统的仿真模拟。通过对于仿真模拟的每一步的操作分析, 我们得出了正确的技术应用过程, 也找出了影响实验数据值误差的原因, 并及时的纠正, 从而完善了该技术, 为相关的工作人员提供一定的经验参考。
摘要：随着建筑事业的发展和城市规划的不断提升, 对于工程的设计要求质量也相对的提高。工程设计的制定必须参考必要的测量数据和勘探结果, 然后经过分析综合最终合理的确定下来。因此就要有高质量的摄影测量技术来支撑, 旧有的测量数据准确度不能达到现行的需求, 测量的范围不够广, 测量的结果不够精确, 同时分辨率比较低, 严重的影响了设计的准确性和合理性。为了克服这点, 经过科研人员的多年的研究, 人们提出了新的理论即摄影测量特征点提取与匹配技术。本文对于此项技术进行了详细的介绍和说明, 便于相关人员可以结合实际工作的需要利用此项技术。
关键词：数字摄影测量,特征点提取,特征点匹配
参考文献
[1]Zuxun Zhang, Jianqing Zhang.Outlook On The Development of Digital Photogrammetry-from digital photogrammetric workstation (DPW) to digital photogrammetry system (DPS) .
[2]张剑清, 潘励, 王树根.摄影测量学[M].武汉:武汉大学出版社, 2004.7.
[3]山海涛, 郭建星, 耿则勋.影像匹配中几种相似性测度的分析[J].测绘信息与工程, 2003, 28 (2) .
测量特征 篇3
图像的纹理分析大致包含四个方法, 有统计方法, 结构方法, 基于模型的方法, 数字信号处理的方法, 而目前应用最广泛的便是利用Haralicke t al提出的统计方法的灰度共生矩阵 (GLCM) 来提取图像的纹理特征。但是当利用GLCM来提取图像的纹理特征时, 它最大的缺点就是需要大量的不必要的计算过程。国内外在图像的纹理分析中利用散列函数比较广泛, 它们的共同点是利用函数的散列性, 为最后的纹理特征进行编码, 以此作为数据存储位置的依据。本文利用共生的一对灰度共两个关键字, 来快速构建无序共生链表, 计算出需要的共生纹理。
1 实验装置及测量结果
图1是我们的实验装置示意图, 我们采用5mw, 波长为660μm的半导体激光器, 激光电源为可调的恒流电源, 以避免散斑强度超过CCD相机的接收阈值。为避免量块表面微细结构对形成散斑的影响, 激光入射角α尽量小, 我们采用100, 相机放于光线的正常的接收位置, 激光器与标准粗糙度量块表面的垂直距离为15cm, 图2为实验所得出的不同粗糙度所对应的散斑图像。
由图2可以看出随着粗糙度等级的提高, 纹理越来越粗大, 对比度越来越弱, 这说明纹理的变化与粗糙度的不同密切相关, 可以利用纹理分析的方法, 根据不同的纹理特征将粗糙度提取出来。
2 纹理提取
2.1 无序共生链表的构建
从图3看出, 当为同一个像素间隔时, θ=0和θ=180时所对应的共生矩阵互为转置, 同理, θ=45和θ=225, θ=90和θ=270, θ=135和θ=315所对应的共生矩阵均互为转置。平时计算一般只考虑0, 45, 90, 135这四个角度, 这四个不同的方向反应了图像不同性质的纹理特征。我们提取散斑图像的特征并不是为了考察图像局部的具体形貌, 而是对整幅图像的一个总体统计参数的测量。传统00或1800共生矩阵中将 (2, 1) 与 (1, 2) 是区别对待的, 但是, 我们将它们统一到一起, 也就是只关心2与1一共共生了多少次, 至于谁在左面谁在右面没有关系。这样原来的整个矩阵变为上三角全部为零的一个矩阵, 为了编程方便, 将其称作dy=0, 而dx=1。新矩阵如图4所示:
我们将原矩阵变为下三角之后, 主要好处有二:
1) 我们是根据纹理的粗大程度来测粗糙度的, 当处理成下三角矩阵后, 随着纹理粗大程度的不同, 在数值上的体现更明显;
2) 计算时只需要考虑下三角 (上三角全部为0) , 效率大大提高。
表1是利用灰度共生矩阵计算图像纹理特征的公式, 可以发现每个纹理特征均是G*G项的和 (G为灰度级数) , 而每一项均有因子P (i, j) , 当P (i, j) =0时, 包含它的那一项的值即为0, 那么它对纹理特征就一点儿影响也没有, 在计算之前就不应予以考虑。遗憾的是, 传统的算法不管P (i, j) 是否为0, 对每一个P (i, j) 均同样对待, 对每一项的P (i, j) 前的系数均有计算一次, 正因为这样才带来了大量的不必要的计算过程, 其实大部分的共生矩阵均是稀疏矩阵, 因此很有必要构建一种新的数据表达形式, 让其仅仅包含非零的P (i, j) 。进一步观察公式虽然每个纹理特征均是G*G项的和, 但它与每一项的排列顺序无关, 只需要将每一项计算到就可以。基于以上两点考虑, 链表是满足要求的最佳选择。
链表的每个结点里只需要放四个成员变量:1) 指向后一结点的指针Ptn, 2) i, 3) j, 4) (i, j) 的个数P。其中由于为下三角矩阵, 有i>=j, 指针是用来遍历整个链表用的, 链表构建完成后将整个链表中的P标准化, 利用它来计算纹理特征。
如果单纯的构建一链表, 由于需要频繁的进行比较操作, 构建链表的时间必然大于矩阵创建的时间。借用数据结构中哈希查找思想, 即结构体中的某一或几个元素的组合能唯一的表示出结点的位置。链表中各结点绝对不同的只有像素对儿 (i, j) , 因此用 (i, j) 来表示结点所在的位置, 构建一种无序链表, 出现新的像素对儿就在最后插入。在构建链表同时要创建一个矩阵, 矩阵中的元素为指向链表中相应结点的指针, 初始值赋为NULL, 当出现一个像素对时, 先判断其矩阵所对应元素值是否为NULL, 如果为NULL, 则链表中尚不存在相应结点, 需要创建, 在尾部插入, 如果非NULL, 则该指针所指结点中的P自加1。这样, 它不需要在链表中查找结点, 当链表创建完成后将其遍历一次, 先标准化, 然后就能求出特征值。可以推导出, 它与用矩阵算法的复杂度对比如表2:
其中N为图像的大小, L为所生成的链表的长度, G为灰度级数, C为不同纹理特征所对应的计算复杂度。前一项为矩阵或链表构建时间, 后一项为纹理计算所用时间, 由此可以看出, 计算时间大大节省。尤其在大多数矩阵为稀疏矩阵时, 优势尤其明显。
2.2 高斯加权
