基于數(shù)字?jǐn)z像的測量觀測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

雷 鳴, 孫玫玲, 聶 凱, 劉旭林*

1. 天津市氣象信息中心，天津 300074 2. 北京市氣象探測中心，北京 100089 3. 天津市氣象服務(wù)中心，天津 300074

引 言

能見度作為氣象觀測的要素之一，隨著在交通、 航空和環(huán)境監(jiān)測中的廣泛應(yīng)用，已經(jīng)發(fā)揮越來越重要的作用[1]，尤其是近年來霧霾天氣的增加，導(dǎo)致低能見度天氣下交通事故的發(fā)生，給人民和國家?guī)聿豢晒懒康膿p失和影響。 而目前，國內(nèi)外能見度的觀測方式仍然以目測為主，但這種方式主觀性較強(qiáng)，規(guī)范性差，且難以實(shí)時(shí)性獲得數(shù)據(jù)。

當(dāng)前，透過儀器測量大氣能見度的方法主要有透射法和散射法，分別代表這兩個(gè)方向的儀器有透射儀和散射儀。 前者觀測精度高，適合中低能見度天氣，缺點(diǎn)是過于依賴基線的長度，且在雨、 霧等低能見度天氣時(shí)，會(huì)因水汽吸收等復(fù)雜條件造成較大誤差。 散射儀的優(yōu)點(diǎn)是安裝方便、 測量范圍廣，缺點(diǎn)是精度較低，觀測結(jié)果波動(dòng)起伏較大[2]。

隨著科學(xué)技術(shù)和CCD數(shù)字?jǐn)z像技術(shù)的不斷發(fā)展[3-4]，科研人員將CCD數(shù)字?jǐn)z像技術(shù)開始應(yīng)用于大氣能見度的觀測當(dāng)中[5-6]。 這種觀測方式能夠避免傳統(tǒng)觀測的缺點(diǎn)，同時(shí)接近人眼的觀測模式，并且完全符合能見度觀測的定義。

1949年，Steffens最先利用照相法測量能見度，但因?yàn)槔媚z片照相，較難定量化分析，導(dǎo)致并未實(shí)際應(yīng)用。 1999年，在我國首先由中國科學(xué)院周秀驥院士提出了利用數(shù)字?jǐn)z像能見度儀(digital photography visiometer system，DPVS)的觀測思想和構(gòu)架[7]，而后美國也在同年開始了DPVS觀測儀的研制[8]。 周凱等透過自動(dòng)提取道路深色區(qū)域，利用暗原色先驗(yàn)理論獲得大氣透射率進(jìn)而計(jì)算出能見度，但其視程距離僅在200 m左右進(jìn)行研究，適用范圍較小[9]。 戴龐達(dá)等基于曲線演化理論，針對夜間觀測光源圖像，將對能見度的反演轉(zhuǎn)化為零水平集曲線演化過程對時(shí)間變量趨于無窮大時(shí)的數(shù)據(jù)求取，該方法能夠較好地對夜間能見度進(jìn)行觀測，但在高能見度時(shí)測量精度會(huì)下降[10]。 陳曉婷等設(shè)計(jì)一種新的白天能見度算法，將數(shù)字?jǐn)z像機(jī)獲取的彩色圖像分割后留下背景天空區(qū)域，對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行天空信息重建，通過估計(jì)透射率計(jì)算能見度值。 該方法不需要架設(shè)目標(biāo)物，但計(jì)算量很大，且對環(huán)境的適應(yīng)能力較差，而目標(biāo)物區(qū)域的正確設(shè)置，又需要消耗較長的時(shí)間[11]。 陸天舒等基于全視野數(shù)字圖像，通過多項(xiàng)式擬合方法建立離散樣本數(shù)據(jù)集中大氣透射率與對應(yīng)時(shí)刻大氣能見度的關(guān)系模型[12]，估算能見度，該方法在環(huán)境光照均勻時(shí)效果較好，但是實(shí)際環(huán)境很難滿足這一條件，且研究僅處于圖片離線分析當(dāng)中，尚無法實(shí)時(shí)觀測。

