專利名稱：基于天空可見光圖像的日照時(shí)數(shù)測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氣象探測(cè)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于天空可見光圖像的日照時(shí)數(shù)測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
太陽輻射是影響大氣環(huán)流和氣候變化的重要因素。太陽直接輻射是太陽總輻射的重要組成部分。從觀測(cè)或測(cè)量角度來講，太陽直接輻射通常包括垂直太陽表面(視角約
0.5° )的輻射和太陽周圍很窄的環(huán)形天空的散射輻射(環(huán)日散射)。對(duì)太陽直接輻射強(qiáng)度或者說輻照度的測(cè)量在氣象探測(cè)、太陽能利用以及其它與太陽輻射相關(guān)的領(lǐng)域中有重要的價(jià)值，因此太陽直接輻射強(qiáng)度是氣象部門的常規(guī)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。目前，太陽直接輻射強(qiáng)度的直接測(cè)量是利用太陽直接輻射表。太陽直接輻射表通常主要由進(jìn)光筒、感應(yīng)件和跟蹤裝置構(gòu)成。在工作時(shí)，進(jìn)光筒對(duì)準(zhǔn)太陽；感應(yīng)件吸收太陽直接輻射并將其轉(zhuǎn)換成可測(cè)量的電信號(hào)；跟蹤裝置則用于支撐進(jìn)光筒并能夠跟蹤太陽的移動(dòng)，從而使進(jìn)光筒準(zhǔn)確跟蹤并對(duì)準(zhǔn)太陽。對(duì)于這樣的太陽直接輻射表，跟蹤裝置的微小跟蹤偏差將產(chǎn)生較大的系統(tǒng)偏差。這樣，為了消除系統(tǒng)跟蹤誤差的影響，則要求太陽直接輻射表能夠?qū)崟r(shí)、快速、可靠地跟蹤太陽。這對(duì)跟蹤裝置的要求極高，而且使用和維護(hù)也很復(fù)雜。太陽直接輻射表的一個(gè)應(yīng)用是對(duì)日照時(shí)數(shù)的觀測(cè)和測(cè)量。日照是太陽輻射最直觀的表現(xiàn)。日照時(shí)數(shù)則是指太陽在一地實(shí)際照射的時(shí)數(shù)，其定義為太陽直接輻射強(qiáng)度達(dá)到或超過120W/m2那段時(shí)間的總和，以小時(shí)為單位，取一位小數(shù)。日照時(shí)數(shù)的分布規(guī)律，對(duì)于合理布局農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、規(guī)劃城市建設(shè)、開發(fā)旅游資源、設(shè)計(jì)太陽能電站等具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。由于太陽直接輻射表可以獲得任何指定時(shí)刻的太陽直接輻射強(qiáng)度，因此，其可以直接用來定時(shí)測(cè)量太陽直接輻射強(qiáng)度并統(tǒng)計(jì)日照時(shí)數(shù)。由于對(duì)日照時(shí)數(shù)的測(cè)量并不需要獲得各個(gè)時(shí)刻準(zhǔn)確的太陽直接輻射強(qiáng)度，僅需要判斷太陽直接輻射強(qiáng)度是否達(dá)到或超過120W/m2這個(gè)閾值，因此現(xiàn)有技術(shù)中也有一些不使用太陽直接輻射表的日照時(shí)數(shù)觀測(cè)方案?；跓鄯ǖ娜照諘r(shí)數(shù)觀測(cè)儀器主要有暗筒式日照計(jì)和聚焦式日照計(jì)。這是國(guó)內(nèi)大多數(shù)氣象臺(tái)站目前使用的日照觀測(cè)儀器。