专利名称：基于数字摄像法的能见度测量系统及方法
技术领域：
本发明涉及能见度测量领域，尤其涉及一种基于数字摄像法的能见度测量系统及方法。
背景技术：
能见度是一个对航空、航海、陆上交通以及军事活动等都有重要影响的气象要素。能见度观测在气象预报、交通、环境等领域有十分重要的作用，与国民经济建设和人民生命财产安全紧密相关。特别是近年来，许多领域已把能见度的日常观测逐渐提到日程上来，如高速公路的关闭、车辆的限速、飞机的起降等等。可以说，对能见度的实时观测和预报已经成为现实生活中不可缺少的重要内容。
迄今为止，国内外对能见度的观测大都还是以人工目测为主，规范性和客观性较差。以我国为例，2414个国家气象台站能见度的观测仍然主要采用人工观测方式，具有很大的主观性，资料更新周期长，难以满足气象预报和服务的需求。在能见度仪器测量方面，目前采用的设备主要有大气透射仪和激光能见度自动测量仪。前者通过光束透过两固定点之间的大气柱直接测量气柱透射率，以此来评估能见度值，这种方法要求光束通过足够长的大气柱，而在雨、雾等低能见度天气，又会因水汽吸收等复杂条件造成较大误差，因此局限性很大。后者则是通过激光测量大气消光系数的方法来推测能见度，相对而言较为客观和准确，但这种方法的使用目前还仅限于少数研究部门。这是因为激光雷达不仅成本昂贵、维护费用高、操作复杂，而且在雨天、雾天也难以进行正常观测。因此，改进乃至革新能见度探测技术仍是一个具有重要意义的研究课题。数字摄像法测量能见度是通过数字摄像机直接摄取选定目标物的图像，然后送入计算机进行分析处理，自动获取能见度值。本方法用数字摄像机代替人眼，模仿人眼观测和人对能见度的真实感受，是一种新的能见度观测方法。它完全仿照人工目测能见度的原理，根据能见度的定义研制，是最科学的能见度探测方法，更是取代人工观测能见度的最佳仪器。经过若干年的研究和实验，数字摄像法探测大气能见度技术已经取得了突破性的研究成果，但还存在需要进一步完善和改进的地方，尤其是系统集成设计与仪器产品定型。基于数字摄像法的能见度测量，设计并实现一种新型的、较为经济和客观的能见度探测系统，已经成为能见度测量研究的发展趋势与迫切需求。能够应对复杂环境下气候条件与地理条件的数字摄像法能见度测量系统，将会应用在航空、航海、陆上交通及军事活动等诸多领域，具有巨大的市场前景。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于数字摄像法的能见度测量的系统，以实现在较低成本条件下，通过工业相机结合工控机的方式来实现具有良好检测精度的能见度测量系统。
基于数字摄像法的能见度测量系统，其包括支撑装置，其用于承载数字摄像单元；数字摄像单元，其用于拍摄选定的目标物并将所拍摄的目标物图像输出到图像处理单元；图像处理单元，其对由上述数字摄像单元的拍摄而得到的目标物图像使用目标定位算法来精确定位目标物，提取该目标物的亮度值并输出到能见度计算单元；能见度计算单元，其根据由上述图像处理单元提取的上述目标物图像的亮度值，使用双亮度差对比公式，计算能见度值，并且求出上述目标物各方向能见度值的算术平均值作为当前能见度；控制单元，包括数字摄像单元控制器，其对数字摄像单元的镜头进行控制；
网络连接单元，包括与图像处理单元连接的串口服务器，其作为通讯接口转换器；及，计算机；及，路由器，负责搭建连接图像处理单元和计算机的局域网；设备保护单元，包括室外设备防护装置，该室外设备防护装置具有多层密封绝热结构，容纳需室外工作的设备且对其进行温湿度保护。作为优选，所述数字摄像单元具有数字摄像机，其由能够采集不低于10位数字高清图片的高精度CCD相机构成；恒温摄像机罩，上述数字摄像机设置在其内，该恒温摄像机罩具有多层密封绝热结构，对上述数字摄像机提供工作范围内的温湿度；温湿度传感器，设置于恒温摄像机罩内部和外部，采集恒温摄像机罩内外的温度与湿度。作为优选，所述承载台为数字云台或万向节。作为优选，所述控制单元还包括数字云台控制器，所述数字云台控制器控制数字云台上下左右移动。 作为优选，所述目标物，包括作为白天检测2个或2个以上的目标黑体和作为夜晚检测的2个目标光源；所述2个目标光源是由一束光源通过光学分束器分成的两束光。