雙亮差法測量能見度的改進(jìn)研究

麻 鍇,姚國友,孔詩媛,李廣智,姜方達(dá)

(吉林省氣象探測保障中心,吉林 長春 130062)

0 引言

數(shù)字?jǐn)z像法是新興的能見度觀測方法。目前,這種方法因數(shù)字信號處理和數(shù)字照相機(jī)技術(shù)的發(fā)展而被深入研究[1]。謝興生等于20 世紀(jì)90 年代初開展了此項(xiàng)研究,并將研究成果稱為數(shù)字?jǐn)z像測量能見度系統(tǒng)(digital photography visibility system,DPVS)。該研究搭建了DPVS,闡述了利用理想黑體作為目標(biāo)物,并在已知拍照距離的情況下,以目標(biāo)物灰度與背景灰度的對比度計(jì)算能見度的算法。呂偉濤、陶善昌等根據(jù)DPVS 的缺點(diǎn),提出利用地平線附近兩個不同距離的目標(biāo)物及其對應(yīng)水平天空背景亮度差的比值計(jì)算白天氣象能見度的方法,簡稱雙亮度差法。當(dāng)攝像機(jī)于目標(biāo)物距離有限時,該方法可以成倍增大DPVS 的測量范圍,提高測量精度[2]。王京麗等于2000 年后開始研究DPVS,針對系統(tǒng)性能開展了與常規(guī)能見度探測設(shè)備的大量對比試驗(yàn),證明該系統(tǒng)具有與透射式能見度儀趨勢一致的觀測數(shù)據(jù)[3-4]。王京麗還提出了基于LED 的夜間DPVS 光源方案,分析了該光源的均勻性和穩(wěn)定性,降低了DPVS 的夜間測量誤差[5-6]。

目前,DPVS 研究中還有一些關(guān)鍵問題亟待解決。DPVS 以天空為背景測量能見度,當(dāng)天空背景的亮度與天空背景的臨界處物體亮度值近似時,圖像算法很難正確地提取天空背景,降低了DPVS 的自動化觀測能力[7];此外,天空背景的亮度值隨著云量的改變而改變,從而導(dǎo)致DPVS 計(jì)算能見度的不穩(wěn)定性。所以,目前DPVS 受限于復(fù)雜環(huán)境,其擴(kuò)大應(yīng)用被限制。

本文針對上述問題提出改進(jìn)方案,使DPVS 可以適應(yīng)各種環(huán)境下的能見度測量,以提高其適用性。

1 DPVS 原理

1.1 DPVS 的亮度對比法原理

假設(shè)目標(biāo)物和天空背景的固有亮度為Bt和Bg,在觀測距離為R的地點(diǎn)拍照,目標(biāo)物和背景的視亮度為Bt-R和Bg-R,則有固有亮度對比C0和視亮度對比CR分別為:

根據(jù)Koschmieder 定律,建立視亮度對比和固有亮度對比之間的關(guān)系:

能見度V與大氣消光系數(shù)σ的關(guān)系為:

結(jié)合式(1)、式(2),可推算出:

標(biāo)準(zhǔn)大氣能見度的定義為:視覺對比閾值ε取0.02 時,識別白背景上的理想暗物體的距離。所以有:

式(6)為計(jì)算白天氣象能見度的亮度對比法。但目前固有視亮度對比C0的值無法準(zhǔn)確測量。所以,所有DPVS 都使用實(shí)用黑體作為目標(biāo)物,并假設(shè)其為理想黑體。式(1)中,Bt=0,所以有C0=1,則式(6)可簡化為:

1.2 DPVS 的雙亮度差法原理

雙亮度差法是設(shè)置兩個距攝像機(jī)不同距離的相同目標(biāo)物,通過攝像機(jī)測量兩個目標(biāo)物的視亮度差,推算大氣消光系數(shù)從而得到能見度值。雙亮度差法原理如圖1 所示。

圖1 雙亮度差法原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of duel differential luminance method

根據(jù)式(6),則目標(biāo)1 和目標(biāo)2 有如下公式:

二者相減即可推得雙亮度差法的計(jì)算公式:

2 DPVS 雙亮度差法改進(jìn)方案與試驗(yàn)

2.1 改進(jìn)方案

2.1.1 新型目標(biāo)物的設(shè)計(jì)

根據(jù)式(9)可知,如果背景與目標(biāo)的固有亮度比恒定,就可將式(9)簡化為:

根據(jù)式(10)的特性,本文提出以人工背景代替天空背景的新型目標(biāo)物的方法。其采用標(biāo)準(zhǔn)漫反射板為基材。這種材料耐高低溫、耐輻射、防水性能優(yōu)異。其反射率的穩(wěn)定性極高,是國際空間機(jī)構(gòu)公認(rèn)的航天儀器星上校準(zhǔn)目標(biāo)板[8]。新型目標(biāo)物以反射率40%的標(biāo)準(zhǔn)漫反射板為背景部分,放置于左側(cè);以反射率20%的標(biāo)準(zhǔn)漫反射板為目標(biāo)部分,放置于右側(cè)。如此設(shè)計(jì)可使目標(biāo)物的背景與目標(biāo)的固有亮度比恒定,而且新型目標(biāo)物的特征為“日”字,易于設(shè)計(jì)圖像識別算法。

2.1.2 新型目標(biāo)物的識別算法

新型目標(biāo)物的視覺特征有三個關(guān)鍵點(diǎn):①新型目標(biāo)物的目標(biāo)與背景的像素面積可以根據(jù)拍攝距離和原始尺寸這兩個已知信息大致計(jì)算得出;②新型目標(biāo)物的目標(biāo)與背景的質(zhì)心橫坐標(biāo)可以限定在某一閾值內(nèi),新型目標(biāo)物放置得越水平,閾值越小;③目標(biāo)與背景的像素面積差值較小。

目標(biāo)物識別算法流程如圖2 所示。

圖2 目標(biāo)物識別算法流程圖Fig.2 Flowchart of target recognition algorithm

2.2 對比觀測試驗(yàn)

試驗(yàn)選用的相機(jī)為灰點(diǎn)公司生產(chǎn)的 GS3-U3-91S6M 灰度CCD 相機(jī),800 萬像素,裝配佳能變焦18～55 mm 鏡頭。新型目標(biāo)物分別距離拍攝地點(diǎn)150 m 和30 m,焦距為30 mm。為了檢驗(yàn)新型目標(biāo)物識別算法,選擇與目標(biāo)物特征相似度較高的背景環(huán)境進(jìn)行能見度觀測試驗(yàn)。

復(fù)雜環(huán)境觀測試驗(yàn)與結(jié)果如圖3 所示。以圖3(a)為例,目標(biāo)物的背景環(huán)境有多處與目標(biāo)特征相似的干擾,如塑鋼門窗及牌匾。算法識別到了兩組目標(biāo)物,用黑色封閉矩形標(biāo)志:位于圖片左上部的為近處目標(biāo)物,左側(cè)亮度略淺為背景部分,右側(cè)亮度略深為目標(biāo)部分;位于圖片右上部為遠(yuǎn)處目標(biāo)物,左側(cè)為背景部分,右側(cè)為目標(biāo)部分。

圖3(b)為改進(jìn)的雙亮度差法與長春市氣象站(站號為54161)Vaisala 前向散射式能見度儀的10 min 平均能見度對比觀測數(shù)據(jù)。兩處觀測點(diǎn)直線距離約為750 m,且兩地之間沒有較高建筑物遮擋,所以這兩組數(shù)據(jù)具有對比觀測的可行性。觀測起始時間為上午9點(diǎn)20 分,雨加雪天氣,能見度明顯較低。隨后,天氣逐漸轉(zhuǎn)晴,空氣中的氣溶膠減少,能見度逐漸升高,對比觀測結(jié)束于15 點(diǎn)30 分。圖3(b)說明改進(jìn)的方法可以在圖3(a)中的復(fù)雜背景環(huán)境下給出與Vaisala 前向散射式能見度儀線性趨勢一致的觀測結(jié)果。其中:3 000～4 000 m 內(nèi)的能見度觀測差小于10%,4 000～6 000 m 的觀測差小于15%。

