圖像法快速測量色斑直徑和雨滴直徑

盧俊輝，楊志紅，鄭先科

（江漢大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430056）

圖像法快速測量色斑直徑和雨滴直徑

盧俊輝，楊志紅，鄭先科

（江漢大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430056）

采用圖像法處理濾紙色斑測量雨滴直徑。應(yīng)用距離變換生成分水嶺，以分水嶺對濾紙色斑進(jìn)行分割，獲取濾紙上色斑面積，計(jì)算色斑等效直徑 D，率定自然雨滴直徑 d=1.1～4.1 mm，與色斑直徑關(guān)系d=0.356 1×D0.7233。圖像法不受色斑毛刺影響，色斑等效直徑測量準(zhǔn)確，工作效率高。

圖像處理；雨滴直徑；色斑直徑

0 引言

雨滴譜的觀測方法比較多，包括雷達(dá)觀測法［1］、雨滴譜儀觀測法［2］、濾紙色斑法［3］等，濾紙色斑法原理明確、設(shè)備簡單。

濾紙色斑法是基于雨滴在濾紙上形成的色斑面積與雨滴的體積成正比的假設(shè)。大量試驗(yàn)分析表明，色斑直徑與雨滴直徑具有冪函數(shù)關(guān)系：

式中：D為色斑直徑，K和n分別為系數(shù)和指數(shù)，K、D和n與濾紙的種類有關(guān)。

測量濾紙色斑直徑，以往采用質(zhì)量法或圖形描繪法。質(zhì)量法是將雨滴色斑描繪在透明的硫酸紙上，在電子天平上稱出帶有色斑紙的質(zhì)量，與單位紙的質(zhì)量對比，計(jì)算出色斑直徑。圖形描繪法是采用autocad、CorelDraw等繪圖軟件描繪出色斑圖案，并用該軟件直接計(jì)算出單個(gè)色斑直徑［4-5］。但是，雨滴在濾紙上形成的色斑帶有形狀不規(guī)則的毛刺，色斑面積測量結(jié)果存在較大的誤差，測量工作相當(dāng)復(fù)雜。

筆者采用Matlab圖像法［6］，根據(jù)色斑位置對濾紙色斑圖像進(jìn)行分割，獲取每個(gè)色斑圖像面積，色斑本身的毛刺也包含在內(nèi)，通過色斑面積計(jì)算色斑直徑。圖像處理法直接檢測色斑像素，色斑直徑測量精度好、工作效率高。

1 色斑形成

1.1 色斑材料

濾紙選用直徑15 cm定性中速濾紙，涂料選用曙紅水溶性染料和滑石粉的混合粉末，其質(zhì)量比為1∶8，使用前將混合粉末薄薄地均勻涂在濾紙上，當(dāng)雨滴落在濾紙上時(shí)，留下永久性的近似圓形色斑。

1.2 滴定針頭

滴定針頭選用不銹鋼點(diǎn)膠針頭，同時(shí)采用了水滴細(xì)分方法獲得更小的水滴直徑［7］，點(diǎn)膠針頭編號、針頭內(nèi)徑及產(chǎn)生的水滴直徑見表1，其中26a～26l是對26號點(diǎn)膠針頭的細(xì)分編號。

表1 點(diǎn)膠針頭編號及水滴直徑dTab.1 Tube number and waterdrop diameterd

1.3 水滴色斑

為了獲得近似自然雨滴所形成的色斑，點(diǎn)膠針頭安裝在高度12 m的平臺上，用濾紙承接點(diǎn)膠針頭形成一系列直徑的水滴，獲得對應(yīng)的色斑，所形成的色斑與實(shí)際雨滴所形成的色斑近似，共得到25張帶有色斑的濾紙，所對應(yīng)的水滴直徑為1.1～4.1 mm。其中圖1（a）為直徑3.5 mm水滴從12 m高度落下形成的色斑，圖1（b）為自然雨滴形成的色斑。

圖1 水滴色斑和雨滴色斑Fig.1 Waterdrop stain and raindrop stain

2 圖像方法獲取色斑直徑

圖像法測量色斑直徑的過程，以圖1（a）中直徑3.5 mm水滴色斑直徑測量為例詳細(xì)說明。

2.1 色斑預(yù)處理

利用掃描儀以1∶1的比例掃描濾紙色斑，將濾紙圖像統(tǒng)一調(diào)整為500×500像素，刪除殘缺和重疊的色斑，適當(dāng)調(diào)整圖像的對比度和飽和度，預(yù)處理后的濾紙色斑見圖2（a）。

2.2 色斑二值化

因?yàn)V紙上粉末涂抹不均勻，導(dǎo)致色斑顏色不均勻。為了準(zhǔn)確獲取色斑圖像，采用二值化增強(qiáng)色斑顏色，色斑圖像二值化見圖2（b），色斑不均勻得到改善。

圖2 水滴色斑及其二值圖Fig.2 Waterdrop stain and its binary image

2.3 色斑形態(tài)學(xué)處理

有些色斑二值圖像存在缺陷，采用圖像學(xué)進(jìn)行膨脹運(yùn)算重構(gòu)色斑，并對色斑進(jìn)行腐蝕開、閉運(yùn)算，色斑開運(yùn)算后見圖3（a），色斑閉運(yùn)算后見圖3（b），消除色斑存在的缺陷，生成了完整的實(shí)心色斑。

圖3 二值圖開運(yùn)算、閉運(yùn)算Fig.3 Open operation and close operation of binary image

2.4 色斑距離變換和分水嶺形成

根據(jù)色斑位置對圖像進(jìn)行分割，需要找出色斑中心。色斑中心通過距離變換實(shí)現(xiàn)，距離變換結(jié)果如圖4（a），顏色越深，代表該像素越靠近色斑中心，根據(jù)色斑中心生成了8個(gè)圓盤，見圖4（b），其距離局部最小區(qū)域見圖4（c），再根據(jù)區(qū)域劃分在圖像內(nèi)部形成分水嶺見圖4（d）。

