摘  要: 針對(duì)傳統(tǒng)能見(jiàn)度儀的不足,在已有的研究結(jié)果上,設(shè)計(jì)了數(shù)字?jǐn)z像能見(jiàn)度儀的能見(jiàn)度算法,其中白天能見(jiàn)度采用雙亮度差法,并作出改進(jìn)使其有更大的適用環(huán)境;夜間能見(jiàn)度采用雙光源法。整套算法通過(guò)CCD攝像機(jī)、圖像采集卡和計(jì)算機(jī)平臺(tái)得到實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明,該算法能夠解決在氣柱分布不均勻的情況下能見(jiàn)度無(wú)法準(zhǔn)確觀測(cè)的問(wèn)題,提高了現(xiàn)有能見(jiàn)度的觀測(cè)范圍。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果和前向散射儀及大氣透射儀測(cè)量結(jié)果進(jìn)行相關(guān)性對(duì)比,得到了較好的一致性,誤差范圍在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的誤差要求之內(nèi)。

關(guān)鍵詞: 數(shù)字?jǐn)z像能見(jiàn)度儀;白天能見(jiàn)度;夜間能見(jiàn)度

　能見(jiàn)度分為白天能見(jiàn)度(Meteorolog ical Visibility by Day)和夜間能見(jiàn)度(Meteor ological Visibility by Night),通常意義下的能見(jiàn)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(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸安全以及民航部門都有著重要的意義。傳統(tǒng)的能見(jiàn)度測(cè)量方法分為人工目測(cè)法和儀器測(cè)量法[3]。人工目測(cè)法同時(shí)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(jiàn)的能見(jiàn)度儀器有透射儀、散射儀和激光能見(jiàn)度測(cè)量?jī)x,這些能見(jiàn)度儀器不易維護(hù)。前兩種儀器使用較為廣泛,但價(jià)格偏高,易受到雨雪和沙塵天氣影響。激光能見(jiàn)度測(cè)量?jī)x測(cè)量結(jié)果相對(duì)客觀,但價(jià)格十分昂貴,難以大范圍使用[2-5]。
　20世紀(jì)40年代,STEFFENS C用照像法來(lái)測(cè)量能見(jiàn)度,由于當(dāng)時(shí)技術(shù)水平的限制,這種方法并未得到實(shí)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(jī)來(lái)測(cè)量能見(jiàn)度,但并沒(méi)有對(duì)結(jié)果的可靠性進(jìn)行嚴(yán)格驗(yàn)證[7]。1999年,中科院院士周秀驥先生提出了數(shù)字?jǐn)z像能見(jiàn)度儀的基本思路和構(gòu)架[8],KWON T M等人利用攝像機(jī)完成能見(jiàn)度的計(jì)算[9]。數(shù)字?jǐn)z像能見(jiàn)度儀因其低成本、易操作、易維護(hù)及高精度的特點(diǎn)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?jǐn)z像機(jī)獲取圖像信息,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了能見(jiàn)度計(jì)算。其中,白天能見(jiàn)度采用雙亮度差方法計(jì)算,夜間采用雙光源方法計(jì)算,并對(duì)現(xiàn)有的雙亮度差法進(jìn)行改進(jìn),使其有更大的適用環(huán)境。整套算法通過(guò)CCD攝像機(jī)、圖像采集卡和計(jì)算機(jī)平臺(tái)得到實(shí)現(xiàn),操作簡(jiǎn)單。在實(shí)驗(yàn)中與前向散射儀和大氣透射儀的監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較,得到了良好的觀測(cè)結(jié)果,符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的誤差要求。