作为优选，所述设备保护单元包括将多余的电流引至地下的防雷器。作为优选，所述设备保护单元包括对电路进行保护的空气开关。作为优选，所述网络连接单元还包括无线模块，所述无线模块连接图像处理单元和计算机。本发明还提供一种基于数字摄像法的能见度测量系统的测量方法，包括以下步骤一、搭建目标物；二、数字摄像单元间隔N分钟拍摄选定的目标物，并将包括目标物的图像传送给图像处理单元；三、通过网络远程登录的方式，利用计算机操作数字摄像单元控制器和数字云台控制器，对数字云台和镜头调整，使得目标物的成像达到最佳效果；四、对目标物及其周围的参照物进行标定使用目标定位算法来精确定位上述目标物图像的目标物并提取该目标物的亮度值；五、根据能见度计算公式求出大气能见度通过双目标双亮度差对比算法计算上述目标物的各方向能见度值，并求出该各方向能见度值的算术平均均值作为当前能见度值。本发明具有以下优点和积极效果I、利用数字摄像单元获取目标物图像数据，同时利用目标黑体和目标光源以保证目标物的稳定和质量。2、利用远程监控和网络通讯的方式，能够实现远程操作数字摄像单元控制器和数字云台控制器，并自动得到能见度数据。3、通过白天目标黑体、夜晚目标光源结合的方式，使得能见度测量能够全天候进行。


通过下面结合附图对其实施例进行描述，本发明的上述特征和技术优点将会变得更加清楚和容易理解。图I是本发明实施例的系统示意；图2是本发明实施例的系统布置示意图；图3是本发明的系统流程图。图中标号如下1-黑箱，2-激光光源，3-工控机，4-工业相机，5-数字云台，6-计算机。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的描述。在下面的描述中，只通过说明的方式对本发明的某些示范实施例进行描述，毋庸置疑，本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同方式对所述的实施方案进行修正。因此，附图和描述在本质上只是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。为了便于理解本发明，下面对本发明的系统和使用方法分别进行详细描述。基于数字摄像法的能见度测量系统，包括以下部分目标黑体，作为白天检测的目标物，黑体体积30x30x60CM(长*宽*深)，钢质或铁质材料，中空，壁厚I. 5MM，正前面中央开口口径llxllCM，重量不超过20KG，黑体内壁面贴吸光材料。目标光源,作为夜晚检测的目标物,体积30x30x60CM (长*宽*深)，钢质或铁质材料，内部安装光源，壁厚I. 5MM，正前面安装双面毛玻璃，重量不超过20KG，内壁面贴吸光材料。采用2个或2个以上的目标黑体作为白天观测目标，采用2个目标光源作为夜间观测目标。目标光源的获取是将一束光源(如激光)通过光学分束器分成两束光。在本实施例中，图像处理单元和能见度计算单元集成于工控机3，工控机3主频不低于1GHz，内存不低于1G，支持大容量CF卡或移动硬盘，有足够数量的USB 口 /网口，体积小，质量轻，功耗低。在本实施例中，数字摄像机采用输出不低于10位的高精度CCD工业相机，数字摄像单元的镜头采用工业镜头；工业相机4负责拍摄稳定的高质量图像并传送给工控机3，所述工业相机4(XD尺寸不低于1/2,分辨率不低于1024x768,逐行扫描,输出不低于10位,中贞率不低于15FPS，USB或网络接口，成像稳定。工业镜头，为C或CS 口。在本实施例中，目标光源为激光光源2，目标黑体为黑箱I。 恒温摄像机罩，上述工业相机4设置在其内，通过风扇与加热器保持温度在工业相机4的精度工作范围内，所述恒温摄像机罩为全天候防护罩，工作环境温度-35-65°C，通过风扇、加热器、遮阳罩等实现恒温。数字云台，可全方位旋转，可设预置位，云台抗强风，运行平稳可靠，且具有停机保护功能。在本实施例中，选用数字云台。数字摄像单元控制器，提供镜头控制，远距离传送，多相机ID设置，提供镜头“变 倍大/小、聚焦远/近、光圈开/关”控制，提供雨刷、灯光等控制。