雖然關(guān)于能見度的觀測算法很多，但是卻鮮有晝夜連續(xù)觀測的系統(tǒng)，本文設(shè)計(jì)了一套完整的晝夜觀測系統(tǒng)。 該方法能夠較好地克服觀測誤差，獲得較好的觀測效果。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

整個(gè)觀測系統(tǒng)共分為兩部分： 室內(nèi)和室外，室內(nèi)主要是服務(wù)器等運(yùn)行軟件和數(shù)據(jù)處理的設(shè)備，室外主要是攝像機(jī)(若需控制攝像機(jī)的轉(zhuǎn)向則還配有云臺)、 黑體、 光源，以及電源、 數(shù)據(jù)傳輸和光源亮度控制系統(tǒng)、 光強(qiáng)檢測系統(tǒng)等，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 觀測系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of observation system

圖2 觀測系統(tǒng)現(xiàn)場圖Fig.2 The field diagram of observation system

其中，黑體和光源成對放置，便于后續(xù)的系統(tǒng)計(jì)算，也便于晝夜的連續(xù)觀測，兩對目標(biāo)物的實(shí)際觀測距離分別為： 15和50 m。 系統(tǒng)實(shí)物(無云臺)如圖2所示。

2 算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

設(shè)相機(jī)到目標(biāo)物的距離分別為L1和L2，目標(biāo)物的視亮度分別為Bt1和Bt2，兩目標(biāo)物的真亮度分別為Bt10和Bt20，目標(biāo)物到相機(jī)之間的空氣柱亮度為I01和I02，目標(biāo)物對應(yīng)的天空背景視亮度分別為Bg1和Bg2，目標(biāo)物對應(yīng)的天空背景真亮度分別為Bg10和Bg20，則兩個(gè)目標(biāo)物的視亮度可由式(1)和式(2)計(jì)算[13]。

Bt1=Bt10e-σL1+I01

(1)

Bg1=Bg10e-σL1+I01

(2)

式(1)和式(2)相減，可得

Bg1-Bt1=(Bg10-Bt10)e-σL1

兩邊取對數(shù)，整理則有

σL1=ln(Bg10-Bt10)-ln(Bg1-Bt1)

(3)

同理，根據(jù)第二目標(biāo)物黑體，可以求得

σL2=ln(Bg20-Bt20)-ln(Bg2-Bt2)

(4)

將式(3)和式(4)相減，整理則可求得

(5)

考慮到黑體的真亮度均為零，即Bt20=Bt10=0。 同時(shí)，這里假設(shè)天空背景是均勻的，即Bg1=Bg2，Bg10=Bg20。 將以上諸多條件代入式(5)，并整理則有

(6)

根據(jù)消光系數(shù)和能見度的關(guān)系有[14-15]

(7)

將式(6)代入式(7)中，即可獲得如式(8)能見度觀測計(jì)算公式

(8)

式(8)中，各變量均為已知，其中Bt1，Bt2，Bg1和Bg2可直接由觀測圖片獲取。

(9)

當(dāng)白天模式需要進(jìn)行標(biāo)定的時(shí)候，選取高能見度觀測值(能見度由其他探測儀器觀測而得)，假設(shè)V=15 000 m，代入式(9)即可獲得系統(tǒng)的修正因子α值。 從而能見度即可根據(jù)式(9)計(jì)算獲得。

當(dāng)為夜間觀測模式時(shí)，設(shè)光源1和光源2的真亮度分別為Bt10和Bt20，其視亮度分別為Bt1和Bt2，光源到相機(jī)之間的空氣柱亮度為BL1和BL2，黑體1(即光源1的天空背景)的真亮度為Bb10，黑體2(即光源2的天空背景)的真亮度為Bb20，黑體的視亮度分別為Bb1和Bb2，則兩個(gè)光源的視亮度可由如下式計(jì)算