整个纹理图像是由局部所构成的整体, 而局部是恒定的, 这就是灰度共生矩阵是稀疏矩阵的原因, 当像素的间隔逐渐扩大, 相应的像素对儿对反应纹理特征的贡献有多大呢?取个极限, 取一副图像左上角的像素和右下角的像素所组成的像素对儿, 明显它们根本不能体现出整副图像的纹理本质, 但是图像的细节就是由相邻的两个像素所反应的, 因此可以看出, 随着像素间隔的逐渐变大, 其对反应纹理特征的贡献程度就逐渐变小, 因此根据像素间隔的大小对其进行高斯加权, 间隔越大, 权值越小。应用概率论中的3准则, 为了更加全面一些, 这里用μ=1, 6=2, 以水平方向为例, 由于综合考虑了0o和180o两个角度, 相当于考虑了左面6个像素, 右面6个像素, 一共12个像素, 对提取粗糙度的散斑纹理分析计算已经足够了。
3 纹理特征与实验结果对比
如第2节所述, 随着粗糙度的变化, 散斑图像的纹理粗大程度及对比度都有明显的变化, 我们正是计算这两个特点所对应的纹理特征来计算粗糙度的。我们求出不同像素间隔的纹理特征, 然后根据像素间隔的大小对纹理特征进行高斯加权。图5为纹理特征与相应粗糙度的曲线图:
由图5可以看出, 纹理特征与粗糙度有着严格的单调性。原因在于若纹理越粗大, 在原灰度共生矩阵中的非零元素大都集中在主对角线附近, 相应链表结点中的i与j的值越相近, 此时对应的纹理特征中的Ene rgy大;而由于i与j的值相近, (i-j) 2就非常小, 此时所对应的纹理特征中的Contrast就小。在纹理提取的过程中, 由于四个方向的纹理特征均具有相同的数量级, 因此将他们揉合在一起, 这样就很好的解决了散斑纹理随机性给测量结果带来不确定因素的影响。我们提取的纹理利用归一化技术综合了Energy与Contact的优点, 命名为Superior te xture。
4 结语
运用纹理分析的方法对散斑图像进行分析, 以此求得与粗糙度对应的纹理特征, 通过图5可以看出, 我们得到了具有严格单调性的纹理特征。在图像纹理分析时, 灰度共生矩阵是应用最广泛的, 但是因为它的计算量过大, 带来了很大的不便, 本文为解决这种矛盾而提出的一种新的纹理提取的方法, 它除了在效率方面有极大的优势以外, 所得的纹理特征与粗糙度的关系也更密切。
摘要：激光经被测粗糙度量块表面散射后, 在观察面形成散斑, 其包含丰富的表面形状的信息。笔者将散斑图像看作纹理图像, 可以看出接收到的散斑图像与粗糙度量块的表面密切相关, 因此, 用计算机纹理分析的方法对散斑图像进行分析必然能得到表面粗糙度的信息。同时将得到是纹理特征进行高斯加权, 能够使其更贴切的反映图像的本质。
关键词：散斑,表面粗糙度,共生矩阵,纹理图像,高斯加权
参考文献
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测量特征 篇4
采用归一化校正模型进行回波强度校正处理,然后选取城市区域的12种典型地物进行采样,并开展反射率与反射比因子测量,通过与校正后的回波强度值统计结果进行比较分析,以评估基于回波强度的地物可分性。
1 实验数据及预处理
实验区位于河北省石家庄市,实验数据基于加拿大Optech公司的ALTM Gemini机载激光雷达系统采集,采用运五飞机为搭载平台,设备及飞行实验参数如表1所示。
首先,采用归一化校正方法对Li DAR数据的回波强度值进行了校正处理,计算公式为
式(1)中,I(R)normalized为标准化后的回波强度值,I为原始回波强度测量值,R是激光点与传感器之间距离值,RS是参考距离值,α为激光光束入射角[10—12]。归一化校正方法,假定记录的回波强度值与地面反射率呈比例关系,与飞行高度呈线性关系或者平方反比,然后通过计算对距离值、入射角变化引起的差异进行归一化处理。此方法假设地面为朗伯体,且地物平坦,忽略地物倾角对激光脉冲回波强度的影响,且通常只针对单次回波和首次回波激光点有效[13]。
图1是研究区数据校正前后的回波强度信息显示对比。
2 地物采样与反射率、反射比因子测量
2.1 地物采样
对于同一测区相同飞行条件下获取的数据,经过归一化校正后,可近似认为激光回波强度只同表面介质相关[14]。因此,选取回波强度与周边地物差异较明显、分布较均匀且具有一定面积的地物目标开展地物采样,进步一步进行反射率测量并与校正后的回波强度值进行比较分析,以评估基于回波强度的地物可分性。
实地采样过程中,基于回波强度图像,对树木、草皮、操场、柏油路、土路、岩石、广场地面、瓦片、砖块等多种地物目标进行查证对比,部分激光回波强度均匀的目标位于建筑物顶层、施工区域以及单位内部场地,无法完成采样查证。
经进一步筛选,最终整理选取12种典型地物样品并开展测量工作,如图2所示。其中,斜长花岗岩(主要成分为斜长石、石英)、钾长花岗岩(主要成分为钾长石、石英)主要为铺设广场等使用的大理石,铺路红砖为城市道路常用的透水砖,黑橡胶主要是指废品站大面积堆积的轮胎类废品。
2.2 反射率与反射比因子测量
通常将介质面元反射辐射通量与入射福照度的比值称之为反射率,将面元向某一方向反射的辐射通量与假定该面元为一理想漫反射表面时该方向的辐射通量的比值称为反射比因子。反射率测量是针对半球空间的,使用具有余弦积分的探测器,如积分球、辐射表;反射比因子测量则是针对某一出射光方向,使用具有指向性的探测器,如光谱仪,且为了获得理想漫反射表面的出射光,一般需要使用参考板[15]。本文测量工作如下。
采用美国Perkin Elmer公司生产的Lamda950光度计对实验区地物样品进行1 064 nm波段激光反射率测量[16],测量原理如图3所示。表2列出了12中样品的激光反射率测量值。
实际数据采集过程中,设备接收器收到的是某一反射方向的能量,因此本文进一步开展了反射比因子测量。采用ASD测量仪,基于室内标准光源,以白板为参照,将样品平置,光纤垂直观测,测量样品的光谱反射曲线,截取1 064 nm波长所对应的反射比因子值,作为参考,其测量结果如表3所列。
图4是12种地物样品的ASD反射比因子、激光反射率的折线统计图。
理论上,反射比因子数值是依靠单一出射方向的观测值计算,因此当介质表面的光反射各向均匀时,反射比因子与反射率数值应当相等,而实际测量值则与样品本身的几何形状、表面特征(粗糙度、质地)具有很大关系。本实验中所测大部分样品的反射比因子与激光反射率数据接近,只有钾长花岗岩、假草皮、柏树叶两种地物的测量值差异较大。其中,钾长花岗岩为粗粒结构,其各向反射差异较大,而细粒结构的斜长花岗岩则相对均匀。蓝铁皮、球场水泥面等样品表面平整,而假草皮、柏树叶则形状不规则。由此可见,介质表面几何结构引起的各向反射差异是主要原因。