数字云台控制器，提供云台“上、下、左、右”控制，串口服务器，作为通讯接口转换器，完成RS-232/485/422等串口到TCP/IP网络之间的数据转换，可以让串口设备立即联网，实现工业设备的完全自动化联网管理，实现从串口到TCP/IP、TCP/IP到串口的完全透明传输。路由器，负责搭建局域网，使得工控机3可以将数据传送到远处的计算机6，在传输距离不太远时，可避免使用无线模块。无线模块，距离太远时连接远程工控机3与计算机6，进行无线通讯，除了连接计算机6与工控机3以实现对工控机3的控制外，还可以将工控机3计算出的能见度结果传回计算机6，或者把工控机3采集到的图像视频等传回计算机6。无线模块支持双频GSM/GPRS，支持PC发送短消息(SMS)，功耗低，使用方便、灵活、可靠。温湿度传感器，设置于恒温摄像机罩内部和外部，采集恒温摄像机罩内外的温度与湿度，其与工控机3的USB 口连接，因其用于采集摄像机罩内外的温湿度，因此是两套，分别置于机罩内部和外部。防雷器，负责在雷雨天气时将多余的电流引至地下。空气开关，负责对电路(严重过载、欠电压等)进行保护。万向节，固定方向测量时可取代数字云台5，方向确定后不再变动，万向节底部与安装平台连接，可左右旋转，万向节侧面可调工业相机4至抬头或低头，万向节顶部与恒温摄像机罩底部连接，可调节工业相机4的前后位置。外设备防护装置，对室外工作的设备即工控机3、数字摄像单元控制器、数字云台控制器、串口服务器、路由器、无线模块、防雷器、空气开关提供保护，可通过风扇与加热器保持温湿度范围。目标物支架，高度为四米，形状为四棱台，顶面和底面均为正方形，从下到上逐渐收缩以提供稳定的支撑，制作材料为角钢，在顶面安装一个金属板，用于安装目标黑体和目标光源，承重不低于50KG。具体而言，工业相机4的接线如下工业相机4的USB 口 /网口通过USB线/网线与工控机3的USB 口 /网口相连，工业相机4的电源线接220V电源，工业相机4的控制线接数字云台5。具体而言，数字云台5的接线如下数字云台5的电源线接220V电源，数字云台5的控制线接串口服务器。具体而言，云台镜头控制器的接线如下云台镜头控制器的控制线一端接串口服务器，另一端接摄像机罩(控制雨刷等)与工业镜头(控制焦距、聚焦、光圈等)。具体而言，串口服务器的接线如下串口服务器的RS485+与数字云台5的RS485B相连，串口服务器的RS485-与数字云台的RS485W相连，串口服务器通过网线与工控机3相连。具体而言，路由器的接线如下将工控机3和计算机6通过网线相连。具体而言，无线模块的接线如下无线模块通过 USB线与工控机3相连。具体而言，温湿度传感器的接线如下温湿度传感器通过USB线和工控机3相连。具体而言，防雷和空气开关安装如下防雷器和空气开关并排放在一起，入口都是两个接口，分别接外来电源的火线和零线，然后用外包橡胶的粗铜丝将防雷器的火线端与空气开关的火线端相连，将防雷器的零线端和空气开关的零线端相连；在出口这一段，空气开关的两端分别接插座的火线和零线，以给插座供电，防雷器的出口接黄绿色的地线，地线再导引到地下。基于数字摄像法的能见度测量系统的测量方法，步骤如下一、通过支架立杆搭建目标物；二、工业相机4将包括目标物的图像传送给工控机3 ；三、通过网络远程登录的方式，利用计算机6操作工控机3 ；四、根据图像，对工业相机4与工业镜头调整，使得目标物的成像达到最佳效果；五、对目标物及其周围的参照物进行标定；六、根据能见度计算公式求出大气能见度；工控机3每隔一段时间，将能见度以及温度、湿度等数据传送给计算机6，达到全天候24小时的能见度测量。上述实例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出任何的修改和改变，都落入本发明的保护范围。在本发明的上述教导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行各种改进和变形，而这些改进和变形，都落在本发明的保护范围内，本领域技术人员应该明白，上述的具体描述只是更好地解释本发明的目的，本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。
