摘 要: 針對傳統能見度儀的不足,在已有的研究結果上,設計了數字攝像能見度儀的能見度算法,其中白天能見度采用雙亮度差法,并作出改進使其有更大的適用環境;夜間能見度采用雙光源法。整套算法通過CCD攝像機、圖像采集卡和計算機平臺得到實現。實驗結果證明,該算法能夠解決在氣柱分布不均勻的情況下能見度無法準確觀測的問題,提高了現有能見度的觀測范圍。將實驗結果和前向散射儀及大氣透射儀測量結果進行相關性對比,得到了較好的一致性,誤差范圍在國際標準的誤差要求之內。
關鍵詞: 數字攝像能見度儀;白天能見度;夜間能見度
能見度分為白天能見度(Meteorolog ical Visibility by Day)和夜間能見度(Meteor ological Visibility by Night),通常意義下的能見度是指視力正常的人能夠從背景中看到和分辨出目標物的最大水平距離[1]。由于它表征了大氣透明度[2],對農業生產、交通運輸安全以及民航部門都有著重要的意義。傳統的能見度測量方法分為人工目測法和儀器測量法[3]。人工目測法同時受客觀因素和主觀因素的影響,往往出現較大誤差[2]。常見的能見度儀器有透射儀、散射儀和激光能見度測量儀,這些能見度儀器不易維護。前兩種儀器使用較為廣泛,但價格偏高,易受到雨雪和沙塵天氣影響。激光能見度測量儀測量結果相對客觀,但價格十分昂貴,難以大范圍使用[2-5]。
20世紀40年代,STEFFENS C用照像法來測量能見度,由于當時技術水平的限制,這種方法并未得到實際應用[6]。隨著科技發展,陸續有人提出利用數字相機來測量能見度,但并沒有對結果的可靠性進行嚴格驗證[7]。1999年,中科院院士周秀驥先生提出了數字攝像能見度儀的基本思路和構架[8],KWON T M等人利用攝像機完成能見度的計算[9]。數字攝像能見度儀因其低成本、易操作、易維護及高精度的特點得到了迅速發展。
已有的研究結果[4,8-11]具有重要的引導作用,本文采用CCD數字攝像機獲取圖像信息,設計并實現了能見度計算。其中,白天能見度采用雙亮度差方法計算,夜間采用雙光源方法計算,并對現有的雙亮度差法進行改進,使其有更大的適用環境。整套算法通過CCD攝像機、圖像采集卡和計算機平臺得到實現,操作簡單。在實驗中與前向散射儀和大氣透射儀的監測結果進行比較,得到了良好的觀測結果,符合國際標準規定的誤差要求。
1.1 雙亮度差法計算白天能見度[8,12-13]
雙亮度差法即通過測量兩個真實亮度為零的黑體經過不同光程的散射產生的氣柱亮度,從而對能見度進行求解。設目標物黑體真實亮度為0,無窮遠處氣柱亮度為B背景,則L1與L2距離上的氣柱亮度分別為[8]:
其中,h表示高度角,Φ表示地理緯度,σ表示太陽赤緯,t表示時角。可求得黑體對應區域的天空亮度信息,即黑體對應無窮遠處的氣柱亮度。這種算法可有效修正與探測器距離L1和L2上的氣柱亮度,進而修正能見度值,減小由于無法準確獲取氣柱亮度而造成的誤差。該算法適用于存在遮擋且氣柱分布不均勻時引起測量誤差超過規定范圍的情況。
1.2 雙光源法計算夜間能見度
在計算夜間能見度的過程中,入射光強度F0(x)通常不容易求得,且光源穩定性無法保證,使得無法準確地直接測量光源亮度。本文采用雙光源法,不需要求解F0(x),也可以正常進行能見度的測量。
雙光源法是指通過測量兩個真實亮度相同、經過不同長度氣柱衰減之后的目標光源視亮度,獲得大氣消光系數,從而計算大氣能見度。
圖2的拍攝時間為北京時間2012年9月5日上午9:05,攝像機鏡頭方向朝向東方,兩個黑體與攝像機的距離L1和L2分別為8 m和32 m。白色方框表示的是兩個黑體的位置。為保證實驗的準確性,兩個黑體保持同樣的水平高度。在圖片拍攝時刻,黑體背后存在遮擋物,且圖片右上方亮度明顯比左上方要大,因此由天空信息重建來推導黑體對于無窮遠處天空信息作為當前時刻氣柱亮度。
圖3的拍攝時間為北京時間2012年9月5日凌晨5:02,攝像機鏡頭方向朝向西方,兩個黑體與攝像機的距離L1和L2分別為15 m和50 m。白色方框表示的是兩個黑體的位置,兩個灰白色圓形為光源。為保證實驗的準確性,兩個黑體和光源保持同樣的水平高度,兩個光源的光為同一光源發出,經光纖和分光器后送入由中科院自行研制的積分球,用以保證兩個光源最大程度上的強度相同。
使用前向散射儀作為標準集進行結果比較。前向散射儀與攝像機朝向同一方向。在2012年9月5日凌晨0:00至夜間23:59進行連續實驗,每分鐘拍攝圖片一次,并將本文算法與前向散射儀結果進行對比,結果如圖4所示。
根據實驗結果可知,由天空信息重建得到了很好的實驗結果,本文算法結果與前向散射儀測量結果相關系數為0.981 2,均方根相對偏差[5]為5.21%。即本文算法結果與前向散射儀結果相近,算法測量范圍為2 000 m~ 5 000 m時,可以得到滿足WMO規定的能見度數值[15]。
2012年12月23日~24日使用整套裝置在北京南郊進行連續數據采集,并同時與大氣透射儀和前向散射儀進行能見度結果對比,結果如圖5、圖6所示。
由實驗結果可以看到,本文算法結果與大氣透射儀結果相關系數更大,與前向散射儀均方根相對偏差更小。即本文算法測試結果在分布上與大氣透射儀更為接近,但是與前向散射儀結果偏差更小。本文算法與兩個儀器的測量結果比較,相關系數都達到8.5以上,除個別點因為處于白天與夜晚的交互期平均誤差超過國際標準之外,其他各點都滿足國際標準要求[15]。
從整體實驗結果來看,本文設計的數字能見度算法在實際應用中的實測結果相對誤差小于20%,達到標準能見度儀器的規定誤差要求[15],可以作為日常能見度觀測使用。
本文設計了數字攝像能見度儀的能見度算法。整套算法通過CCD攝像機、圖像采集卡和計算機平臺得到實現,并在實際使用中取得了良好的的實驗結果。本文算法具有操作簡單、比傳統能見度觀測儀器成本低的特點。后續需要解決的問題如下:
(1)CCD攝像機本身有暗電流和噪音,會影響圖像信息。如何在有效保留所需圖像信息的情況下去除這種影響值得探討;
(2)考慮到設備的小型化、便攜化和高效性,后期可以開展整體方案在嵌入式上的實現工作。
參考文獻
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