全天空成像儀云圖的預(yù)處理方法

王 悅,安英玉,王文玲,鞠 洋

(黑龍江省人民政府人工降雨辦公室，黑龍江 哈爾濱 150030)

1 引言

云在影響全球水循環(huán)和熱平衡的過程當(dāng)中扮演著十分重要的角色。 隨著社會(huì)的日益發(fā)展， 云對(duì)航空、軍事、生活的影響也越來越受到大家關(guān)注。

近些年,由于電荷耦合元件等硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，以及數(shù)字圖像處理技術(shù)的日益完善，地基測(cè)云儀器的精度不斷提升。 目前， 全天空成像儀（TSI，Total Sky Imager） 是國(guó)際上具有典型意義的地基測(cè)云儀器，可以實(shí)現(xiàn)白天全天空云量的持續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)，時(shí)空分辨率較高，得到的云量計(jì)算結(jié)果更精確。 但在進(jìn)行云圖處理時(shí)會(huì)出現(xiàn)多種遮擋的情況， 因此在進(jìn)行云圖解算和研究之前需要對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理[1]。 本文就云圖的預(yù)處理的方法進(jìn)行研究， 剔除非云圖的成像， 對(duì)提取云區(qū)的圖像及云圖的自動(dòng)識(shí)別具有重要意義。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)

利用網(wǎng)站上下載大量的云圖， 作為本次研究過程中的云圖來源。 實(shí)驗(yàn)中所用的云圖是由美國(guó)Yankee 環(huán)境系統(tǒng)公司開發(fā)研制出的總天空成像儀TSI-880 拍攝的，照片像素為352 x 288/24bit JPEG。

2.2 方法

首先利用Radon 變換檢測(cè)直線和連通域填充方法剔除遮陽(yáng)桿對(duì)云區(qū)識(shí)別的干擾， 防止由于遮陽(yáng)桿對(duì)太陽(yáng)的反射， 在識(shí)別時(shí)將那部分亮點(diǎn)區(qū)域誤認(rèn)為是云區(qū)， 使之后提取云區(qū)的時(shí)候出現(xiàn)云區(qū)明顯比實(shí)際多的誤差效果。 此外， 地物屬于云圖上多余的部分，而且部分區(qū)域和云區(qū)顏色十分接近，也是造成云區(qū)識(shí)別的一大重要干擾， 所以第二步運(yùn)用模板替換的方法剔除地物的干擾。

2.2.1 剔除遮陽(yáng)桿影響的方法

大多數(shù)沒有太陽(yáng)光影響的TSI 云圖，因?yàn)檎陉?yáng)桿在云圖中表現(xiàn)為黑色與白色的云區(qū)差別比較明顯，在提取云區(qū)時(shí)黑色的遮陽(yáng)桿和藍(lán)色的天空會(huì)直接一起忽略。 然而在極少情況下，利用TSI 獲取的云圖在遮陽(yáng)桿方面干擾太大， 若不進(jìn)行剔除， 提取出來的云區(qū)會(huì)存在比較嚴(yán)重的錯(cuò)誤。 因此選取合適的方法來剔除遮陽(yáng)桿的影響十分有必要。

剔除遮陽(yáng)桿的影響，主要采取以下兩種方法，一是Radon 變換檢測(cè)直線法，二是連通域填充法[2]。 首先運(yùn)用Radon 變換檢測(cè)直線的方法， 檢測(cè)出來遮陽(yáng)桿在TSI 云圖中的位置， 然后利用連通域填充的方法，將原圖中的遮陽(yáng)桿所在位置進(jìn)行填充，得到的即是剔除了遮陽(yáng)桿對(duì)太陽(yáng)照射影響。

2.2.1.1 Radon 變換檢測(cè)直線方法

Radon 變換在二維空間可以用如下公式表示：

式中，D 為整個(gè)圖像xy 平面；f（x，y）為在圖像點(diǎn)(x,y)處的灰度；ρ 為坐標(biāo)原點(diǎn)到直線的距離；θ 為距離與x 軸的夾角；δ 為Dirac 函數(shù)。 它使f(x,y)沿直線ρ=xcosθ+ysinθ 進(jìn)行積分。 如下圖1 所示。