但暗筒式和聚焦式日照計(jì)的業(yè)務(wù)觀測(cè)離不開人工操作，如日照紙需人工制作、安裝和更換，日照時(shí)數(shù)需要根據(jù)感光跡線(或焦痕)進(jìn)行人工判斷等，這使得該類型儀器的自動(dòng)化程度較低?；谳椛錅y(cè)量法的日照時(shí)數(shù)觀測(cè)儀器除了前述的太陽直射輻射表外，還有雙金屬片日照傳感器等。雙金屬片日照傳感器采用的雙金屬片是機(jī)械形變型元件，易受膨脹和收縮的溫度效應(yīng)影響，重復(fù)性較差，且長(zhǎng)期穩(wěn)定性難以保證，導(dǎo)致該類型傳感器測(cè)量精度不聞。此外，荷蘭Kipp & Zonen公司的CSD型太陽日照儀利用三個(gè)電子光敏器件來測(cè)定太陽總輻照度和散射輻照度，再利用總輻照度與散射輻照度之差得到太陽直接輻照度，該太陽直接輻照度可用來統(tǒng)計(jì)和計(jì)算日照時(shí)數(shù)。中國(guó)氣象科學(xué)研究院設(shè)計(jì)過一種利用積分球原理的日照計(jì)來計(jì)算日照時(shí)數(shù)。但由于各自的一些不足，都未能在業(yè)務(wù)上得到廣泛應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于以一種全新的構(gòu)思提供一種全新的太陽直接輻射強(qiáng)度測(cè)量方法，并且基于該太陽直接輻射強(qiáng)度測(cè)量方法提供一種太陽直接輻射強(qiáng)度測(cè)量裝置以及一種日照時(shí)數(shù)測(cè)量方法。本申請(qǐng)的基本構(gòu)思源于本申請(qǐng)的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)天空可見光圖像中太陽及其周圍高亮度像素的數(shù)量能夠反映太陽直接輻射強(qiáng)度的大小。具體來說，本申請(qǐng)人的發(fā)明人分析了在一較長(zhǎng)時(shí)間范圍內(nèi)同步觀測(cè)的太陽直接輻射強(qiáng)度資料序列和對(duì)應(yīng)的天空可見光圖像序列。本發(fā)明人驚奇地發(fā)現(xiàn)，天空可見光圖像中太陽及其周圍一定區(qū)域內(nèi)的高亮度像素的數(shù)、量與太陽直接輻射強(qiáng)度之間呈現(xiàn)明顯的單調(diào)遞增的關(guān)系，并且可以通過擬合算法得到擬合函數(shù)以反映高亮度像素?cái)?shù)量與太陽直接輻射強(qiáng)度之間的擬合關(guān)系。按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種基于天空可見光圖像的太陽直接輻射強(qiáng)度測(cè)量方法，包括圖像獲取步驟利用圖像獲取設(shè)備獲取預(yù)定時(shí)刻的天空可見光圖像；高亮度像素計(jì)數(shù)步驟搜索所述天空可見光圖像的預(yù)定區(qū)域內(nèi)的高亮度像素，并對(duì)高亮度像素的數(shù)量進(jìn)行計(jì)數(shù)；輻射強(qiáng)度計(jì)算步驟基于預(yù)先確定的天空可見光圖像中所述預(yù)定區(qū)域內(nèi)的高亮度像素的數(shù)量與太陽直接輻射強(qiáng)度之間的擬合關(guān)系，根據(jù)所述高亮度像素的數(shù)量計(jì)算所述預(yù)定時(shí)刻的太陽直接輻射強(qiáng)度。優(yōu)選地，所述預(yù)定區(qū)域可以為所述天空可見光圖像中太陽及其周圍預(yù)定范圍內(nèi)的區(qū)域。優(yōu)選地，所述預(yù)定區(qū)域可以為從所述天空可見光圖像中的太陽圖像的中心點(diǎn)延伸預(yù)定半徑的圓形區(qū)域。