數(shù)字攝像能見度儀的能見度算法設(shè)計及實現(xiàn)*

常 峰 ，陳曉婷 ，肖明霞 ，2，蔣薇薇

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 計算機與信息學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.北方民族大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021）

能見度分為白天能見度 （Meteorolog ical Visibility by Day）和 夜 間 能 見 度 （MeteorologicalVisibility 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(biāo)物的最大水平距離[1]。由于它表征了大氣透明度[2]，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運輸安全以及民航部門都有著重要的意義。傳統(tǒng)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(xiàn)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(jié)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(dāng)時技術(shù)水平的限制，這種方法并未得到實際應(yīng)用[6]。隨著科技發(fā)展，陸續(xù)有人提出利用數(shù)字相機來測量能見度，但并沒有對結(jié)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(shù)字攝像能見度儀的基本思路和構(gòu)架[8]，KWON T M等人利用攝像機完成能見度的計算[9]。數(shù)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(fā)展。

已有的研究結(jié)果[4，8－11]具有重要的引導(dǎo)作用，本文采用CCD數(shù)字攝像機獲取圖像信息，設(shè)計并實現(xiàn)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(xiàn)有的雙亮度差法進行改進，使其有更大的適用環(huán)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(xiàn)，操作簡單。在實驗中與前向散射儀和大氣透射儀的監(jiān)測結(jié)果進行比較，得到了良好的觀測結(jié)果，符合國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的誤差要求。

1 能見度測量算法

能見度又稱為可見度，在氣象學(xué)中，能見度被定義為大氣透明度，因此同一空氣下能見度在白天和夜晚是一樣的，其高低通常由空氣中的懸浮物（如顆粒物、細微水珠等）的多少來決定。當(dāng)一束光線穿過含有氣溶膠顆粒物的氣體層時，在顆粒物和氣體的散射和吸收作用下，入射光線強度會隨著穿過氣層厚度的增加而逐漸衰減。 根據(jù) Beer－Lambert[12]定律，入射光的消光量-dF（x，λ）（包括光的散射和吸收）與垂直穿過氣體薄層微元厚度dx成正比，數(shù)學(xué)表達為微分方程式：

其中，b（x，λ）為穿過厚度的消光系數(shù)，單位為 m－1；λ 為入射光的波長，單位為μm；x為氣體層厚度，單位為 m；F（x，λ）為光束在 x處的光強度，單位為 W/m2。

光束穿過X厚度氣體層的消光量與入射光強度F0（x）之比稱為視覺對比度C（x），即為一定入射光強下的消光率，表達式為[8]：

當(dāng)穿過厚度為V的氣體層，視覺對比度達到正?？梢曃矬w的最低限值稱為視覺閾值對比度C。若不考慮入射光波長影響，推導(dǎo)可得[5]：

式 （3）被稱為 Koschmieder公式[12]（簡稱為 K氏公式）。其中，V稱為視距，即為能見度；σ為消光系數(shù)。可見，當(dāng)視覺閾值對比度為常數(shù)時，能見度V與消光系數(shù)σ一一對應(yīng)，因此常用消光系數(shù)σ代表能見度水平。在大氣學(xué)科中，常取 C=0.02[13]用于日常觀測，則式（3）轉(zhuǎn)化為：

根據(jù)式（4）可知，只要求得消光系數(shù)，就能得到能見度數(shù)值。本文針對白天能見度和夜間能見度分別設(shè)計使用雙亮度差法和雙光源法。本文能見度實現(xiàn)測量原理如圖1所示。

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(jīng)過不同光程的散射產(chǎn)生的氣柱亮度，從而對能見度進行求解。設(shè)目標(biāo)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]：

圖1 能見度測量原理框圖

求得消光系數(shù)σ為：

將式（6）帶入式（4），得到計算日間能見度的公式為：

工程實現(xiàn)上會采取使用黑體對應(yīng)水平位置或最近水平距離位置的天空亮度作為當(dāng)前的氣柱亮度。但在某些情況下，因地面反射特性不均勻（如地表植被覆蓋比例不同或地面高度起伏不平等）等因素，引起氣柱照明條件不均勻，從而造成測量誤差。本文使用背景信息進行重構(gòu)來減小誤差。