1.1 雙亮度差法計(jì)算白天能見(jiàn)度[8,12-13]
　雙亮度差法即通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)真實(shí)亮度為零的黑體經(jīng)過(guò)不同光程的散射產(chǎn)生的氣柱亮度,從而對(duì)能見(jiàn)度進(jìn)行求解。設(shè)目標(biāo)物黑體真實(shí)亮度為0,無(wú)窮遠(yuǎn)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(yáng)赤緯,t表示時(shí)角?？汕蟮煤隗w對(duì)應(yīng)區(qū)域的天空亮度信息,即黑體對(duì)應(yīng)無(wú)窮遠(yuǎn)處的氣柱亮度。這種算法可有效修正與探測(cè)器距離L1和L2上的氣柱亮度,進(jìn)而修正能見(jiàn)度值,減小由于無(wú)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(shí)引起測(cè)量誤差超過(guò)規(guī)定范圍的情況。
1.2 雙光源法計(jì)算夜間能見(jiàn)度
　在計(jì)算夜間能見(jiàn)度的過(guò)程中,入射光強(qiáng)度F0(x)通常不容易求得,且光源穩(wěn)定性無(wú)法保證,使得無(wú)法準(zhǔn)確地直接測(cè)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(jìn)行能見(jiàn)度的測(cè)量。
雙光源法是指通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)真實(shí)亮度相同、經(jīng)過(guò)不同長(zhǎng)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(jì)算大氣能見(jiàn)度。

　圖2的拍攝時(shí)間為北京時(shí)間2012年9月5日上午9:05,攝像機(jī)鏡頭方向朝向東方,兩個(gè)黑體與攝像機(jī)的距離L1和L2分別為8 m和32 m。白色方框表示的是兩個(gè)黑體的位置。為保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性,兩個(gè)黑體保持同樣的水平高度。在圖片拍攝時(shí)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(lái)推導(dǎo)黑體對(duì)于無(wú)窮遠(yuǎn)處天空信息作為當(dāng)前時(shí)刻氣柱亮度。
　圖3的拍攝時(shí)間為北京時(shí)間2012年9月5日凌晨5:02,攝像機(jī)鏡頭方向朝向西方,兩個(gè)黑體與攝像機(jī)的距離L1和L2分別為15 m和50 m。白色方框表示的是兩個(gè)黑體的位置,兩個(gè)灰白色圓形為光源。為保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性,兩個(gè)黑體和光源保持同樣的水平高度,兩個(gè)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(gè)光源最大程度上的強(qiáng)度相同。
　使用前向散射儀作為標(biāo)準(zhǔn)集進(jìn)行結(jié)果比較。前向散射儀與攝像機(jī)朝向同一方向。在2012年9月5日凌晨0:00至夜間23:59進(jìn)行連續(xù)實(shí)驗(yàn),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(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如圖4所示。
根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,由天空信息重建得到了很好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,本文算法結(jié)果與前向散射儀測(cè)量結(jié)果相關(guān)系數(shù)為0.981 2,均方根相對(duì)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(cè)量范圍為2 000 m~      5 000 m時(shí),可以得到滿足WMO規(guī)定的能見(jiàn)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(jìn)行連續(xù)數(shù)據(jù)采集,并同時(shí)與大氣透射儀和前向散射儀進(jìn)行能見(jiàn)度結(jié)果對(duì)比,結(jié)果如圖5、圖6所示。

　由實(shí)驗(yàn)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(duì)偏差更小。即本文算法測(cè)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(gè)儀器的測(cè)量結(jié)果比較,相關(guān)系數(shù)都達(dá)到8.5以上,除個(gè)別點(diǎn)因?yàn)樘幱诎滋炫c夜晚的交互期平均誤差超過(guò)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)之外,其他各點(diǎn)都滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)要求[15]。
　從整體實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,本文設(shè)計(jì)的數(shù)字能見(jiàn)度算法在實(shí)際應(yīng)用中的實(shí)測(cè)結(jié)果相對(duì)誤差小于20%,達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)能見(jiàn)度儀器的規(guī)定誤差要求[15],可以作為日常能見(jiàn)度觀測(cè)使用。
本文設(shè)計(jì)了數(shù)字?jǐn)z像能見(jiàn)度儀的能見(jiàn)度算法。整套算法通過(guò)CCD攝像機(jī)、圖像采集卡和計(jì)算機(jī)平臺(tái)得到實(shí)現(xiàn),并在實(shí)際使用中取得了良好的的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。本文算法具有操作簡(jiǎn)單、比傳統(tǒng)能見(jiàn)度觀測(cè)儀器成本低的特點(diǎn)。后續(xù)需要解決的問(wèn)題如下:
　(1)CCD攝像機(jī)本身有暗電流和噪音,會(huì)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(kāi)展整體方案在嵌入式上的實(shí)現(xiàn)工作。
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