優(yōu)選地，所述的太陽直接輻射強(qiáng)度測(cè)量方法還可以包括太陽圖像中心點(diǎn)確定步驟，用于確定所述天空可見光圖像中的所述太陽圖像的中心點(diǎn)在所述天空可見光圖像中的位置。優(yōu)選地，在所述太陽圖像中心點(diǎn)確定步驟中，可以根據(jù)在所述預(yù)定時(shí)刻太陽相對(duì)于所述圖像獲取設(shè)備的高度角和方位角，計(jì)算所述太陽圖像的中心點(diǎn)在所述天空可見光圖像中的位置。優(yōu)選地，所述預(yù)定半徑可以為所述天空可見光圖像中的太陽圖像的半徑的I. I 3倍，更優(yōu)選為I. 2 2倍。優(yōu)選地，所述高亮度像素可以為所述天空可見光圖像中灰度值大于或等于預(yù)定的灰度閾值的像素。優(yōu)選地，所述灰度閾值在200-255之間選取。優(yōu)選地，所述擬合關(guān)系為y=a*ebx+c其中，y為所述預(yù)定區(qū)域內(nèi)的高亮度像素的數(shù)量，X為太陽直接輻射強(qiáng)度，a，b，c為擬合系數(shù)。
優(yōu)選地，所述的太陽直接輻射強(qiáng)度測(cè)量方法還包括圖像獲取設(shè)備調(diào)節(jié)步驟調(diào)節(jié)所述圖像獲取設(shè)備，使得對(duì)于小于最大可能太陽直接輻射強(qiáng)度的任一太陽直接輻射強(qiáng)度，所述圖像獲取設(shè)備所獲得的所述天空可見光圖像的預(yù)定區(qū)域中包含非高亮度像素。優(yōu)選地，所述圖像獲取設(shè)備可以為全視野天空可見光圖像獲取設(shè)備，用于獲取全視野天空可見光圖像。按照本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種基于天空可見光圖像的太陽直接輻射強(qiáng)度測(cè)量裝置，包括全視野天空?qǐng)D像獲取設(shè)備，用于獲取預(yù)定時(shí)刻的全視野天空可見光圖像；太陽圖像中心點(diǎn)計(jì)算模塊，用于計(jì)算所述全視野天空可見光圖像中的太陽圖像的中心點(diǎn)在所述全視野天空可見光圖像中的位置； 高亮度像素計(jì)數(shù)模塊，用于在以所述太陽圖像的中心點(diǎn)為圓心的預(yù)定半徑范圍內(nèi)搜索灰度值大于或等于預(yù)定的灰度閾值的高亮度像素，并對(duì)高亮度像素的數(shù)量進(jìn)行計(jì)數(shù)；輻射強(qiáng)度計(jì)算模塊，用于基于預(yù)先確定的高亮度像素的數(shù)量與太陽直接輻射強(qiáng)度之間的擬合關(guān)系，根據(jù)所述高亮度像素的數(shù)量計(jì)算所述預(yù)定時(shí)刻的太陽直接輻射強(qiáng)度。按照本發(fā)明的又一個(gè)方面，提供了一種基于天空可見光圖像的日照時(shí)數(shù)測(cè)量方法，包括圖像獲取步驟利用圖像獲取設(shè)備以預(yù)定的時(shí)間間隔獲取一系列天空可見光圖像；高亮度像素計(jì)數(shù)步驟對(duì)于每一個(gè)天空可見光圖像，搜索其預(yù)定區(qū)域內(nèi)的高亮度像素，并對(duì)高亮度像素的數(shù)量進(jìn)行計(jì)數(shù)；日照判斷步驟對(duì)于每一個(gè)天空可見光圖像，判斷其是否表示有日照；其中，當(dāng)所述天空可見光圖像的高亮度像素的數(shù)量大于或等于一高亮度像素?cái)?shù)量閾值時(shí)，表示有日照；當(dāng)所述天空可見光圖像的高亮度像素的數(shù)量小于所述高亮度像素?cái)?shù)量閾值時(shí)，表示無日照；日照時(shí)數(shù)計(jì)算步驟根據(jù)所述時(shí)間間隔的大小以及表示有日照的天空可見光圖像的數(shù)量來計(jì)算日照時(shí)數(shù)。