圖1 Radon 變換定義示意圖

通過Radon 變換的原則，由圖2 可以看出，在原圖2（a）中有5 條直線，分別對(duì)應(yīng)變換域圖2（b）中5個(gè)亮點(diǎn)，坐標(biāo)（ρ，θ，R）分別為：（7,111°，34）,（11,111°,29）,（-26,90°,19）,（-10,81°,19）,（-20,0°,15）。 每個(gè)亮點(diǎn)代表一條直線，由已知（ρ，θ）根據(jù)公式ρ＝xcosθ+ysinθ 做出結(jié)果如圖2 （c）。 由于沒有起點(diǎn)坐標(biāo)信息，5條直線橫跨整幅圖像， 不能將線段精確定位， 這是Radon 變換的缺陷[3]。 圖2(d)、(e)、(f)分別為Radon 變換在相交折線段中的檢測(cè)過程。

圖2 Radon 變換直線檢測(cè)示例(a)原圖1 （b）RT 變換域（c）結(jié)果（d）原圖2 （e）RT 變換域（f）結(jié)果

2.2.1.2 連通域填充方法

傳統(tǒng)的連通域填充算法主要分為兩種， 一種是掃描線算法， 該算法是通過確定橫跨區(qū)域的掃描線的覆蓋間隔填充的；一種是種子填充算法，即由確定的位置進(jìn)行填充至指定的邊界[3]。

掃描線算法是按照掃描線的順序， 計(jì)算掃描線與多邊形的相交區(qū)間， 再用顏色顯示這些區(qū)間的象素完成填充。 這些區(qū)間的端點(diǎn)是掃描線與多邊形邊界線的交點(diǎn)， 可以通過計(jì)算來獲得要完成這個(gè)掃描的轉(zhuǎn)換過程。 對(duì)于一條掃描線填充過程，可以分為四個(gè)步驟，即求交、排序、配對(duì)和填充。 求交是將多邊形每個(gè)邊和掃描線的交點(diǎn)計(jì)算出來。 排序是依據(jù)X 坐標(biāo)遞增順序?qū)θ〉玫慕稽c(diǎn)來排序。 配對(duì)是利用奇偶配對(duì)求出掃描線與多邊形的相交區(qū)間。 填充就是要對(duì)各個(gè)相交區(qū)間進(jìn)行填色。

種子填充算法又稱為邊界填充算法。 先給定一個(gè)多邊形區(qū)域內(nèi)的種子點(diǎn)（x，y），從該點(diǎn)開始由內(nèi)向外找到區(qū)域內(nèi)的所有像素， 用給定的顏色畫點(diǎn)直到邊界為止。 種子填充算法通常采用八向連通與四向連通2 類算法。 八向連通算法是利用右下、左下、右上、左上、下、上、右、左8 個(gè)方向的移動(dòng)到達(dá)區(qū)域中的任意像素點(diǎn)； 四向連通算法是由區(qū)域中的某點(diǎn)開始，利用右、左、下、上4 個(gè)方向的移動(dòng)達(dá)到任意一個(gè)像素點(diǎn)。

2.2.2 消除其他干擾的方法

2.2.2.1 模板替換方法

在全天空成像儀的云圖中主要有遮陽(yáng)桿， 晴空和云區(qū)， 但是在云圖的周圍還有部分地物雜波和鏡面之外的多余部分（即地物）存在（圖3），因此在消除其他干擾的這一方面， 本論文主要研究的是消除地物干擾的影響。 由于需要的僅僅只是云圖中間含有鏡面的區(qū)域，所以在處理多余部分時(shí)，直接運(yùn)用了模板進(jìn)行遮蓋處理， 模板如圖4 所示， 黑色為遮蓋部分，白色為非遮蓋部分及本文所需的云圖區(qū)域，通過模板套用可直接將云圖中的多余部分剔除掉。

