云檢測及全天空總云量檢測方法和系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種云檢測及全天空總云量檢測方法和系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括：圖像獲取設備：用于獲取預定時刻的天空的云圖；天空類型確定模塊：用于確定在所述預定時刻所述天空的天空類型；云檢測模塊：通過分割閾值來檢測所述云圖中的云；全天空總云量計算模塊：用于根據(jù)所述全天空云圖中的云占整個所述全天空云圖的比例來計算天空總云量。本發(fā)明通過不同天空類型對應的天空云圖分割閾值來檢測云圖中的云，充分考慮了不同天氣狀況對全天空云圖檢測結果的影響，使得云檢測精度更高。
【專利說明】云檢測及全天空總云量檢測方法和系統(tǒng)
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及氣象探測領域，尤其涉及一種天空的云檢測方法和系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]云量是指云遮蔽天空視野的成數(shù)。云量的觀測包括總云量和低云量?？傇屏渴侵赣^測時天空被所有的云遮蔽的總成數(shù)，低云量是指天空被低云族的云所遮蔽的成數(shù)，均記整數(shù)。
[0003]現(xiàn)有的地基總云量觀測方法可分成人工目測法、反演法和遙感成像法等。其中，人工目測法是國內(nèi)大多數(shù)氣象臺站目前最常用的云量觀測方法，但這種方式帶有很大的主觀性，已成為制約地面氣象觀測自動化的一個瓶頸。
[0004]反演法是指不直接對總云量進行觀測，而通過其它觀測要素來反演總云量，如激光云高儀采用單點測量數(shù)據(jù)通過時間積分來反演全天空總云量，以及多光譜旋轉遮蔽影帶福射儀(Mult1-filter Rotating Shadowband Radiometers, MFRSR)利用不同波段下的全天空散射通量通過相關的輻射轉換模型來反演全天空總云量。但這些反演算法大都基于一些理想的假定條件，而實際天空很難與之完全一致，因而反演法只能作為全天空總云量計算的一種補充手段。
[0005]遙感成像法主要是采用遙感成像的方式，從地面向上拍攝云圖，再采用圖像處理算法進行云檢測來計算總云量，這是當前利用器測來觀測總云量的主要手段?；谶b感成像法的儀器主要有全天空成像儀(Whole Sky Imager, WSI)、總天空成像儀(Total SkyImager, TSI)和全天空成像系統(tǒng)(All-sky Imager System, ASIs)等,這些儀器在獲取全天空云圖時對太陽都采取了一定的遮擋措施，以減輕太陽對圖像質(zhì)量的影響。但在對太陽進行遮擋時，需要實時對太陽進行跟蹤，而該跟蹤裝置結構復雜，且對太陽進行遮擋時也會對圖像中的部分區(qū)域同時形成遮擋，這也將在一定程度上影響總云量計算的精度。
[0006]另外，在云檢測算法方面，目前主要是基于分割閾值，即，為云圖中的某種可量化信息(例如像素點的亮度值或灰度值)設定分割閾值，根據(jù)該可量化信息與該分割閾值的關系(高于或者低于)，將各像素點確定為云或者非云，從而將全天空云圖分成云和非云兩部分，再統(tǒng)計云部分占全天空云圖的比例，從而得全天空總云量。但已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這樣的方法對于一部分的全天空云圖總云量的計算精度較低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本申請的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，之所以目前的基于分割閾值的云檢測算法對于一些云圖的云量計算的精度較低，一個重要的原因是這些云檢測算法在設定分割閾值時均沒有考慮天空類型因素的影響，而是對不同的天空類型采用相同的分割閾值或相同的分割閾值設定方式。
[0008]本發(fā)明的目的之一在于以一種全新的構思提供一種全新的云檢測及全天空總云量檢測方法。本發(fā)明的另一目的在于提高云檢測及全天空總云量檢測的計算精度。[0009]為了實現(xiàn)上述至少一個目的，本發(fā)明提供了一種云檢測方法，包括:
[0010]圖像獲取步驟:利用圖像獲取設備獲取預定時刻的天空的云圖；
[0011]天空類型確定步驟:確定在所述預定時刻所述天空的天空類型；其中，所述天空類型選自用于表示天空云量范圍的多種預設天空類型中的一種；
[0012]云檢測步驟:使用分割閾值來檢測所述云圖中的云；其中，所述分割閾值根據(jù)與所述多種預設天空類型分別對應的多種不同的分割閾值設定方式中的一種來確定。
[0013]優(yōu)選地，在所述天空類型確定步驟中，根據(jù)所述云圖的信息熵來確定在所述預定時刻所述天空的所述天空類型。
[0014]優(yōu)選地，所述云圖的所述信息熵是所述云圖的亮度信息熵或與所述云圖對應的灰度圖的灰度信息熵。
[0015]優(yōu)選地，所述云圖的所述信息熵的計算公式為:
【權利要求】