Bt1=Bt10e-σL1+BL1

Bt2=Bt20e-σL2+BL2

由于同組目標(biāo)物距離相機(jī)的距離相同，且黑體均按標(biāo)準(zhǔn)黑體制作，其真亮度約等于0。 所以，有BL1=Bb1，BL2=Bb2。 同理，根據(jù)式(7)，可以獲得夜間能見度觀測公式如式(10)

(10)

3 系統(tǒng)架設(shè)及數(shù)據(jù)處理

為了測試算法的有效性，實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)選取在中國氣象局北京南郊觀測場，對比數(shù)據(jù)選取自觀測場提供的標(biāo)準(zhǔn)能見度儀觀測數(shù)據(jù)。 考慮成像清晰度和基線長度對能見度精度的影響，設(shè)定目標(biāo)物與相機(jī)之間的距離分別為15和50 m(實(shí)際距離略有偏差)，針對天空空曠、 存在部分遮擋和存在遮擋三種情況，分別架設(shè)了3臺觀測儀器，拍攝到的視頻畫面如圖3所示。

系統(tǒng)采集的圖像均為灰度圖，白天畫面亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)范圍設(shè)置在[180，220](滿量程為[0，255])，夜間觀測模式時(shí)，系統(tǒng)曝光量設(shè)為30 000。 觀測系統(tǒng)每間隔1 min測量一次，采樣時(shí)間間隔為50 ms，每次測量50張圖片平均，從而消弱異常數(shù)據(jù)的干擾。 以存在部分遮擋的觀測系統(tǒng)為例(其他系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)相似，不再贅述)，其采樣數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖3 各系統(tǒng)的觀測視頻畫面Fig.3 Observation video of each system

圖4 觀測系統(tǒng)晝夜數(shù)據(jù)采集樣例Fig.4 The example of day and night data acquisition of observation system

其中，圖4中左上角標(biāo)記了觀測系統(tǒng)采集到的詳細(xì)觀測信息，位于上方區(qū)域的方框?yàn)槟繕?biāo)黑體采集區(qū)(兩個(gè)疊放在一起的長方體，上面的是黑體，下面的則是光源)，位于下方區(qū)域的方框?yàn)槟繕?biāo)光源采集區(qū)，最頂部的方框?yàn)樘炜毡尘暗牟杉瘏^(qū)。

4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果討論

為進(jìn)一步測試算法的觀測性能，選擇連續(xù)觀測時(shí)間為7月11日到7月14日以便更好地測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 同時(shí)，為了測試系統(tǒng)的適應(yīng)能力，也特別選擇臨近時(shí)間不同等級下的空氣質(zhì)量天氣，數(shù)據(jù)時(shí)間均為完整的1 d，時(shí)間間隔為1 min，數(shù)據(jù)上限統(tǒng)一設(shè)為15 000 m，并選擇標(biāo)準(zhǔn)能見度儀： 大氣透射儀(LT31)和前向散射儀(PWD22)測量結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)對比分析。 相對應(yīng)的天氣情況，見表1。

為進(jìn)一步分析本文算法的觀測性能，以三組數(shù)據(jù)的均值為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)。 這樣的優(yōu)點(diǎn)是對每一臺觀測儀器都是公平的，使得不同觀測方法的觀測值在標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)中所占的比重是相同的。 則分別計(jì)算各觀測數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的誤差情況如表2所示。

圖5 能見度觀測對比曲線圖(a)： 2月12日； (b)： 2月18日； (c)： 4月02日； (d)： 5月05日； (e)： 7月11日； (f)： 7月12日； (g)： 7月13日； (h)： 7月14日Fig.5 Contrast curve of visibility observation(a)： February 12; (b)： February 18; (c)： April 02; (d)： May 05; (e)： July 11; (f)： July 12; (g)： July 13; (h)： July 14

表1 觀測的天氣狀況Table 1 Observed weather conditions

表2 觀測誤差Table 2 Observation error

各觀測數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)和均方根相對偏差比較結(jié)果，如表3所示。