3 回波强度值特征分析
以预处理后的激光点云数据为基础,选取采样地点对应的激光点云数据,对其激光回波强度数值进行统计,结果如表4所列。
图5是典型地物回波强度数值范围及平均值的统计图,对比分析如下。
(1)从回波强度值范围分析,大部分地物的回波强度的最大、最小值差异在20以内,这部分地物都是几何结构简单的平坦地物。
蓝铁皮、黄土块和柏树叶的回波强度值范围最大,而这三种地物均非平坦地物。蓝铁皮材质的房顶,虽然介质表面平整,但几何结构呈三角形或拱形,这种倾斜结构会导致激光入射角变化,进而引起回波强度变化;黄土块对应的地物为施工挖掘的土堆区域,表面结构杂乱,对激光光斑的散射影响很大;对柏树叶而言,一方面不规则的几何形状会对激光的反射造成影响,另一方面,针叶之间的空隙使得激光脉冲对其具有一定的穿透性,从而减小散射截面积,导致回波强度减小。
(2)从回波强度平均值与反射率测量值的趋势线分析,大部分地物的回波强度均值之间的差异性与激光反射率的基本一致,说明激光回波强度差异可以反映出地物类别的不同,对地物分类具有一定的参考价值。
蓝铁皮、铺路红砖以及柏树叶3种地物的回波强度均值与激光反射率的一致性不好。其中,蓝铁皮材质房顶的倾斜结构是主要影响因素;铺路红砖的数值偏低,实地查证发现原因是上面有较厚尘土覆盖,因此介质表面的纯净度对回波强度值影响较大;柏树叶的结构对激光散射的影响是主要因素。
(3)虽然回波强度对于地物分类具有一定参考价值,但鉴于不同地物的回波强度值范围存在重叠,单纯依靠回波强度直接进行地物分类难以实现。
图6是某广场依据回波强度进行道路提取的实验效果图。道路为斜长花岗岩材质,周边有松柏类树木。经统计,道路回波强度范围为28~45之间,据此进行分类结果如图6(c)所示。虽然道路被提取,但是周边植被的大量点云也被同步错误分类。如前分析,植被的激光回波强度范围值较大,若单纯依据回波强度分类,则对其他地物造成较大影响。
鉴于此,实际应用中,首先采用基于高程信息的方法进行滤波分类处理[17],然后针对回波强度差异较大、数值范围重叠较小或无重叠的地物进行进一步应用回波强度分类会取得较好效果。
图7是运动场激光点云数据,依据高程分类后,归于地面点类别中,依据高程无法进一步区分,但在回波强度值图像中真草皮、假草皮和塑胶跑道三者之间的差异明显。经统计,真草皮回波强度在70~110之间,塑胶跑道在30~69之间,假草皮则小于30,据此对其进行分类,结果如图7(c)、(d)、(e)所示,分类结果较为理想。
4 结论
标定了12种城市典型地物的激光反射率。将反射比因子测量结果与激光反射率进行了对比分析,认为介质表面几何结构引起的各向反射差异是决定两者数值是否一致性的主要因素。
通过对归一化校正后的回波强度统计及对比分析,形态结构简单、呈平坦状的地物回波强度值范围较小,且回波强度均值之间的差异性与激光发射率标定结果基本一致。
倾斜地物的自身结构会改变激光入射角,从而引起激光回波强度变化,如蓝铁皮材质的房顶,即使材质均一、表面平整,但其回波强度范围较大。
形态结构复杂的地物,会造成对激光光斑能量反射、散射的各向差异性较大,从而产生较大的回波强度值范围,其回波强度均值的差异性也与激光反射率不一致。
另外,介质表面的纯净度对回波强度也会造成一定影响。
实际应用中,可首先利用其它参数(如高程、回波次序)对Li DAR数据进行分类,然后针对回波强度差异较大地物的应用回波强度辅助分类,会取得较好效果。
摘要：机载激光雷达测量系统Li DAR回波强度信息的利用正成为研究热点,许多学者利用归一化校正方法进行回波强度处理并以此为参考辅助地物分类,这种校正方法主要考虑了激光传输距离、入射角的影响;且假定地面平坦、为朗伯体,但自然界中绝大多数地物都是各项散射异性的非朗伯体;且目前的研究中有关地物激光反射特性的定量分析较少。选取12种城市典型地物,通过反射率、反射比因子测量,并与回波强度值进行对比,分析了不同地物的回波强度特征及影响因素。实验证明,形态结构简单且平坦的地物,其回波强度均值之间的差异性与激光反射率、反射比因子的测量结果具有较好的一致性,基于回波强度的可分性较强;而倾斜地物(如房顶)、树木等形态复杂的地物,其产生的回波强度值范围较大,对地物分类的参考价值较小。实际应用中,可首先利用其他参数(如高程、回波次序)对Li DAR数据进行分类,然后针对回波强度之间差异较大的地物应用回波强度辅助分类,会取得较好效果。
测量特征 篇5
由于淡水水域多采用人工增殖放养和定置网箔大规格体长鱼类选择性捕捞, 传统的渔业资源调查评估方法较难实施。近年来随着渔业声学测量技术在中国推广, 渔业资源声学评估方法在淡水的应用逐渐增多且收到较好效果。包括武汉东湖、长江葛洲坝、新疆塞里木湖、青海湖、辽宁清河水库、三峡水库和楠溪江等不同种类鱼类的声学资源调查和空间分布[1,2,3,4,5,6,7]。中国虽然在2007年编制了针对海洋调查的《渔业声学资源调查与评估》规范[8], 但是由于湖泊江河相对海洋水域范围狭窄且鱼类组成各异, 目前已成熟的海洋声学评估技术尚不能简单复制于淡水调查, 需要针对调查水域实际情况开展研究, 获得最佳的调查方法。国外淡水渔业声学研究较少, 鱼种与中国差异较大, 可参考的结果也较少[9,10,11,12,13]。
因此该研究选择春、夏、秋 (冬季冰层较厚不能进行声学调查) 季节, 在2012年7月19~21日、9月14~16日和2013年5月12~14日分别对水库进行鱼类资源声学调查, 对鱼类的回波特征、单体目标大小和分布、资源现存量和分布及主要水文参数进行分析, 考察鱼类资源分布随季节和水文参数变化的规律, 为确定北方水库合理的声学调查方法提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 调查航线和站位的设定
大伙房水库为T型交叉带状河谷型水库, 综合考虑水库形状、水深分布、采样点及网箱位置等因素, 声学调查采用“之”字形航线对库区 (上游有网箱的区域除外) 进行断面声学回波采样。水文参数采样按上、中、下游设置共计8个采样站位, 分别为位于上游支流交汇处的A1、A2, 位于中游断面点B1、B2、B3, 以及位于两主流交汇处C1、南侧C2及北侧大坝附近的C3, 图1为7月的调查航迹线和站位分布图, 其余2次调查航线与7月航线基本相同。
A、B、C分别为库区上、中、下游The A, B and C areas are upper, middle and lower reaches, respectively.