圖4 二值圖距離變換和分水嶺Fig.4 Distance transformation and watershed of binary image

2.5 色斑分割

以分水嶺為邊界對色斑二值圖進(jìn)行分割，將圖3（b）水滴色斑圖分割為8個(gè)區(qū)域，同時(shí)右上角2個(gè)粘連的水滴色斑被分割，8個(gè)色斑的像素值采用1～8進(jìn)行標(biāo)記，見圖5（a）。按照同樣方法將圖1（b）雨滴色斑圖分為44個(gè)區(qū)域，有部分粘連的色斑也被分割，即有44個(gè)雨滴，44個(gè)色斑的像素值采用1～44進(jìn)行標(biāo)記，見圖5（b）。

2.6 色斑直徑

通過像素標(biāo)記，計(jì)算出分割的8個(gè)水滴色斑面積，色斑平均直徑29.3 mm。雨滴色斑最大直徑30.8 mm，雨滴色斑最小直徑28.1 mm。

圖5 水滴色斑和雨滴色斑分割Fig.5 Image segmentation of waterdrop and raindrop

3 雨滴色斑直徑識別

3.1 雨滴直徑與色斑等效直徑關(guān)系

按照上述步驟，對直徑d=1.1～4.1 mm水滴形成的色斑進(jìn)行了圖像處理，分別獲得色斑對應(yīng)的平均直徑D=4.6～29.3 mm，見表2。對表2水滴直徑和色斑直徑進(jìn)行指數(shù)擬合，擬合關(guān)系見式（2），與文獻(xiàn)［3，8-10］的擬合關(guān)系對比見圖6，擬合關(guān)系效果很好。

表2 水滴直徑d和色斑直徑DTab.2 Waterdrop diameterdand stain diameterD /mm

圖6 色斑直徑和雨滴直徑擬合Fig.6 Image fitting of stain diameter and raindrop diameter

3.2 雨滴色斑直徑識別

將圖5（b）所測量的色斑直徑代入式（2），計(jì)算出圖5（b）中的最大雨滴直徑為d=4.2 mm，最小雨滴直徑d=0.4 mm，符合自然雨滴直徑范圍。

4 結(jié)語

采用點(diǎn)膠針頭，以12 m高度落下水滴形成的色斑為基準(zhǔn)，采用圖像處理法測量濾紙色斑直徑，率定了水滴直徑d=1.1～4.1 mm與其色斑直徑的關(guān)系，并對自然雨滴色斑進(jìn)行了測量，圖像法不受色斑毛刺影響，色斑直徑測量準(zhǔn)確，工作效率高。

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［1］趙振維，吳振森，沈廣德.利用雨滴尺寸分布數(shù)據(jù)確定雷達(dá)測雨參數(shù)［J］.電子學(xué)報(bào)，2000，28（3）：109-111.

［2］LOFFLER-MANG M，JOSS J.An optical disdrometer for measuring size and velocity of hydrometeors［J］.Atmos and Oceanic Technology，2000，17（2）：130-139.

［3］舒若杰，高建恩，吳普特，等.基于計(jì)算機(jī)繪圖軟件的雨滴譜測定新方法［J］.中國水土保持科學(xué)，2006，4（3）：65-69.

［4］李紅，任志遠(yuǎn)，湯躍，等.噴頭噴灑雨滴粒徑測試的改進(jìn)研究［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2005，36（10）：50-53.

［5］廖煒，衛(wèi)苗苗，黃煜煜.采用濾紙色斑法對雨滴直徑的研究［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)：交通科學(xué)與工程版，2008，32（6）：1165-1168.

［6］岡薩雷斯.數(shù)字圖像處理的MATLAB實(shí)現(xiàn)［M］.阮秋琦，譯.北京：清華大學(xué)出版社，2013.

［7］盧俊輝.用于液滴細(xì)分的同軸雙孔針頭、裝置及方法［P］.CN：201410428273.6，2014-08-27.

［8］徐向舟，張紅武，朱明東.雨滴粒徑的測量方法及其改進(jìn)研究［J］.中國水土保持，2004（2）：22-24.

［9］竇葆璋，周佩華.雨滴的觀測和計(jì)算方法［J］.水土保持通報(bào)，1982，2（1）：44-47.

［10］陳振宇，葉全民，趙美香，等.噴霧霧滴濾紙率定法研究初探［J］.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1996，16（4）：422-425.

（責(zé)任編輯：陳 曠）

Measuring of Stain Diameter and Raindrop Diameter with Image Processing Method

LU Junhui，YANG Zhihong，ZHENG Xianke
（School of Physics and Information Engineering，Jianghan University，Wuhan 430056，Hubei，China）

Mainly introduces a kind of measuring methods for raindrop size.On the basis of the theory of distance transformation and image segmentation，the raindrop can be mapped to stain pixel，and its diameter is calculated easily.According to the experiments，the relation between the raindrop diameter（d）and the stain diameter（D）is d=0.356 1×D0.7233.This image processing method is highly accurate and efficient because it is not affected by splash burr.

image processing；raindrop diameter；stain diameter

P426.62；TP391.41

A

1673-0143（2015）02-0116-05

10.16389/j.cnki.cn42-1737/n.2015.02.004

2015-01-05

武漢市青年晨光計(jì)劃資助項(xiàng)目（2013071004010470）

盧俊輝（1974—），男，副教授，博士，研究方向：環(huán)境感知和環(huán)境識別。