圖3 復(fù)雜環(huán)境觀測試驗(yàn)與結(jié)果Fig.3 Observation experiment and its result in complex background

能見度較差環(huán)境下的對比試驗(yàn)與結(jié)果如圖4所示。

圖4 能見度較差環(huán)境下的對比試驗(yàn)與結(jié)果Fig.4 Comparing test and its result in poor visibility

為了測試改進(jìn)的雙亮度差法在能見度較差[9]環(huán)境下的觀測性能,對比觀測試驗(yàn)選擇在沙塵暴天氣條件下進(jìn)行。該試驗(yàn)地點(diǎn)距離長春市氣象站直線距離1.9 km。由于距離較遠(yuǎn),且兩地之間有高樓遮擋,所以長春市氣象站的觀測數(shù)據(jù)沒有對比觀測意義,故采用人工觀測進(jìn)行能見度較差的對比試驗(yàn)。

以圖4(a)為例,圖中黑色箭頭所指為人工觀測能見度的建筑物目標(biāo),無法清晰辨識(不能從天空背景中識別出輪廓)的建筑物與觀測人的距離即為當(dāng)前能見度。圖4(b)為上述試驗(yàn)的10 min 平均能見度對比結(jié)果,試驗(yàn)時長為2 h。對比結(jié)果說明,在能見度2 km內(nèi),改進(jìn)的雙亮差DPVS 法與人工觀測結(jié)果差小于5%。

為了測試改進(jìn)的雙亮度差法在一些非標(biāo)準(zhǔn)條件下的魯棒性,還進(jìn)行了目標(biāo)物非水平放置測試、改變相機(jī)焦距測試、目標(biāo)物與拍攝角度不一致測試。魯棒性試驗(yàn)如圖5 所示。

圖5 魯棒性試驗(yàn)示意圖Fig.5 Schematic diagram of robustness test

表1 為魯棒性試驗(yàn)結(jié)果,測試時長為5 min,每分鐘觀測一次。其中,魯棒性測試的能見度數(shù)據(jù)與相應(yīng)的對比觀測數(shù)據(jù)均為5 次數(shù)據(jù)的平均值。魯棒性試驗(yàn)結(jié)果說明,在10 km 以內(nèi)的能見度條件下,即使拍攝目標(biāo)物的角度不一致,在改變拍攝焦距以及目標(biāo)物非水平放置的情況下,由于選擇了標(biāo)準(zhǔn)漫反射板為材質(zhì)制作新型目標(biāo)物,相機(jī)都能夠接收到均勻的目標(biāo)物散射光。所以這些不確定性對能見度觀測數(shù)據(jù)的影響可以忽略。

表1 魯棒性試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Result of robustness test /m

3 結(jié)論

本文首先驗(yàn)證了新型目標(biāo)物設(shè)計(jì)原理的可行性。以往的雙亮差法測量能見度大多以理想黑體為目標(biāo)物,其工藝相對復(fù)雜,不便于維護(hù)[10]。相比之下,新型目標(biāo)物以標(biāo)準(zhǔn)漫反射板為基材,工藝簡單、易于維護(hù)、升級改良的空間較大。其次,驗(yàn)證了新型目標(biāo)物識別算法。對比試驗(yàn)結(jié)果說明,該算法可以在苛刻的環(huán)境背景和復(fù)雜天氣條件下識別目標(biāo)物,并推算出能見度,能見度觀測數(shù)據(jù)在1～2 km 范圍內(nèi)與人工觀測數(shù)據(jù)一致,在2～10 km 范圍內(nèi)同長春氣象站的觀測數(shù)據(jù)具有較好的線性關(guān)系。最后,魯棒性試驗(yàn)說明,改進(jìn)的雙亮差法降低了DPVS 的使用條件,提高了適用性。

由于時間有限,目前的研究成果只能在白天和傍晚觀測能見度,而滿足夜間DPVS 觀測的目標(biāo)物正在設(shè)計(jì)研究中。