優(yōu)選地，所述的日照時(shí)數(shù)測(cè)量方法還可以包括高亮度像素?cái)?shù)量閾值確定步驟基于預(yù)先確定的天空可見光圖像中所述預(yù)定區(qū)域內(nèi)的高亮度像素的數(shù)量與太陽直接輻射強(qiáng)度之間的擬合關(guān)系，根據(jù)一預(yù)定的太陽直接輻射強(qiáng)度閾值計(jì)算對(duì)應(yīng)的高亮度像素?cái)?shù)量閾值。優(yōu)選地，所述預(yù)定區(qū)域可以為所述天空可見光圖像中太陽及其周圍預(yù)定范圍內(nèi)的區(qū)域。優(yōu)選地，所述預(yù)定區(qū)域可以為從所述天空可見光圖像中的太陽圖像的中心點(diǎn)延伸預(yù)定半徑的圓形區(qū)域。優(yōu)選地，所述的日照時(shí)數(shù)測(cè)量方法還可以包括太陽圖像中心點(diǎn)確定步驟對(duì)于每一個(gè)所述天空可見光圖像，確定其中的所述太陽圖像的中心點(diǎn)在所述天空可見光圖像中的位置。優(yōu)選地，在所述太陽圖像中心點(diǎn)確定步驟中，對(duì)于每一所述天空可見光圖像，可以根據(jù)在該天空可見光圖像所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻太陽相對(duì)于所述圖像獲取設(shè)備的高度角和方位角，計(jì)算所述太陽圖像的中心點(diǎn)在該天空可見光圖像中的位置。優(yōu)選地，所述預(yù)定半徑為所述天空可見光圖像中的太陽圖像的半徑的I. I 3倍，更優(yōu)選為I. 2 2倍。優(yōu)選地，所述高亮度像素為所述天空可見光圖像中灰度值大于或等于預(yù)定的灰度閾值的像素。優(yōu)選地，所述灰度閾值在200-255之間選取。優(yōu)選地，所述擬合關(guān)系為y=a*ebx+c其中，y為所述預(yù)定區(qū)域內(nèi)的高亮度像素的數(shù)量，X為太陽直接輻射強(qiáng)度，a，b，c為擬合系數(shù)。
優(yōu)選地，所述圖像獲取設(shè)備可以為全視野天空可見光圖像獲取設(shè)備，用于獲取全視野天空可見光圖像。本發(fā)明的技術(shù)方案具有如下有益效果(I)本發(fā)明通過擬合分析在天空可見光圖像與太陽直接輻射強(qiáng)度之間建立起關(guān)聯(lián)，從而提供了一種新穎的通過圖像處理和分析的方式來探測(cè)或測(cè)量太陽直接輻射強(qiáng)度的方法。這為太陽直接輻射強(qiáng)度的測(cè)量提供了一種新的可選方案；(2)在本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施方式中，通過利用全視野的天空可見光圖像，可以避免使用復(fù)雜的太陽追蹤裝置，同時(shí)也避免了由追蹤誤差所帶來的系統(tǒng)測(cè)量誤差；(3)本發(fā)明的太陽直接輻射強(qiáng)度的測(cè)量方法可以無障礙地應(yīng)用于各種與太陽直接輻射強(qiáng)度測(cè)量相關(guān)的領(lǐng)域中，如日照時(shí)數(shù)的測(cè)量；(4)由于本發(fā)明的太陽直接輻射強(qiáng)度的測(cè)量方法以及日照時(shí)數(shù)測(cè)量方法主要是通過圖像處理和分析的方式來進(jìn)行，因此非常適合于通過計(jì)算機(jī)來自動(dòng)處理，能夠極大地提高工作效率。