1.2 调查方法和数据后处理
使用多参数水质分析仪 (美国YSI, 6100型) 在设置站位对水温、p H、溶解氧 (DO) 等参量进行垂直剖面测量, 叶绿素a使用荧光法测量。声学调查使用小艇 (长6 m, 宽2.5 m) 走航测量, 平均航速6 kn。分裂波束科学鱼探仪 (挪威Simrad, EY60型, 70 k Hz) 的波束半功率指向全角为7°、脉冲宽度0.256 ms、发射功率300 W、脉冲收发间隔0.1s。换能器放置于导流罩内, 使用钢管悬挂固定于船弦右侧, 吃水1 m。调查前用水质分析仪测量水温、盐度, 计算声速和吸收系数, 使用直径38.1mm钨钢合金标准球对科学鱼探仪进行校正。使用GPS导航仪 (美国Garmin, 60CS型) 测量位置信息, 数据通过RS232接口与科学鱼探仪数据进行同步显示和保存。使用专用声学数据后处理软件Echoview 4.0 (澳大利亚, Myriax) 进行单体目标统计和资源评估。
1.3 鱼类资源声学评估方法
库区鱼类资源声学评估主要参考《渔业资源声学调查与评估》规范[8]中回波积分法进行。由于大伙房历年捕捞渔获物中鲢、鳙种类的比例占绝对优势 (2011年鳙为52%, 鲢为22%) , 且库区在6月~11月期间主要以定置网箔方式进行活鱼捕捞, 无法提供对应声学回波的网具采样, 因此现阶段暂按鳙的声学参数对整体资源量进行评估。
鳙的姿态平均目标强度 (target strength, TS) 与体长的关系式, 使用基尔霍夫近似射线 (KRM) 模型计算的姿态平均TS结果[14,15]:
其中Lcm为鱼标准体长 (cm) 。分裂波束科学渔探仪调查时, TSa可以直接对单体回波进行检测后现场测量。
资源质量可以利用体长与体质量的拟合关系式进行换算, 该研究使用鲢鳙的关系式为[14]:
其中W表示质量 (g) ;L为标准体长 (cm) 。最终在面积As (m2) 内鱼类资源总质量为:
其中下标i表示不同体长鱼类, <n>为单位水面的鱼类平均密度。在回波积分处理单元内, 不同体长鱼类的密度为下式[15,16,17]:
其中sa为回波积分值 (单位水面的散射强度) , p为通过单体检测并进行目标跟踪后, 不同TS鱼类数量的频度值, <σbs>为姿态平均后向散射截面 (与TS的线性值相等) 。
在数据后处理过程中, 根据库区鱼类回波分散分布以及库区狭长的地理特征, 选择积分处理单元水平距离为100 m。使用Echoview软件数据处理按以下步骤进行:1) 进行气泡和干涉信号等剔除;2) 进行单体目标检测、跟踪和频度计算, 获得不同TSa (<σbs>) 频度p值;3) 在积分处理单元内进行回波积分, 获得积分值sa;4) 利用公式 (4) 计算不同TS鱼类的密度 (尾·m-2) ;5) 根据公式 (2) 和 (3) 计算上、中、下游的鱼类资源体质量;6) 统计库区内不同体长鱼类水平和垂直空间密度分布。
2 结果
2.1 主要水文参数
不同季节各站位水温剖面见图2。2013年5月和2012年7月有较明显的温跃层, 5月上游6~8m, 中下游8~10 m, 7月15~20 m, 温跃层下的等温层水温为4~6℃。2012年9月15 m以深水温逐渐降低, 无明显温跃层变化。表层水温5月、7月和9月别分为10~15℃, 18~27℃和20~22℃, 7月水温的下降梯度最大。
a.2013年5月;b.2012年7月;c.2012年9月a.May, 2013;b.July, 2012;c.September, 2012
a.2013年5月;b.2012年7月;c.2012年9月a.May, 2013;b.July, 2012;c.September, 2012
不同季节ρ (DO) 剖面见图3。ρ (DO) 随深度增加而逐渐减小。7月表层ρ (DO) 明显高于5月和9月。7月5 m以浅水层ρ (DO) 为10~14 mg·L-1, 5m以深水层ρ (DO) 随深度下降逐渐降低。5月ρ (DO) 随深度变化不大, 从表层至底层均维持在3~5 mg·L-1。9月15 m以浅水层ρ (DO) 维持在7~10 mg·L-1, 15 m之后ρ (DO) 随深度下降逐渐减少。5月和9月下游ρ (DO) 要低于中上游, 7月上游ρ (DO) 最低。其他水文参数均值:5月p H为7.71、叶绿素a质量浓度为12.09μg·L-1、透明度为1.96 m。7月p H为8.27、叶绿素a质量浓度为27.7μg·L-1、透明度为1.50 m。9月p H为7.62、叶绿素a质量浓度为12.06μg·L-1, 透明度为2.25 m。
大伙房水库水质呈弱碱性, p H夏季高于春秋季。受春季融冰等因素影响, 5月ρ (DO) 较低, 7月夏季受高温、降水和径流影响, 表层较高, 9月蓄水后表层ρ (DO) 减少。浮游植物夏季受降水径流和高日照影响呈峰值状态。7月受降水和径流影响透明度较低。
2.2 声学调查结果
2.2.1 鱼类声学回波及单体目标强度特征
不同季节鱼类回波特征见图4~图6。2012年7月鱼类回波密度较大, 回波信号分层分布, 主要集中于在0~5 m及5~15 m水层, 15 m以下有分散的单体回波信号 (图4) , 偶尔有鱼群回波 (图4中c回波) 。9月回波较7月分散, 10 m以下水层有带状回波, 中游区域偶尔出现鱼群, 底层也有鱼类回波 (图5) 。2013年5月整个水库单体回波信号较少, 鱼群回波较多, 主要分布在5~10 m水层, 集中在中游 (图6) 。
目标识别主要通过单体目标检测、不同鱼类的捕捞方式和渔获物水层分布的经验来判断。0~5 m层的TS较小 (-70~-58 d B) 、结合条 (Hemiculter leucisculus) 体长分布 (<15 cm) 和渔获水层经验可以判断表层主要以条和浮游动物为主。根据捕捞经验和回波数量占绝对优势的特点, 可以判定5~15 m水层鱼类主要以鲢、鳙为主。而较深水层回波多为鲤、鲫和草鱼等回波。图4中a和b的回波具有垂直均匀分布特征, 且目标强度基本相同, 根据经验判断为气泡。对于鱼群回波, 图4和图5中鱼群回波无法判定鱼种, 图6中鱼群回波根据调查中该类回波数量较大可以判别为鲢、鳙。
