能见度测量系统及方法

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能见度测量系统及方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及环境测量技术领域，特别涉及一种能见度测量系统及方法，利用该系统能够通过数字摄像装置直接拍摄选定目标物的图像，然后将拍摄到的图像输入到图像处理单元对所拍摄的图像进行分析处理和计算，从而得到综合的能见度值。\n背景技术\n[0002] 大气能见度是反映大气透明度的一个指标。一般定义为具有正常视力的人在当时的天气条件下还能够看清楚目标轮廓的最大地面水平距离。能见度是一个对航空、航海、陆上交通以及军事活动等都有重要影响的气象要素。\n[0003] 影响能见度的因素主要有大气透明度、灯光强度和视觉感阈。大气能见度和当时的天气情况密切相关。当出现降雨、雾、霾、沙尘暴等天气过程时，大气透明度较低，因此能见度较差。\n[0004] 在气象学中，能见度用气象光学视程表示。气象光学视程是指白炽灯发出色温为\n2700K的平行光束的光通量，在大气中削弱至初始值的5％所通过的路径长度。白天能见度是指视力正常(对比感阈为0.05)的人，在当时天气条件下，能够从天空背景中看到和辨认的目标物(黑色、大小适度)的最大水平距离。实际上也是气象光学视程。夜间能见度是指：(1)假定总体照明增加到正常白天水平，适当大小的黑色目标物能被看到和辨认出的最大水平距离。(2)中等强度的发光体能被看到和识别的最大水平距离。\n[0005] 测量大气能见度一般可用目测的方法，也可以使用大气透射仪、激光能见度自动测量仪等测量仪器测量。目前，能见度的观测大都还是以人工目测为主，规范性、客观性相对较差。大气透射仪是通过光束透过两固定点之间的大气柱直接测量气柱透射率，以此来推算能见度的值，这种方法要求光束通过足够长的大气柱，测量的可靠性受光源及其他硬件系统工作稳定性的影响，一般只适用于中等以下能见度的观测，而在雨、雾等低能见度天气，会因水汽吸收等复杂条件造成较大误差。而激光能见度自动测量仪是通过激光测量大气消光系数的方法来推算能见度，相对而言，较为客观和准确，但这种仪器成本昂贵、维护费用高、操作复杂，而且，在雨、雾天也难以进行正常观测，因而难以推广。\n[0006] 为了解决上述能见度测量中的问题而提出的数字摄像法自动测量能见度的仪器系统，通过数字化摄像机直接拍摄选定目标物及其背景的图像，然后将采集到的图像传输到计算机，通过对所获取的图像进行分析处理，获取能见度的数值。\n发明内容\n[0007] 本发明是为解决现有技术中的上述问题而提出的，其目的在于提供一种能见度测量系统，在外界光照较强时因采集图像模糊而引起的目标背景亮度比值偏高的情况下，能够利用摄像条件参数对目标背景亮度比值进行补偿修正，解决能见度测量值偏低的问题，从而实现实时、准确的能见度测量。\n[0008] 根据本发明的一方面，提供了一种能见度测量系统，其包括：数字摄像装置，包括镜头和与所述镜头连接的CCD摄像机，用于拍摄选定的位于不同位置的第一目标物和第二目标物的图像，将所拍摄的图像输入到图像处理单元，其中所述第一目标物与所述数字摄像装置间的距离，小于所述第二目标物与所述数字摄像装置间的距离，并且输出拍摄各目标物时的镜头的光圈大小；图像处理单元，对输入的所述图像分别进行处理，取得各图像的目标背景亮度比Bt/Bg，并且，接收来自所述数字摄像装置的光圈大小A，根据时钟取得各图像的摄像时刻H，将所述目标背景亮度比Bt/Bg、光圈大小A、摄像时刻H作为摄像条件参数，其中Bt为所述图像中目标物的灰度值，Bg为所述图像中背景天空的灰度值；补偿参数获取单元，利用数据映射表获得与所述图像处理单元输出的第二目标物的三个摄像条件参数相对应的Bt/Bg补偿值，其中，所述数据映射表中保存有多组所述三个摄像条件参数与Bt/Bg补偿值之间的映射关系；能见度计算单元，利用由所述补偿参数获取单元取得的Bt/Bg补偿值，计算出该摄像时刻的能见度值。\n[0009] 优选地，所述数据映射表存储在与所述图像处理单元连接的数据应射表存储单元、或者所述补偿参数获取单元中。