圖3 一般云圖

圖4 模板

2.2.2.2 提取灰度值方法

除了地物干擾外， 云的邊緣還可能存在部分雜波。 由于邊緣雜波顏色偏暗，比較容易和白色的云區(qū)區(qū)分出來， 所以在處理邊緣雜波時(shí)運(yùn)用了提取灰度值的方法。

3 剔除遮陽(yáng)桿的影響

在剔除遮陽(yáng)桿的過程中， 首先運(yùn)用Radon 變換檢測(cè)直線方法檢測(cè)出云圖中的遮陽(yáng)桿邊緣如圖5（a），然后運(yùn)用檢測(cè)直線方法檢測(cè)出遮陽(yáng)桿的兩條邊線，如下圖5（b）。由于檢測(cè)出來的遮陽(yáng)桿兩條直線并不是理想的平行線，因此在進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)，將需要得到的直線設(shè)置了斜率之差<5°，和兩條直線之間距離在25-40 的像素。 這樣就可以得到一組平行線，可認(rèn)為是遮陽(yáng)桿兩側(cè)的邊緣線如圖5（c）。

圖5 Radon 變換檢測(cè)直線實(shí)現(xiàn)過程（a）邊緣檢測(cè) （b）檢測(cè)直線（c）確定遮陽(yáng)桿邊緣所在直線 （d）將原圖形按照兩條平行線切割

在獲得了遮陽(yáng)桿的邊緣直線后， 將原圖形按照這兩條直線為邊界進(jìn)行切割， 然后將直線兩側(cè)分別進(jìn)行邏輯化處理，即是以分割直線為界，一邊為邏輯1，一邊為邏輯0，表現(xiàn)為黑白分明的兩兩交集，然后將其組合即可以得到圖5（d）中的圖1-2，圖5（d）中1-2 的作用是將遮陽(yáng)桿所在的全部延伸區(qū)域都提取出來，最后填充出遮陽(yáng)桿。

在圖5（c）中過檢測(cè)出的兩條平行線做過中心的垂線，將圖5（d）中的1-2 區(qū)域顯現(xiàn)均分為兩份，這樣就完成了對(duì)遮陽(yáng)桿所在平行區(qū)域的兩分。 再運(yùn)用連通域填充的方法將垂直線兩側(cè)中所有像素點(diǎn)之和較小的那一份進(jìn)行填充，確定為遮陽(yáng)桿。

通過以上兩種方法的結(jié)合使用， 可以消除遮陽(yáng)桿對(duì)2500 幅云圖的提取影響，對(duì)比于前人研究提取云區(qū)的各種效果上和普遍適用性上進(jìn)步很多。 如圖7，為2017 年8 月21 日的消除遮陽(yáng)桿前后效果對(duì)比圖， 可以明顯看到該方法對(duì)云圖中遮陽(yáng)桿具有較好的消除效果。

圖7 消除遮陽(yáng)桿前后效果對(duì)比（a）遮陽(yáng)桿干擾較大的云圖（b）不進(jìn)行處理后提取的云區(qū) （c）處理后提取的云區(qū)

4 消除其他干擾

分別采用模板替換法和提取灰度值的方法對(duì)云圖中的地物干擾、邊緣雜波進(jìn)行消除，進(jìn)而將云區(qū)提取出來。 具體例子如下：

通過以上兩種方法的結(jié)合使用， 從圖8 中可以看出，該方法對(duì)云圖中地物干擾、邊緣雜波干擾具有較好的消除效果。

圖8 消除遮陽(yáng)桿和其他干擾的效果對(duì)比（a）云圖原圖（b）消除遮陽(yáng)桿和其他干擾的云圖

5 小結(jié)

本文介紹了TSI 云圖預(yù)處理的方法，首先運(yùn)用了Radon 變換檢測(cè)直線和連通域填充方法，消除了遮陽(yáng)桿的影響，實(shí)現(xiàn)了剔除原圖上的亮斑部分；然后運(yùn)用了模板替換的方法，去掉了TSI 云圖上旋轉(zhuǎn)鏡面外部的地物雜波干擾。 通過對(duì)比分析表明，以上對(duì)云圖的處理方法有較好的識(shí)別計(jì)算效果，對(duì)于所有的TSI 云圖均適用。