a~b.气泡;c.鱼群a~b.bubble;c.fish stock
a.H.leucisculus;b.H.molitrix and A.nobilis;c.fish stock;d.C.carpio or C.idellus
不同季节单体目标检测结果见图7。检测的数量, 7月数量最多、9月次之、5月受鱼类集群的影响检测数量最小。7月调查TS峰值主要集中在-66~-62 d B区域;9月调查TS主要集中分布在-64 d B附近;5月TS存在-54 d B、-48 d B和-42 d B 3个峰值。库区投放鲢、鳙鱼苗规格大于10 cm, 根据公式 (1) 小于-46 d B的单体目标为非鲢、鳙的其他小型鱼类等。因此, 在资源评估中该部分不计入资源量内。根据不同季节目标强度的频度能够反映出浮游动物数量夏季最多、秋季数量略为降低但规格增大、春季大幅度减少的特征。7月表层1~4 m为浮游动物的散射层。5~15 m水层浮游动物和鱼类混在一起。
2.2.2 鱼类资源密度和资源量
不同季节不同体长规格鱼类所对应的平均密度见图8。2012年7月上游鱼类密度较高, 9月体长大于20 cm规格鱼类下游密度高。2013年5月上、中、下游鱼类密度差异不大。因此, 5月鱼类在库区分布比较均匀;7月主要集中在较浅的上、中游, 下游分布较少;9月主要在较深的下游分布, 上、中游较少。资源量调查结果见图9。7月、9月和5月分别在4 634 t, 1 522 t和1 012 t左右。7月由于上游调查时间进入夜间、船上灯光的诱集效果以及浮游动物和小气泡等影响, 造成评估结果过大。5月由于鱼类以小型集群形式存在, 单体检测较少且航线短, 资源量评估偏小。9月水文环境垂直变动小, 鱼类呈单体分散状态, 较为适合单体目标检测和声学评估。调查结果与利用历年各龄鱼渔获尾数和最大年龄和最后一年的资源尾数的POPO (1972) 方法推算的资源量结果1 513 t基本一致[16]。
2.2.3 渔业资源的垂直分布
通过对不同水层的单体目标回波检测, 分析获得不同体长鱼类在不同季节的垂直分布特征, 分布频度特征见图10。5月鱼类主要集中在0~10 m水层;7月鱼类集中在5~15 m水层。体长小于50 cm的鱼类主要分布在0~15 m水层, 大于50 cm的鱼类主要分布在5~15 m水层;9月鱼类主要分布于10~20 m水层, 其中5~15 m水层较为集中, 0~5 m水层鱼类分布密度较5月和7月少, 而15 m以深水层鱼类密度较5月和7月大。
2.3 水文参数对鱼类垂直分布的影响
5月库区鱼类主要分布在0~10 m水层, 即温跃层以浅水层, 水温在6~12℃ (图2-a) ;7月主要集中在5~15 m的温跃层以浅水层, 相比于表层较高的水温, 鲢、鳙更适宜中层的水温16~21℃;9月主要分布在10~20 m附近水层, 表层的分布少, 9月水温垂直梯度变化不大 (18~21℃) 。与7月相比鱼类分布的水层范围进一步扩大 (图2-c) 。不同季节的DO、p H及叶绿素a质量浓度等对鲢、鳙的分布影响不明显, 受温度影响较大。
a.2013年5月;b.2012年7月;c.2012年9月a.May, 2013;b.July, 2012;c.September, 2012
3 讨论
该研究选取夏季、初秋和春末季节进行调查, 对应库区融冰对流结束 (5月) 、放水 (7月) 和储水 (9月) 的水体变化过程。结合各季节主要水文参数剖面和声学调查的水平及垂直鱼类目标空间分布结果, 可以获得鱼类在不同季节的行为变动规律[17,18,19]。该方法对研究北方冬季结冰型水库湖泊鱼类资源季节变动有较好的效果。
3.1 鱼类的垂直分布特征
对于鲢、鳙的垂直分布规律, 传统的捕捞经验一般认为鲢、鳙鱼类主要分布于10 m附近的水层且较大个体分布在相对较深的水层。该研究结果显示鲢、鳙主要集中在10~15 m之间的水层, 这与传统经验相吻合。而条 (Hemiculter leucisculus) 等小型鱼类主要分布在表层。鲤、鲫和草鱼的回波信号主要分布于上、中游两岸附近区域的底层, 在较深的下游区域回波信号较少 (图10) 。而库区其他经济鱼类, 如团头鲂 (Megalobrama amblycephala) 、翘嘴红鲌 (Erythroculter ilishaeformis) 、银鱼 (Hemisalanx prognathus) 等回波尚不能识别, 需要结合实际采样进行判别。另外, 图7中7月与5月的TS峰值相差近20 d B, 这可能是由于夏季捕捞强度大于冬季捕捞强度而造成。
3.2 声学调查季节的选择
秋季库区蓄水, 上游径流水的影响相对夏季少, 库区整体水文环境较稳定, 水温随深度增加变化不是明显, 声学调查结果显示, 整个库区鱼类回波呈均匀分散分布, 无集群现象。通过对比各季节库区水文和声学调查所得数据, 再结合放苗量、渔获物抽样对2012年2~5龄资源量推算所得的结果 (1 513 t, 未公开) , 秋季进行声学调查结果1 522t与渔获物抽样推算的资源量结果基本一致, 因此大伙房水库进行声学调查的最适季节为秋季。
3.3 库区声学调查与资源量评估
根据库区狭长的地形特点, 该研究声学调查采用“之”字型走航方法, 其优点是可以简单避开库区内设置的定置网箔。由于调查范围相对海洋调查较小, 航线的断面间隔也远小于一般海洋调查[8]。从调查结果看, 夏秋季节库区内的鲢、鳙基本分布较为密集和连续, 调查航线基本满足随机性和相邻航线的非相关性的声学采样要求, 能够较好地反映鱼类在库区内的水平和垂直分布。由于使用较小的快艇调查, 航行稳定性较差, 航迹线与设计航线相比存在偏差。但是考虑到夏秋季节鱼类较均匀分布的现状, 对资源量评估影响不大。
《渔业资源声学调查与评估》规范[8]要求配合网具的生物采样, 用于识别鱼种和确定体长分布。由于该研究中无法进行拖网采样, 参考定置网箔渔获数据进行鱼种分配。但网具的大规格鱼类选择性导致评估产生误差, 今后可以使用无选择性的三重刺网进行采样, 配合声学调查。大伙房鱼类种类较多, 约11种, 根据历年的生产, 鳙占52%以上, 因此资源评估模型按鳙的声学参数进行, 虽有一定的偏差, 但考虑到其他鱼类的体长范围较大规格鲢、鳙要小很多, 对较大个体鱼类资源量评估影响较小。