首先要對數(shù)字攝像機得到的圖像進行分割，以得到所需要的背景信息。一般使用天空背景亮度作為無窮遠處氣柱亮度，即將天空區(qū)域分割出來作為背景信息。將太陽看作一個輻射體，對天空亮度（圖像中表現(xiàn)為灰度信息）按太陽輻射方向進行擬合，并對未知區(qū)域的信息進行預(yù)測。由于數(shù)字攝像機位置固定，當(dāng)太陽距離拍攝范圍很遠時，可視太陽位置為無窮遠，而拍攝彩圖范圍內(nèi)的太陽光線都是平行的，因此求出太陽高度角，按照該方向來進行黑體對于區(qū)域天空信息的擬合和重構(gòu)。其計算公式為[14]：

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?？汕蟮煤隗w對應(yīng)區(qū)域的天空亮度信息，即黑體對應(yīng)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(zhǔn)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(guī)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(wěn)定性無法保證，使得無法準(zhǔn)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(jīng)過不同長度氣柱衰減之后的目標(biāo)光源視亮度，獲得大氣消光系數(shù)，從而計算大氣能見度。

設(shè)兩個目標(biāo)光源真實亮度為B0，經(jīng)過長度為L1和L2距離的衰減之后，變成視亮度 B′1、B′2[9]：

其中，BL1、BL2分別表示距離為 L1、L2的氣柱亮度。 由黑體與光源距離探測器距離相等，黑體亮度即為光源氣柱亮度[11]：

由式（9）和式（10）可求得消光系數(shù) σ[9]：

將式（6）帶入式（11），得到計算夜間能見度的公式：

2 實驗結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

本文實驗于中科院合肥物質(zhì)研究院樓頂進行，使用CCD攝像機作為圖像獲取來源。日間能見度實驗和夜間能見度實驗現(xiàn)場分別如圖2和圖3所示。

圖2 日間能見度實驗現(xiàn)場

圖3 夜間能見度實驗現(xiàn)場

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(zhǔn)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(dǎo)黑體對于無窮遠處天空信息作為當(dāng)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(zhǔn)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(fā)出，經(jīng)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(biāo)準(zhǔn)集進行結(jié)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(xù)實驗，每分鐘拍攝圖片一次，并將本文算法與前向散射儀結(jié)果進行對比，結(jié)果如圖4所示。

圖4 能見度實驗結(jié)果對比

根據(jù)實驗結(jié)果可知，由天空信息重建得到了很好的實驗結(jié)果，本文算法結(jié)果與前向散射儀測量結(jié)果相關(guān)系數(shù)為0.981 2，均方根相對偏差[5]為5.21%。即本文算法結(jié)果與前向散射儀結(jié)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(guī)定的能見度數(shù)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(xù)數(shù)據(jù)采集，并同時與大氣透射儀和前向散射儀進行能見度結(jié)果對比，結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 2012年12月23日能見度對比

圖6 2012年12月24日能見度對比

將本文算法結(jié)果分別與前向散射儀和大氣透射儀結(jié)果進行均方根相對偏差和相關(guān)系數(shù)[7]比較，結(jié)果如表1和表2所示。

表1 與前向散射儀結(jié)果對比

表2 與大氣透射儀結(jié)果對比

由實驗結(jié)果可以看到，本文算法結(jié)果與大氣透射儀結(jié)果相關(guān)系數(shù)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(jié)果在分布上與大氣透射儀更為接近，但是與前向散射儀結(jié)果偏差更小。本文算法與兩個儀器的測量結(jié)果比較，相關(guān)系數(shù)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(biāo)準(zhǔn)之外，其他各點都滿足國際標(biāo)準(zhǔn)要求[15]。

從整體實驗結(jié)果來看，本文設(shè)計的數(shù)字能見度算法在實際應(yīng)用中的實測結(jié)果相對誤差小于20%，達到標(biāo)準(zhǔn)能見度儀器的規(guī)定誤差要求[15]，可以作為日常能見度觀測使用。

本文設(shè)計了數(shù)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(xiàn)，并在實際使用中取得了良好的的實驗結(jié)果。本文算法具有操作簡單、比傳統(tǒng)能見度觀測儀器成本低的特點。后續(xù)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(shè)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(xiàn)工作。

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