表3 相關(guān)系數(shù)和均方根相對偏差比較Table 3 Comparison of correlation coefficient androot mean square relative deviation

由圖5可以看到本文算法具有較寬的觀測范圍，能夠滿足大范圍觀測的需要，且與兩種標(biāo)準(zhǔn)能見度儀的觀測結(jié)果吻合度較高。 在各種天氣狀況下，本文算法均能夠正常的有效觀測。 無論是在能見度變化較快或者較為緩慢的情況下，均能夠進(jìn)行良好的觀測。

由表2可以看到，DPVS、 透射儀和散射儀三種觀測數(shù)據(jù)均是整體呈現(xiàn)隨著能見度增大，觀測誤差也逐漸增大的現(xiàn)象，而本文算法在低能見度時(shí)觀測誤差較大，其余范圍能見度的觀測，誤差相對穩(wěn)定，甚至略優(yōu)于其他兩種儀器的觀測結(jié)果。 這是因?yàn)镈PVS算法觀測的基線長度(40 m)遠(yuǎn)比透射儀的更大，因而具有較好的觀測穩(wěn)定性，而散射儀的觀測是以較小的采樣空間去估算能見度，所以隨著距離的增加，誤差自然會(huì)逐漸增大。 而DPVS算法之所以低能見度時(shí)觀測誤差較大，可能的原因是低能見度造成圖像邊界特征不明顯，在進(jìn)行目標(biāo)物定位采樣的時(shí)候，會(huì)造成一定程度的誤差，導(dǎo)致系統(tǒng)定位偏離正確采樣位置，從而造成采集到的目標(biāo)物亮度值異常，進(jìn)而使能見度計(jì)算誤差增大，而通常情況下，近目標(biāo)物因?yàn)榫嚯x較近比較清晰，不容易出現(xiàn)偏離，偏離較常出現(xiàn)在遠(yuǎn)目標(biāo)物上，而這樣的偏離往往會(huì)導(dǎo)致所采集到的目標(biāo)物亮度值出現(xiàn)偏高的情況，由式(8)，可以清楚的看到，這會(huì)導(dǎo)致分母數(shù)值增大，從而造成最終觀測能見度的計(jì)算結(jié)果偏低。 而DPVS相對誤差是小于零的結(jié)果，也證明了這一點(diǎn)。 但是隨著能見度的增加，圖像邊界特征較為明顯，更容易定位和采樣，誤差隨之降低。

由表3可以看到，三種觀測模式的相關(guān)性都比較高，且較為接近，數(shù)據(jù)偏差的程度也比較相近。 而本文算法出現(xiàn)的最大相對誤差為-14.11%。 世界氣象組織MOR規(guī)定： 能見度儀在滿量程范圍內(nèi)，其最大相對誤差小于20%，即認(rèn)為是達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的能見度儀，可以投入實(shí)際觀測使用。 本文算法符合觀測標(biāo)準(zhǔn)，能夠投入使用。

5 結(jié) 論

設(shè)計(jì)了一套基于視頻攝像技術(shù)的能見度觀測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠較好地進(jìn)行大范圍晝夜連續(xù)觀測，觀測結(jié)果較為穩(wěn)定，且安裝簡便，僅需架設(shè)一對觀測目標(biāo)物即可進(jìn)行觀測，其觀測精度與透射儀和散射儀等標(biāo)準(zhǔn)能見度儀觀測結(jié)果相當(dāng)，并能夠適應(yīng)各種復(fù)雜天氣條件下的觀測，但觀測成本卻大大降低，具有較好的應(yīng)用價(jià)值和市場前景。 目前，系統(tǒng)存在的問題，主要集中在目標(biāo)物邊界的準(zhǔn)確定位上，這在低能見度下會(huì)影響系統(tǒng)的觀測精度，以后將會(huì)在這方面做進(jìn)一步的研究，提升系統(tǒng)目標(biāo)物的定位算法性能，使系統(tǒng)在低能見度時(shí)，依然能夠有良好的表現(xiàn)。