淡水鱼类的TS测量相对较少[10,11], 现在一般参考相近鱼类或者使用理论模型进行TS计算, 影响了声学资源评估的精度[4,5,6,7], 该文使用公式 (1) 进行其他鱼种和鲢、鳙幼鱼等的体长推算也尚不够严密, 还需要在今后的工作中对不同鱼种和体长的TS进行精密测量。另外, 一般水库会有植物淹没而产生的小气泡, 对声学调查会有一定的影响, 该研究通过连续垂直分布回波 (图4的a、b型回波) 的观测进行消除[20,21]。对于气泡的自动识别还需要在将来研究。图4和图6中的斜线规律回波为干涉噪声, 来自于小型船艇的部分材料共振, 在数据后处理中消除。
测量特征 篇6
随着Internet的发展,各种应用服务的出现,网络流量呈现出与以往不同的流量特性。通过对网络流量过程关键特性的准确描述和研究对网络性能管理、拥塞管理和设计高性能网络协议都有重要意义。而近来以BitTorrent为代表的对等网络(Peer-to-Peer Network,P2P)应用已经成为最流行的网络信息共享工具,测量与分析该网络的流量特性对于认识和提升对等网络的性能将是非常有意义的。本文对BitTorrent协议进行了分析,提出了一种基于应用层特征流量测量系统。
2 BitTorrent协议分析
一个完整的BitTorrent系统包括如下3个部分:
tracker服务器 用于和peers保持通信的服务器,搜集各个BitTorrent节点的信息,并为每个节点返回相应的节点信息列表,帮助节点互相发现对方。
peers 包括seeds和leechers,seeds指已经下载完文件的节点,只上传,不再下载;leechers指只下载了部分文件的节点,边下载边上传。
web服务器 用于信息的发布。
BitTorrent系统中存在如下两种通信协议:
(1) BitTorrent节点与tracker服务器通信协议
一个BitTorrent节点在下载过程中,会不断地与Tracker服务器进行通信,上传自己的信息,并获取其他BitTorrent节点的信息,这种通信是通过HTTP协议进行的。节点把状态信息放在HTTP协议的GET命令的参数中传递给tracker,收到节点请求后,tracker返回相应的节点信息列表。
(2) 节点之间的对等协议
对等协议控制BitTorrent节点之间的文件传输,它是基于TCP协议的。对等传输包含两个阶段:握手阶段和数据传送阶段。
在TCP连接建立后,发起连接节点A首先向B发送一个握手信息。握手信息格式及各字段含义如图1所示。
pstrlen:1字节,指Pstr的长度,即19。pstr:19字节,字符串“BitTorrent protocol”。reserved:8字节,留给扩展协议使用,一般都是0。info hash:20字节,元信息文件中的info值。peer id:20字节,发送方的peer id。
节点B收到握手信息后,回应自己的peer id,BitTorrent的会话即建立。经过握手后,两个节点之间就开始互相发送消息,进入数据传输阶段。
3 流量测量系统的实现
BitTorrent网络中主要的流量是节点与节点之间传送数据产生的流量,节点与tracker服务器之间的通信相对来讲可以忽略不计。因此本文主要针对peer与peer之间的流量进行测量研究。
3.1 流量测量系统的总体流程图
图2描述了流量测量系统的基础结构,它主要由以下几个部分组成:
数据采集模块 基于WinPcap技术捕获网络数据包。
协议识别模块 利用BT协议的特征,过滤出相应的BT流量。
统计分析模块 按照已设定的时间尺度,如间隔1 s,统计出每秒到达的BT流量的packet数和byte数。
3.2 数据采集模块
本系统采用WinPcap技术捕获网络数据包。WinPcap是由伯克利分组捕获库派生而来的分组捕获库,它是在Windows操作平台上来实现对底层包的截取过滤。WinPcap为用户级的数据包提供了Windows下的一个平台。WinPcap是BPF(Berkeley Packet Filter)模型和Libpcap函数库在 Windows平台下网络数据包捕获和网络状态分析的一种体系结构,这个体系结构是由一个内核级的数据包过滤器,一个底层动态链接库(Packet.dll)和一个高层,依赖于系统的库(Wpcap.dll)组成。Packet.dll是对这个BPF驱动程序进行访问的API接口,同时它有一套符合Libpcap接口(UNIX下的捕获函数库)的函数库。
WinPcap的结构图如图3所示。
底层的包捕获驱动程序实际为一个协议网络驱动程序,称为NPF(Netgroup Packet Filter),这部分内容非常依赖于系统,运行在操作系统内核中,能直接访问网络接口驱动,通过对 NDIS 中函数的调用为Windows系统提供一种类似于UNIX系统下Berkeley Packet Filter的捕获和发送原始数据包的能力。
Packet.dll为win32平台提供了一个公共的接口。不同版本的Windows系统都有自己的内核模块和用户层模块。Packet.dll用于解决这些不同。调用Packet.dll的程序可以运行在不同版本的Windows平台上,而无需重新编译。
第三个模块 Wpcap.dll是不依赖于操作系统的,它提供了更加高层、抽象的函数。
Packet.dll和Wpcap.dll:Packet.dll直接映射了内核的调用。Wpcap.dll提供了更加友好、功能更加强大的函数调用。WinPcap的优势提供了一套标准的抓包接口,与Libpcap兼容,可使得原来许多UNIX平台下的网络分析工具快速移植过来便于开发各种网络分析工具,充分考虑了各种性能和效率的优化,包括对于NPF内核层次上的过滤器支持,支持内核态的统计模式,提供了发送数据包的能力。
3.3 协议识别模块
通过BitTorrent对等协议的分析可以看出:BitTorrent节点之间的连接始终是以一个固定长度的握手消息开始的,因此提取如下特征值识别BitTorrent协议:
(1) TCP载荷的第一个字节是19(0x13)。
(2) 紧接着19个字节为字符串“BitTorrent protocol”