1.一種云檢測方法,包括: 圖像獲取步驟:利用圖像獲取設備獲取預定時刻的天空的云圖； 天空類型確定步驟:確定在所述預定時刻所述天空的天空類型；其中，所述天空類型選自用于表示天空云量范圍的多種預設天空類型中的一種； 云檢測步驟:使用分割閾值來檢測所述云圖中的云；其中，所述分割閾值根據(jù)與所述多種預設天空類型分別對應的多種不同的分割閾值設定方式中的一種來確定。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，在所述天空類型確定步驟中，根據(jù)所述云圖的亮度信息熵來確定在所述預定時刻所述天空的所述天空類型。
3.根據(jù)權利要求2所述的方法，其特征在于，在天空類型確定步驟中，還包括將所述亮度信息熵與預設的一個或多個信息熵閾值進行比較，以確定所述天空類型。
4.根據(jù)權利要求3所述的方法，其特征在于，所述多種預設天氣類型包括晴空、陰天和多云；所述一個或多個信息熵閾值包括第一和第二信息熵閾值，且所述第一信息熵閾值小于所述第二信息熵閾值； 其中，在所述亮度信息熵小于所述第一信息熵閾值的情況下，確定所述天空類型為陰天；在所述亮度信息熵大于所述第二信息熵閾值的情況下，確定所述天空類型為多云；在所述亮度信息熵處于所述第一和第二信息熵閾值之間的情況下，確定所述天空類型為晴空。
5.根據(jù)權利要求4所述的方法,其特征在于,所述第一信息熵閾值選自1.9-2.1,和/或所述第二信息熵閾值選自2.35-2.55。
6.根據(jù)權利要求1-5.中任一項所述的方法，其特征在于，在所述云檢測步驟中，還包括對所述云圖中的各像素進行藍紅波段的歸一化差值處理，以得到各像素的歸一化灰度值；并且，將所述歸一化灰度值與所述分割閾值進行比較來確定所述云圖中的云。
7.根據(jù)權利要求6所述的方法，其特征在于，所述多種分割閾值設定方式包括:在所述天空類型為多云的情況下，所述分割閾值采用基于最大類間方差的自適應閾值。
8.根據(jù)權利要求6-7中任一項所述的方法，其特征在于，所述多種分割閾值設定方式包括:在所述天空類型為陰天的情況下，所述分割閾值為μ_3σ ;在所述天空類型為晴空的情況下，所述分割閾值為μ+3σ ; 其中，μ為經(jīng)過所述歸一化差值處理后所述云圖的所述歸一化灰度值的均值，σ為經(jīng)過所述歸一化差值處理后所述云圖的所述歸一化灰度值的方差。
9.根據(jù)權利要求1-8中任一項所述的方法，其特征在于，還包括曝光時間確定步驟:確定所述圖像獲取設備在所述預定時刻獲取所述云圖時所使用的滿足一個或多個預定條件的曝光時間； 其中，所述一個或多個預定條件包括:所述云圖中的第一預選區(qū)域和第二預選區(qū)域的平均亮度值均處于預定亮度上限和預定亮度下限之間；所述第二預選區(qū)域小于并完全包含于所述第一預選區(qū)域。
10.根據(jù)權利要求1-9中任一項所述的方法，其特征在于，在所述圖像獲取步驟中，所述圖像獲取設備在不遮擋太陽的情況下獲取所述云圖。
11.根據(jù)權利要求1-10中任一項所述的方法，其特征在于，所述云圖為全天空云圖。
12.一種全天空總云量檢測方法，包括權利要求11所述的方法，還包括總云量計算步驟:根據(jù)所述全天空云圖中的云占整個所述全天空云圖的比例來計算天空總云量。
13.根據(jù)權利要求12所述的方法，其特征在于，在所述全天空云圖中包含太陽圖像的情況下，所述天空總云量不包含所述太陽圖像占整個所述云圖的比例。
14.一種云檢測系統(tǒng),包括: 圖像獲取設備，用于獲取預定時刻的天空的云圖； 天空類型確定模塊，用于確定在所述預定時刻所述天空的天空類型；其中，所述天空類型選自用于表示天空云量范圍的多種預設天空類型中的一種； 云檢測模塊，通過分割閾值來檢測所述云圖中的云；其中，所述分割閾值根據(jù)與所述多種預設天空類型分別對應的多種不同的分割閾值設定方式中的一種來確定。
15.根據(jù)權利要求17所述的云檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述天空類型確定模塊配置成根據(jù)所述云圖的亮度信息熵來確定在所述預定時刻所述天空的所述天空類型。
16.根據(jù)權利要求14或15所述的云檢測系統(tǒng)，其特征在于，還包括: 自動曝光模塊，用于確定所述圖像獲取設備在所述預定時刻獲取所述云圖時所使用的滿足一個或多個預定條件的曝光時間； 其中，所述一個或多個預定條件包括:所述云圖中的第一預選區(qū)域和第二預選區(qū)域的平均亮度值均處于預定亮度上限和預定亮度下限之間；所述第二預選區(qū)域小于并完全包含于所述第一預選區(qū)域。
17.根據(jù)權利要求14-16中任一項所述的云檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述云圖為全天空云圖，所述圖像獲取設備構造成不遮擋太陽的情況下獲取所述全天空云圖。
18.一種全天空總 云量檢測系統(tǒng)，包括權利要求17所述的云檢測系統(tǒng)，還包括全天空總云量計算模塊，用于根據(jù)所述全天空云圖中的云占整個所述全天空云圖的比例來計算天空總云量。
【文檔編號】G01W1/00GK103472501SQ201310404266
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月6日 優(yōu)先權日:2013年9月6日
【發(fā)明者】楊俊 , 呂偉濤, 馬穎, 姚雯 申請人:中國氣象科學研究院