\n[0010] 根据本发明的另一方面，提供了一种能见度测量方法，利用上述的能见度测量系统进行能见度测量，该方法包括摄像步骤，通过所述数字摄像装置拍摄选定的位于不同位置的第一目标物和第二目标物的图像，将所拍摄的图像输入到所述图像处理单元，其中所述第一目标物与所述数字摄像装置间的距离，小于所述第二目标物与所述数字摄像装置间的距离，并且输出拍摄各目标物时的镜头的光圈大小；图像处理步骤，对输入的所述图像分别进行处理，取得各图像的目标背景亮度比Bt/Bg，并且，接收来自所述数字摄像装置的光圈大小A，根据时钟取得各图像的摄像时刻H，将所述目标背景亮度比Bt/Bg、光圈大小A、摄像时刻H作为摄像条件参数，其中Bt为所述图像中目标物的灰度值，Bg为所述图像中背景天空的灰度值；补偿参数获取步骤，利用数据映射表获得与所述图像处理单元输出的第二目标物的三个摄像条件参数相对应的Bt/Bg补偿值，其中，所述数据映射表中保存有多组所述三个摄像条件参数与Bt/Bg补偿值之间的映射关系；能见度计算步骤，利用在所述补偿参数获取步骤取得的Bt/Bg补偿值，计算出该摄像时刻的能见度值。\n[0011] 本发明通过采用以上的技术方案，解决了现有技术的数字能见度测量系统在外界光照较强时，会出现采集到的图像模糊失真现象，引起目标背景亮度比值偏高，导致测量值不准确的问题。此外，系统的结构简单，操作方便，能够实现实时、准确的能见度测量。\n附图说明\n[0012] 图1是表示本发明涉及的能见度测量系统100的结构图。\n[0013] 图2是表示本发明涉及的能见度测量系统100的测量过程的流程图。\n[0014] 图3是表示本发明涉及的能见度测量系统200所拍摄的目标物的照片。\n具体实施方式\n[0015] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的最佳实施方式作进一步详细描述。\n[0016] 图1是表示本发明涉及的能见度测量系统100的结构图。参照图1，能见度测量系统100包括数字摄像装置110、图像处理单元120、补偿值获取单元130、数据映射表存储单元131、以及能见度计算单元140。数字摄像装置110包含有镜头和与该镜头连接的CCD摄像机，能够直接拍摄选定的位于不同位置的目标物m1和m2的图像，其中目标物m1到数字摄像装置110的距离小于目标物m2到数字摄像装置110的距离，并且将所拍摄的图像、拍摄上述图像时镜头的光圈大小A输入到图像处理单元120。图像处理单元120对上述目标物m1和m2的图像分别进行分析处理，获取作为摄像条件参数之一的目标背景亮度比Bt/Bg，并且根据能见度测量系统100内部的时钟取得拍摄上述图像的摄像时刻H。上述的目标背景亮度比Bt/Bg、光圈大小A和摄像时刻H构成本发明涉及的能见度测量系统100的三个摄像条件参数。其中，Bt为图像中目标物的灰度值，Bg为图像中背景天空的灰度值。补偿参数获取单元130能够根据上述三个摄像条件参数，并参照存储在数据映射表存储单元\n131中的数据映射表，取得与该次摄像相对应的Bt/Bg补偿值，其中，上述数据映射表中存储了不同摄像时刻的多组的三个摄像条件参数与对应的Bt/Bg补偿值之间的映射关系。能见度计算单元140利用由补偿参数获取单元130取得的Bt/Bg补偿值、各目标物到摄像机的距离参数、某一摄像时刻的目标背景亮度比Bt/Bg，计算出该摄摄时刻的能见度值。\n[0017] 在本实施方式中，在数据映射表存储单元131中存储了数据映射表，但是，本领域技术人员可以知道，也可以不单独设置数据映射表存储单元131，而是将数据映射表在补偿参数获取单元130或者其它存储单元中。\n[0018] 图2是表示本发明涉及的能见度测量系统100的测量过程的流程图。\n[0019] 如图2所示，能见度测量系统100开始测量工作之后，在步骤S210，数字摄像装置\n110拍摄目标物m1和m2的图像，并将所拍摄的图像、镜头的光圈大小输入到图像处理单元\n120。\n[0020] 在步骤S220，图像处理单元120对输入的所述图像分别进行分析处理，获取上述图像的目标背景亮度比Bt/Bg。并且，根据能见度测量系统100中的时钟取得拍摄目标物的摄像时刻H。根据本发明的能见度测量系统的测量原理，目标物和背景天空的亮度是用图像的灰度值表示，其中Bt为图像处理单元220获取的图像中目标物的灰度值，Bg为该图像中背景天空的灰度值。\n[0021] 接着，步骤S230，补偿参数获取单元130向数据映射表存储单元130发送作为拍摄第二个目标物m2时的摄像条件参数的目标背景亮度比Bt/Bg、光圈大小和摄像时刻，并且从数据映射表存储单元130取得在数据映射表中同该第二个目标物m2的三个摄像条件参数相对应的Bt2/Bg2补偿值。\n[0022] 表1示出数据映射表131的部分数据构成例，其中ε为Bt2/Bg2补偿值。该数据映射表也可以采用其他的映射方式，只要能使作为摄像条件参数的目标背景亮度比Bt/Bg、光圈大小及摄像时刻同Bt2/Bg2补偿值相对应起来即可，在本发明中不限定该数据映射表的具体构成形式。