圖I (a)和圖I (b)示出了兩幅不同的全視野天空可見光圖像；圖2是全視野天空可見光圖像中太陽圖像中心點(diǎn)位置的計(jì)算示意圖；圖3是按照本發(fā)明的基于天空可見光圖像的太陽直接輻射強(qiáng)度測(cè)量方法的流程圖；圖4是按照本發(fā)明的太陽直接輻射強(qiáng)度測(cè)量裝置的一個(gè)實(shí)施例；圖5是按照本發(fā)明的基于天空可見光圖像的日照時(shí)數(shù)測(cè)量方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。在本發(fā)明的基本構(gòu)思中，核心是天空可見光圖像中太陽及其周圍高亮度像素的數(shù)量與太陽的直接輻射強(qiáng)度之間的擬合關(guān)系，因此，下文首先分別詳細(xì)描述圖像獲取步驟、高亮度像素計(jì)數(shù)步驟以及擬合步驟。圖像獲取步驟圖像獲取步驟是利用圖像獲取設(shè)備獲取預(yù)定時(shí)刻的天空可見光圖像。該天空可見光圖像中包含有所希望的預(yù)定區(qū)域的圖像。通常，該預(yù)定區(qū)域的圖像是指太陽及其周圍預(yù)定范圍內(nèi)的圖像。在一個(gè)實(shí)施例中，該圖像獲取設(shè)備可以為全視野天空可見光圖像獲取設(shè)備，如現(xiàn)有技術(shù)中已有的各種全天空成像儀或全視野觀測(cè)系統(tǒng)，其能夠獲得基本上整個(gè)天空的全視野可見光圖像。這樣獲得的天空可見光圖像稱為全視野天空可見光圖像。圖I (a)和圖I(b)分別示出了兩幅不同的全視野天空可見光圖像，其中，在圖I (a)中，由于云層遮擋或其它原因，太陽圖像被遮蔽；而在圖I (b)中能夠明顯看到太陽圖像。在其它實(shí)施例中，該圖像獲取設(shè)備可以是有限視野的局部天空可見光圖像獲取設(shè)備，只要該局部天空可見光圖像中包含有所需要的預(yù)定區(qū)域即可。這樣獲得的天空可見光圖像稱為局部天空可見光圖像。對(duì)于局部天空可見光圖像獲取設(shè)備，其最好具有太陽跟蹤裝置，以便跟蹤太陽的運(yùn)行，從而能夠在任意指定時(shí)刻的局部天空可見光圖像中都包含有·所需要的預(yù)定區(qū)域的圖像。
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相比于局部天空可見光圖像獲取設(shè)備，全視野天空可見光圖像獲取設(shè)備可以避免使用復(fù)雜的太陽跟蹤裝置，并且進(jìn)一步避免由于跟蹤誤差所帶來的系統(tǒng)測(cè)量誤差。
_5] 高亮度像素計(jì)數(shù)步驟高亮度像素計(jì)數(shù)步驟是要搜索天空可見光圖像的預(yù)定區(qū)域內(nèi)的高亮度像素，并對(duì)高亮度像素的數(shù)量進(jìn)行計(jì)數(shù)。為此，首先需要確定所需要的預(yù)定區(qū)域。如前所述，該預(yù)定區(qū)域通常是太陽及其周圍預(yù)定范圍內(nèi)的區(qū)域，使得該預(yù)定區(qū)域的圖像主要反映太陽表面的直接輻射和環(huán)日散射，以便能夠排除掉由于云層散射等原因帶來的干擾。盡管該預(yù)定區(qū)域可以在對(duì)天空可見光圖像進(jìn)行圖像處理時(shí)在圖像上人工設(shè)定，但是為了便于自動(dòng)化處理，該預(yù)定區(qū)域最好可以用可計(jì)算得到的太陽圖像的中心點(diǎn)為基準(zhǔn)來設(shè)定。太陽圖像的中心點(diǎn)在天空可見光圖像中的位置可以根據(jù)不同的圖像獲取設(shè)備并利用各種已知的參數(shù)來計(jì)算得到。例如，當(dāng)利用全視野天空可見光圖像獲取設(shè)備來獲取天空可見光圖像時(shí)，該全視野天空可見光圖像獲取設(shè)備通常采用魚眼鏡頭，則太陽圖像的中心點(diǎn)的位置可以按照?qǐng)D2所示方式計(jì)算得到。