识别成功后,说明这个TCP连接上的流量是BitTorrent,记录能惟一认定这个连接的四元组信息到一个数据结构中:源IP、源端口、目的IP和目的端口。之后,再碰到这个四元组的报文将无需进行特征信息的识别,而直接可认定为BitTorrent流量。直到捕获到这个连接结束的标志。
在本系统中,采用红黑树算法识别BitTorrent数据流量,定义如图4所示结构体用于保存通过识别BitTorrent握手消息获得的源IP、源端口、目的IP及目的端口信息,并将该信息插入到红黑树上,后面收到TCP消息后根据源IP、源端口、目的IP及目的端口信息查找红黑树,如果找到,则证明该条消息是BitTorrent数据流量,识别过程如图5所示。
3.4 统计分析模块
该模块主要基于协议识别模块的基础上,实现对所识别BT流量的统计分析功能并通过表格或图形的方式显示统计结果。例如:
(1) 总体统计:统计采集时间段内的总流量、BT流量、总包数、BT包数量;
(2) BT包长度的统计:统计不同长度的BT包在采集时间段内的分布情况;
(3) 按照用户自定义的统计时间粒度统计不同时间段内的各项统计指标,例如总流量、BT流量、总包数、BT包数。
在实现基础的统计功能后,可根据基础统计结果进行二次统计以获得所需要的各项指标。统计算法如图6所示。
4 试验分析
为了验证测量方法的准确性,使用了端口映射法与本方法进行对比。端口映射法的测量过程如下:
(1) 采用目前比较流行的抓包工具Wiresharke捕获TCP 10447端口的数据包(10447为一BT Peer的默认监听端口)。
(2) 利用Wiresharke自带的功能对捕获的数据包进行统计。
测量方法:从校内某Tracker服务器上下载4个大小不同的文件,用两种方法测量两个BT节点下载完每个文件后的数据总量。
从表1可以看出,在局域网这个特定的环境中,两种方法的测量结果基本是一致的,这表明提取的BitTorrent特征值是准确的,可以惟一标识BitTorrent流量。
5 结 语
由于现在的BitTorrent都采用了动态端口技术,所以在实际的网络中采用端口映射法进行测量是不准确的。本文基于BitTorrent协议的特征提出了一种BT流量的测量系统,本系统的功能主要定位在BT流量的采集,为进一步分析BT的流量特征以及提出相应的网络流量模型起到了关键性作用。
参考文献
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测量特征 篇7
电磁辐射是变化的电场和变化的磁场相互作用而产生的一种能量流的辐射。高压输变电工程包括高压输电线路和变电站, 电压等级主要包括35~220k V的高压、330~750k V的超高压和1000k V级以上的特高压。运营期对环境的主要影响为工频电场强度、工频磁感应强度、环境噪声影响。当环境中电磁辐射水平达到一定程度时, 就会对周围的人和设施产生危害, 包括对人体及生物的热效应和非热效应、对用电设施或周围信号系统产生影响和干扰。世界卫生组织 (WHO) 和国际非电离辐射防护委员会 (ICNIRP) 在研究与各种形式的非电离辐射有关的公害及其处理有关非电离辐射保护问题方面做了大量工作[1]。而公众对环境中工频电场强度、工频磁感应强度的增加给环境的影响程度和对公众健康以及影响等日常生活产生的干扰情况十分关注。输电线路产生的工频电场强度与电压等级、导线形式、排列方式、对地高度等因素有关, 主要特点是在地面0~2m空间范围内, 近似均匀分布;场强最大值一般出现在边导线外附近, 随着与边导线之间距离的增加, 其电场强度迅速降低, 空间任意一点场强大小和方向随时间周期性变化。输电线路产生的工频磁感应强度与导线中电流大小和导线布置方式、导线对地高度等因素有关。主要特点是磁感应强度随用电负荷变化而变化;随着与输电线路之间距离的增加而强度迅速下降, 且比电场强度下降快。随天气条件变化而变化, 如交流高压输电线路雨天天气条件下场强最大, 随海拔高度变化而变化, 高度增加时干扰值亦增加。110k V输变电工程设施电磁辐射水平国家无相关标准限值, 根据我国有关单位的研究成果、送电线路设计规定和参考各国限值, 推荐暂以4k V/m作为居民区工频电场评价标准, 推荐应用国际辐射保护协会关于对公众全天辐射的工频限值0.1m T作为磁感应强度的评价标准。根据以上限值评价高压输变电工程设施运营期电磁辐射环境质量是否符合国家要求, 以减少对公众和环境影响。监测时必须注意选择具有代表性的合适点位布点监测, 注意监测中的质量控制。
变电站围墙外环境的电场强度水平主要取决于变电站带电构架的布置情况及其对地高度、与变电站围墙距离及围墙自身高度等因素, 围墙外的工频磁感应强度主要由架空线路产生。
1 电测辐射特征
输变电系统的基本电气设备主要有导线、变压器、开关设备、高压绝缘子等, 保护设备主要有互感器、继电保护装置、避雷器等, 在变电站还有电力电容器和电力电抗器等。我国电力系统的电源工作频率为50Hz, 根据 λ=u/f (式中u为光速, 取3x105km/s;f=50Hz;λ 为波长) , 则计算波长达6000km。当电磁系统的尺度和工作波长相当于该系统向空间发射电磁能量, 输变电设施的尺寸远小于这一波长, 构不成有效电磁能量发射, 周围电磁场彼此独立、没有联系。当电力设施带电, 沿导线到地面高度的空间范围内电位分布呈指数衰减分布, 在人体活动的地面高度, 以导线下方地面投影点原点沿垂直线路方向, 其电场强度按距离的倒数迅速衰减。电气设备运转时, 电流便在周围空间产生磁场, 磁感应强度随着与载流导体距离的增加而迅速衰减, 在变电站围墙外由变电设备产生的磁场水平已很低。变电站周围的工频电磁场最大值是由进站和出站的电力线所产生, 变电站内部的变压器、电抗器和电容器组等产生电磁场强度随距离增加迅速减小, 而变电站外电磁环境受进出线的影响很大, 变电站围墙外的电场水平主要由带电构架布置、对地距离、与围墙距离及围墙自身高度等决定。已有研究表明[1], 110k V户外布置式变电站, 较高的工频电场由高压架空进出线路产生, 在架空进线下方局部区域内, 最大值低于0.5k V/m, 较高的磁场同样由架空进线产生。