\n[0023] 表1：\n[0024] \n[0025] 之后，在步骤S240，能见度计算单元140根据上述步骤得到的目标物m1和m2各自的目标背景亮度比Bt/Bg和目标物m2的Bt/Bg补偿值，利用能见度计算公式计算出最终的能见度值。能见度计算公式如下所示：\n[0026] 公式1：\n[0027] \n[0028] 其中，Bt1/Bg1和Bt2/Bg2分别为选定目标物m1和m2的目标背景亮度对比，ε为对于目标物m2在上述步骤S230中由补偿参数获取单元234得到的Bt/Bg补偿值，Dis1和Dis2分别为目标物m1和m2到摄像机的距离，且Dis1＜Dis2，a1和a2分别为目标物m1和目标物m2的固有目标背景亮度比，V为计算得到的能见度值(单位：米)。\n[0029] 下面，将根据本实施方式的表1中的数据射表和其它相关数据计算能见度值V。在此，设目标物m1距摄像机的距离Dis1为30米、目标物m2距摄像机的距离Dis2为800米，且目标物m1和m2均为黑体，则a1、a2均为0。\n[0030] 下面的表2是将根据表1得到的Bt/Bg补偿值ε和上述摄像参数代入上述的能见度计算公式1计算得到目标物的能见度值V。PWD20能见度值是利用在观测现场安装的vaisala公司制作的PWD20型能见度仪同步测量的观测能见度数据。从下表2中可以看到，使用本实施方式计算出的能见度值V与PWD20能见度值差别很小。\n[0031] 表2：\n[0032] \n \n[0033] 至此，已经对根据本发明的一个实施方式的能见度测量系统及其能见度测量过程进行了详细的描述。\n[0034] 如上所述，根据本发明的能见度测量系统具有以下优点：\n[0035] (1)针对因外界光照较强产生的拍摄图像模糊失真，采用三个摄像条件参数对拍摄图像的目标背景亮度比值进行补偿修正，从而改善了因图像模糊失真引起的测量偏低，提高了能见度测量值的准确度。\n[0036] 具体地，使用本发明的能见度测量系统和现有技术的能见度测量系统分别与vaisala能见度仪PWD20测量结果的相对标准差分析见表3，与FD12能见度仪测量结果的相对标准差分析见表4。相对标准差计算公式为：\n[0037] 公式2：\n[0038] \n[0039] 其中，X为分别使用根据本发明的能见度测量系统和现有技术的能见度测量系统获得的能见度测量值，Z为使用vaisala能见度仪PWD20测量到的能见度测量值，N为样本个数。\n[0040] 表3：\n[0041] \n 使用现有技术的 使用本发明系统 使用本发明系统的\n 能见度范围 系统获得的相对 的样本个数(个) 相对标准差(％)\n 标准差(％)\n V＜2km 31.0 176 17.6\n 2km≤V≤5km 62.3 1488 19.5\n 5km≤V≤10km 65.9 1807 22.7\n 10km≤V≤20km 27.0 3726 13.7\n 平均 46.6 18.4\n[0042] 表4\n[0043] \n 使用现有技术的 使用本发明系统 使用本发明系统的\n 能见度范围 系统获得的相对 的样本个数(个) 相对标准差(％)\n 标准差(％)\n V＜2km 42.1 116 11.5\n 2km≤V≤5km 59.3 692 17.8\n 5km≤V≤10km 67.5 1628 21.7\n 10km＜V＜20km 45.1 1122 23.1\n V≥20km 3.2 2262 2.1\n 平均 43.4 15.2\n[0044] (2)系统的结构简单、构造成本低廉，而且使用方便。\n[0045] 在本说明书中所谈到的“一个实施例”、“另一个实施例”、“第一/第二/第三实施例”等，指的是结合该实施例描述的具体特征、结构或者特点包括在本申请概括性描述的至少一个实施例中。在说明书中任何地方出现这种表述不是一定都指的是该同一个实施例。\n进一步，结合任一实施例描述一个具体特征、结构或者特点时，所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、结构或者特点，落在本领域技术人员的范围内。\n[0046] 尽管参照本发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开、附图和权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变型和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。