如圖2所示，全視野天空可見光圖像獲取設(shè)備中的魚眼鏡頭是朝天頂方向拍攝，魚眼圖像中的方位是上北(N)、下南(S)、左東(E)、右西(W)。0點(diǎn)是天頂在魚眼圖像中的投影點(diǎn)，也是魚眼圖像的中心點(diǎn)，OD是魚眼圖像的成像半徑，T為太陽在天球中的位置，P為太陽在魚眼圖像中的成像點(diǎn)，也就是太陽圖像的中心點(diǎn)。H為太陽高度角，取值范圍為0°、0°。六為太陽的方位角，取值范圍為-180° ^+180°，方位角以正南方向?yàn)榱?，由南向東向北為負(fù)，由南向西向北為正。其中，高度角H和方位角A可以利用圖像獲取設(shè)備所處的經(jīng)度、緯度和圖像成像時(shí)間計(jì)算得到。日出時(shí)，太陽高度角為零，此時(shí)P點(diǎn)與D點(diǎn)重合，太陽當(dāng)頂時(shí)，太陽高度角為90°，P點(diǎn)則與0點(diǎn)重合，依據(jù)等角投影原理，OP與OD之間的通用關(guān)系可表示為，
op — 90°-iy ~of)~ ~a~其中，a為魚眼鏡頭視角的一半。結(jié)合太陽方位角A，可得出太陽在魚眼圖像中的具體位置坐標(biāo)為，X = Cx+0D*sinA* (90。_H) / a
Y = Cy+0D*cosA* (90。_H) / a其中，式中X為太陽中心在魚眼圖像中的橫坐標(biāo)，Y為縱坐標(biāo)，Cx, Cy為魚眼圖像中心點(diǎn)的坐標(biāo)。盡管在上文中描述了對(duì)于采用魚眼鏡頭的全視野天空可見光圖像獲取設(shè)備如何獲取太陽圖像的中心點(diǎn)的一種方式，但是應(yīng)當(dāng)理解，在其它實(shí)施例中，也可以采用其它方式來確定太陽圖像的中心點(diǎn)。在一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)采用跟蹤太陽的方式獲得局部天空可見光圖像時(shí)，該局部天空可見光圖像的中心點(diǎn)即可視為其中太陽圖像的中心點(diǎn)。在另一個(gè)實(shí)施例中，也可直接對(duì)天空可見光圖像進(jìn)行圖像處理，采用圖像識(shí)別的方式搜索太陽圖像并估算其中心點(diǎn)位置。 當(dāng)確定天空可見光圖像中太陽圖像的中心點(diǎn)位置后，則可以以該中心點(diǎn)位置為基準(zhǔn)設(shè)定所需要的預(yù)定區(qū)域。在一個(gè)實(shí)施例中，該預(yù)定區(qū)域?yàn)橐蕴枅D像的中心點(diǎn)開始延伸預(yù)定半徑的圓形區(qū)域。在一個(gè)實(shí)施例中，該預(yù)定半徑的大小可以通過觀察并分析所獲得的天空可見光圖像或者根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來人工預(yù)先設(shè)定。在其它實(shí)施例中，該預(yù)定半徑也可以以太陽圖像的半徑為基準(zhǔn)來設(shè)定。例如，該預(yù)定半徑可以為I. I 3倍太陽圖像半徑，優(yōu)選是
I.2 2倍太陽圖像半徑。太陽圖像的半徑可以通過觀察并分析太陽圖像或者根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來人工預(yù)先設(shè)定?；蛘撸枅D像的半徑也可以用計(jì)算機(jī)圖形處理的方式來獲得，如采用圖像識(shí)別的方式搜索太陽圖像并估算其半徑。為了便于計(jì)算機(jī)處理，前述預(yù)定區(qū)域的半徑和/或太陽圖像的半徑可以以像素的個(gè)數(shù)為單位，在一個(gè)僅為示例性的實(shí)施例中，太陽圖像半徑可以為200個(gè)像素，則預(yù)定區(qū)域的半徑則可以相應(yīng)為300個(gè)像素。