输电线路产生的工频电场强度与电压等级、导线形式、排列方式、对地高度等因素有关, 主要特点是距地面0~2m空间内近似均匀分布;场强最大值一般出现在边导线外不远处, 且随线路之间距离增加, 电场强度迅速降低;空间任意一点场强大小和方向随时间周期性变化, 输电线路产生的工频磁场强度与电流大小、布置方式、对地高度等因素有关, 主要特点是强度随用电负荷变化而变化;随着与输电线路距离增加, 强度快速下降, 且较电场相比下降更快;通常不会由于物体存在发生畸变。
2 电磁辐射监测
2.1 监测点位布设
根据文献[3]至[6], 高压输电线路的工频电磁场监测点位是在线路走廊两侧30m带状区域内布点监测, 在测试路径上分别以2nm处测量, 其中n=0, 1, 2, ...11 等正整数。对变电站的工频电磁场监测点位是在以变电站为中心半径500m的范围内布设。具体监测点位布设时, 送电线路的工频电磁场监测点位是以线路档距中央导线弛垂最大处的地面投影点为测试原点, 沿垂直于线路方向每间距5m布设一个监测点, 顺序测至边相导线地面投影点外30m处, 分别测量离地面1.5m高度处的电场强度垂直分量和磁感应强度垂直分量及水平分量。变电站的工频电磁场监测点位的测量选择在高压进出线处一测, 以围墙为起点, 测点间距为5m, 依次测至500m处为止, 分别测量离地面1.5m高度处的电场强度垂直分量和磁感应强度垂直分量及水平分量。
2.2 监量仪器和方法
测量工频电磁场时分别测量离地1.5m处的电场强度垂直分量、磁场强度垂直分量和水平分量。具体监测仪器和方法如表一所示。
3 监测结果
下面以目前最常见的110k V输变电工程监测为例, 具体监测结果如表二至表五所示。
从监测结果可知, 输变电工程设施附近的工频电磁场强度均满足国家相关标准和限值要求[4,5,6]。
4 影响测量结果的关键问题和质量保证措施探讨
4.1 关于监测点位布设
电磁辐射测量点位要选在人员经常活动的地方。变电站内测量点位应选在人员巡视走道、控制楼和其他电磁敏感点;测量高压设备附近工频电场和磁场时探头应分别距离设备外壳2.5m和1m远, 并在周围测出最大值。围墙外的电磁场强度测量应选在无进出线或远离进出线的围墙, 且距围墙间隔5m, 测至50m处。输电线路测量应选在导线档距中央弧垂最低位置横断面方向间隔5m, 测至50m处。以上测量间距主要考虑到电磁场的变化幅度, 测量距离主要考虑到工频电磁场的影响范围和程度。关于变电站和高压输电线路附近民房等敏感点的测量选点要考虑两个方面因素, 一是要选择附近群众对电磁辐射影响反映强烈和不理解的住户和居民点, 二是要选择属于环评范围[2]的居民点。具体测量点位应选在民房室内和室外, 寻找出最大测量值, 包括在阳台、屋顶平台等处布点测量。变电站围墙外和高压输电线路衰减断面测量应分别以围墙外电场和磁场测量最大值为起点, 在垂直围墙方向和线路导线档距中央弧垂最低位置横断面方向测量, 相邻两点距离5m为宜, 测至50m处, 以判断工频电磁场强度随着距离增加而衰减的情况。同时注意被测量电场的均匀性, 因为测量仪器是在均匀电场中校准的, 在不均匀电场测量会引起一定测量误差。
因而测点附近应无高大建筑、树木、杂物存在, 以免引起测点电场畸变和测量范围以外的可能受影响的大型军用设施。输电线路附近工频电磁场强度随离地高度的增加先增大, 后减小, 因此若监测范围内存在高层居民住宅或高层办公楼等环境敏感点, 应监测输变电设施在不同高度的电磁场强度, 以便更加全面准确评价环境影响是否超过标准限值, 不宜只预测距地1.5m处电磁场强度值。
4.2 关于工频电磁场强度测量问题及质量保证措施
室外测量需在晴天进行, 环境湿度应在80%以下, 以避免通过仪器支架泄漏电流。要防止测量时仪器电极倾斜, 只有当场强仪表两电极分界面与被测电场垂直时才能正确显示被测场强值, 所以测量时要使仪器电极不得倾斜, 并调整测量电极方向, 使场强指示最大值, 测量仪器若非全向探头的应改变探头方向以寻找空间矢量的方向;测量人员尽量远离测量电极, 当操作人员靠近测量电极时场强表数值会发生明显变化, 操作人员一般应远离电极2m以上, 实验证明人对仪器的影响可忽略不计。测量时附近的磁性材料或导电物体对测量结果影响较大, 它们离测点的距离要大于该磁性材料或导电物体最大尺寸的3 倍以上, 具体距离应视测点情况进行试验。
4.3 关于测量值和理论计算值之间误差的探讨
往往测量值和理论计算值有较大误差, 其原因是多方面的, 如输电线路的电磁场强度值与电压等级、线路中电流强度大小、线路布置方式、导线对地高度等, 变电站带电设施的布设位置、变电站围墙与带电设施的距离等等。经常会出现的问题是监测时导线电流强度不是计算时所用的最大电流强度参数, 以及变电站由于设施电磁辐射的相互影响, 很难理论计算站界处的电磁辐射影响程度, 因此, 这都可能导致与理论计算值与实际测量值的较大偏差。我们主张在新建项目环境影响评价时对输电线路的电磁辐射环境影响既应进行理论电磁辐射影响计算又应进行类比测量, 并对数据进行对比讨论, 选取最大电磁辐射有关数据作为环境影响参数是十分必要的。对于变电站电磁辐环境影响要合理选择类比对象进行测量, 用类比对象测量数据代替新建项目建成后对周围环境的电磁辐射影响, 类比对象选择必须注意低压等级、站内实施布设的一致性、围墙与站内设施距离大体相同等可比性条件。当理论计算值或者类比测量值比较接近有关限值时, 必须慎重处理对待, 反复对数据进行测量验证, 确保环境安全。
5 结束语
高压输变电工程对环境的主要影响是工频电场强度、工频磁感应强度对环境的影响, 测量时必须严格按照国家有关规范布点和测量。注意测量值和理论计算在误差太大时的类比验证工作。目前国内不同电压等级的输变电工程在严格按照设计规范设计和施工, 其对环境的电磁辐射影响基本能够满足国家相关标准和限值。
摘要：本文针对高压输变电工程环境主要影响因子工频电磁场的测量和测量中关键问题进行了探讨, 提供了110k V输变电工程设施环境电磁辐射监测结果, 对高压输变电工程电磁辐射环境监测及其管理具有参考价值。
关键词：高压输变电工程,测量,工频电场强度,工频磁感应强度,环境影响
参考文献
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