权利要求
1.基于数字摄像法的能见度测量系统，其包括 支撑装置，其用于承载数字摄像单元； 数字摄像单元，其用于拍摄选定的目标物并将所拍摄的目标物图像输出到图像处理单元; 图像处理单元，其对由上述数字摄像单元的拍摄而得到的目标物图像使用目标定位算法来精确定位目标物，提取该目标物的亮度值并输出到能见度计算单元； 能见度计算单元，其根据由上述图像处理单元提取的上述目标物图像的亮度值，使用双亮度差对比公式，计算能见度值，并且求出上述目标物各方向能见度值的算术平均值作为当前能见度； 控制单元，包括数字摄像单元控制器，其对数字摄像单元的镜头进行控制； 网络连接单元，包括与图像处理单元连接的串口服务器，其作为通讯接口转换器；及，计算机；及，路由器，负责搭建连接图像处理单元和计算机的局域网； 设备保护单元，包括室外设备防护装置，该室外设备防护装置具有多层密封绝热结构，容纳需室外工作的设备且对其进行温湿度保护。
2.如权利要求I所述的基于数字摄像法的能见度测量系统，其特征在于， 所述数字摄像单元具有 数字摄像机，其由能够采集不低于10位数字高清图片的高精度CCD相机构成； 恒温摄像机罩，上述数字摄像机设置在其内，该恒温摄像机罩具有多层密封绝热结构，对上述数字摄像机提供工作范围内的温湿度； 温湿度传感器，设置于恒温摄像机罩内部和外部，采集恒温摄像机罩内外的温度与湿度。
3.如权利要求I所述的基于数字摄像法的能见度测量系统，其特征在于， 所述承载台为数字云台或万向节。
4.如权利要求I所述的基于数字摄像法的能见度测量系统，其特征在于， 所述控制单元还包括数字云台控制器，所述数字云台控制器控制数字云台上下左右移动。
5.如权利要求I所述的基于数字摄像法的能见度测量系统，其特征在于， 所述目标物，包括作为白天检测2个或2个以上的目标黑体和作为夜晚检测的2个目标光源；所述2个目标光源是由一束光源通过光学分束器分成的两束光。
6.如权利要求I所述的基于数字摄像法的能见度测量系统，其特征在于， 所述设备保护单元包括将多余的电流引至地下的防雷器。
7.如权利要求I所述的基于数字摄像法的能见度测量系统，其特征在于， 所述设备保护单元包括对电路进行保护的空气开关。
8.如权利要求I所述的基于数字摄像法的能见度测量系统，其特征在于， 所述网络连接单元还包括无线模块，所述无线模块连接图像处理单元和计算机。
9.一种利用权利要求I所述的基于数字摄像法的能见度测量系统的方法， 其特征在于，包括以下步骤 一、搭建目标物； 二、数字摄像单元间隔N分钟拍摄选定的目标物，并将包括目标物的图像传送给图像处理单元； 三、通过网络远程登录的方式，利用计算机操作数字摄像单元控制器和数字云台控制器，对数字云台和镜头调整，使得目标物的成像达到最佳效果； 四、对目标物及其周围的参照物进行标定使用目标定位算法来精确定位上述目标物 图像的目标物并提取该目标物的亮度值； 五、根据能见度计算公式求出大气能见度通过双目标双亮度差对比算法计算上述目标物的各方向能见度值，并求出该各方向能见度值的算术平均均值作为当前能见度值。
全文摘要
本发明为基于数字摄像法的能见度测量系统及方法，包括数字摄像单元、图像处理单元、能见度计算单元、控制单元、网络连接单元，包括与图像处理单元连接的串口服务器，其作为通讯接口转换器；及，计算机；及，路由器，负责搭建连接图像处理单元和计算机的局域网。测量方法搭建目标物；将目标物图像传送给图像处理单元；使用目标定位算法来精确定位上述目标物图像的目标物并提取该目标物的亮度值；通过双目标双亮度差对比算法计算上述目标物的各方向能见度值，并求出该各方向能见度值的算术平均均值作为当前能见度值。本发明与现有技术相比，其利用数字摄像单元获取目标物图像数据，同时利用目标黑体和目标光源以保证目标物的稳定和质量。
文档编号G01N21/01GK102854138SQ20121008066
公开日2013年1月2日 申请日期2012年3月23日 优先权日2012年3月23日
发明者王京丽, 阮顺贤, 赵文芳, 曹晓彦 申请人:中国气象局北京城市气象研究所