摘  要: 针对传统能见度仪的不足,在已有的研究结果上,设计了数字摄像能见度仪的能见度算法,其中白天能见度采用双亮度差法,并作出改进使其有更大的适用环境;夜间能见度采用双光源法。整套算法通过CCD摄像机、图像采集卡和计算机平台得到实现。实验结果证明,该算法能够解决在气柱分布不均匀的情况下能见度无法准确观测的问题,提高了现有能见度的观测范围。将实验结果和前向散射仪及大气透射仪测量结果进行相关性对比,得到了较好的一致性,误差范围在国际标准的误差要求之内。

关键词: 数字摄像能见度仪;白天能见度;夜间能见度

　能见度分为白天能见度(Meteorolog ical Visibility by Day)和夜间能见度(Meteor ological Visibility by Night),通常意义下的能见度是指视力正常的人能够从背景中看到和分辨出目标物的最大水平距离[1]。由于它表征了大气透明度[2],对农业生产、交通运输安全以及民航部门都有着重要的意义。传统的能见度测量方法分为人工目测法和仪器测量法[3]。人工目测法同时受客观因素和主观因素的影响,往往出现较大误差[2]。常见的能见度仪器有透射仪、散射仪和激光能见度测量仪,这些能见度仪器不易维护。前两种仪器使用较为广泛,但价格偏高,易受到雨雪和沙尘天气影响。激光能见度测量仪测量结果相对客观,但价格十分昂贵,难以大范围使用[2-5]。
　20世纪40年代,STEFFENS C用照像法来测量能见度,由于当时技术水平的限制,这种方法并未得到实际应用[6]。随着科技发展,陆续有人提出利用数字相机来测量能见度,但并没有对结果的可靠性进行严格验证[7]。1999年,中科院院士周秀骥先生提出了数字摄像能见度仪的基本思路和构架[8],KWON T M等人利用摄像机完成能见度的计算[9]。数字摄像能见度仪因其低成本、易操作、易维护及高精度的特点得到了迅速发展。
已有的研究结果[4,8-11]具有重要的引导作用,本文采用CCD数字摄像机获取图像信息,设计并实现了能见度计算。其中,白天能见度采用双亮度差方法计算,夜间采用双光源方法计算,并对现有的双亮度差法进行改进,使其有更大的适用环境。整套算法通过CCD摄像机、图像采集卡和计算机平台得到实现,操作简单。在实验中与前向散射仪和大气透射仪的监测结果进行比较,得到了良好的观测结果,符合国际标准规定的误差要求。

1.1 双亮度差法计算白天能见度[8,12-13]
　双亮度差法即通过测量两个真实亮度为零的黑体经过不同光程的散射产生的气柱亮度,从而对能见度进行求解。设目标物黑体真实亮度为0,无穷远处气柱亮度为B背景,则L1与L2距离上的气柱亮度分别为[8]:

　其中,h表示高度角,Φ表示地理纬度,σ表示太阳赤纬,t表示时角。可求得黑体对应区域的天空亮度信息,即黑体对应无穷远处的气柱亮度。这种算法可有效修正与探测器距离L1和L2上的气柱亮度,进而修正能见度值,减小由于无法准确获取气柱亮度而造成的误差。该算法适用于存在遮挡且气柱分布不均匀时引起测量误差超过规定范围的情况。
1.2 双光源法计算夜间能见度
　在计算夜间能见度的过程中,入射光强度F0(x)通常不容易求得,且光源稳定性无法保证,使得无法准确地直接测量光源亮度。本文采用双光源法,不需要求解F0(x),也可以正常进行能见度的测量。
双光源法是指通过测量两个真实亮度相同、经过不同长度气柱衰减之后的目标光源视亮度,获得大气消光系数,从而计算大气能见度。

　图2的拍摄时间为北京时间2012年9月5日上午9:05,摄像机镜头方向朝向东方,两个黑体与摄像机的距离L1和L2分别为8 m和32 m。白色方框表示的是两个黑体的位置。为保证实验的准确性,两个黑体保持同样的水平高度。在图片拍摄时刻,黑体背后存在遮挡物,且图片右上方亮度明显比左上方要大,因此由天空信息重建来推导黑体对于无穷远处天空信息作为当前时刻气柱亮度。
　图3的拍摄时间为北京时间2012年9月5日凌晨5:02,摄像机镜头方向朝向西方,两个黑体与摄像机的距离L1和L2分别为15 m和50 m。白色方框表示的是两个黑体的位置,两个灰白色圆形为光源。为保证实验的准确性,两个黑体和光源保持同样的水平高度,两个光源的光为同一光源发出,经光纤和分光器后送入由中科院自行研制的积分球,用以保证两个光源最大程度上的强度相同。
　使用前向散射仪作为标准集进行结果比较。前向散射仪与摄像机朝向同一方向。在2012年9月5日凌晨0:00至夜间23:59进行连续实验,每分钟拍摄图片一次,并将本文算法与前向散射仪结果进行对比,结果如图4所示。
根据实验结果可知,由天空信息重建得到了很好的实验结果,本文算法结果与前向散射仪测量结果相关系数为0.981 2,均方根相对偏差[5]为5.21%。即本文算法结果与前向散射仪结果相近,算法测量范围为2 000 m~      5 000 m时,可以得到满足WMO规定的能见度数值[15]。

　2012年12月23日~24日使用整套装置在北京南郊进行连续数据采集,并同时与大气透射仪和前向散射仪进行能见度结果对比,结果如图5、图6所示。

　由实验结果可以看到,本文算法结果与大气透射仪结果相关系数更大,与前向散射仪均方根相对偏差更小。即本文算法测试结果在分布上与大气透射仪更为接近,但是与前向散射仪结果偏差更小。本文算法与两个仪器的测量结果比较,相关系数都达到8.5以上,除个别点因为处于白天与夜晚的交互期平均误差超过国际标准之外,其他各点都满足国际标准要求[15]。
　从整体实验结果来看,本文设计的数字能见度算法在实际应用中的实测结果相对误差小于20%,达到标准能见度仪器的规定误差要求[15],可以作为日常能见度观测使用。
本文设计了数字摄像能见度仪的能见度算法。整套算法通过CCD摄像机、图像采集卡和计算机平台得到实现,并在实际使用中取得了良好的的实验结果。本文算法具有操作简单、比传统能见度观测仪器成本低的特点。后续需要解决的问题如下:
　(1)CCD摄像机本身有暗电流和噪音,会影响图像信息。如何在有效保留所需图像信息的情况下去除这种影响值得探讨;
　(2)考虑到设备的小型化、便携化和高效性,后期可以开展整体方案在嵌入式上的实现工作。
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