確定了所需要的預(yù)定區(qū)域之后，則可以用計(jì)算機(jī)對(duì)該天空可見光圖像進(jìn)行處理，在該預(yù)定區(qū)域范圍內(nèi)搜索各個(gè)像素，判斷各個(gè)像素是否為聞売度像素，并對(duì)聞売度像素的數(shù)量進(jìn)行計(jì)數(shù)。在本申請(qǐng)中，高亮度像素是指灰度值大于或等于預(yù)定的灰度閾值的像素；相應(yīng)地，灰度值小于預(yù)定的灰度閾值的像素為非高亮度像素。當(dāng)圖像獲取設(shè)備獲得的是無符號(hào)8位灰度圖時(shí),貝U可設(shè)定單個(gè)灰度閾值。在一個(gè)實(shí)施例中，該灰度閾值可以在200-255之間選取。當(dāng)圖像獲取設(shè)備獲得的是彩色圖像時(shí)，可以為各個(gè)顏色通道分別設(shè)定相同的或不同的灰度閾值，或者可以轉(zhuǎn)化成一個(gè)灰度圖并設(shè)定一個(gè)灰度閾值。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，高亮度像素計(jì)數(shù)步驟可以完全由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成。例如，在將天空可見光圖像輸入計(jì)算機(jī)后，可以用計(jì)算機(jī)對(duì)該圖像進(jìn)行分析和處理，根據(jù)已知參數(shù)計(jì)算天空可見光圖像中的太陽圖像的中心點(diǎn)位置；自動(dòng)搜索以該中心點(diǎn)位置為圓心預(yù)定半徑范圍內(nèi)的各個(gè)像素，將各像素的灰度值與灰度閾值進(jìn)行比較，以判斷各個(gè)像素是否為高亮度像素，并統(tǒng)計(jì)高亮度像素的數(shù)量。擬合步驟擬合步驟用來建立天空可見光圖像中預(yù)定區(qū)域內(nèi)的高亮度像素的數(shù)量與太陽直接輻射強(qiáng)度之間的擬合關(guān)系。在擬合步驟中，可以利用在一較長(zhǎng)時(shí)間范圍內(nèi)同步觀測(cè)的太陽直接輻射強(qiáng)度資料序列和對(duì)應(yīng)的天空可見光圖像序列來分析天空可見光圖像的預(yù)定區(qū)域內(nèi)的高亮度像素的數(shù)量與太陽直接輻射強(qiáng)度之間的回歸擬合關(guān)系。太陽直接輻射強(qiáng)度資料序列可以通過現(xiàn)有技術(shù)的手段獲得，例如利用太陽直接輻射表來直接測(cè)量。對(duì)于每一個(gè)天空可見光圖像來說，其圖像的獲取以及對(duì)其中預(yù)定區(qū)域內(nèi)的高亮度像素的數(shù)量的計(jì)數(shù)可以按照前述圖像獲取步驟以及高亮度像素計(jì)數(shù)步驟中的描述來執(zhí)行。這樣，在獲得一系列天空可見光圖像及相應(yīng)的預(yù)定區(qū)域內(nèi)的高亮度像素?cái)?shù)量后，結(jié)合同步獲得的太陽直接輻射強(qiáng)度資料序列，即可對(duì)高亮度像素?cái)?shù)量與太陽直接輻射強(qiáng)度之間的關(guān)系進(jìn)行回歸擬合分析。本申請(qǐng)的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，這兩者之間呈現(xiàn)明顯的單調(diào)非線性特性。在一個(gè)實(shí)施例中，所獲得的高亮度像素?cái)?shù)量與對(duì)應(yīng)的太陽直接輻射強(qiáng)度之間具有較好的指數(shù)關(guān)系，擬合函數(shù)如下y=a*ebx+c其中，y為天空可見光圖像中預(yù)定區(qū)域內(nèi)的高亮度像素的數(shù)量，X為太陽直接輻射強(qiáng)度，a，b，c為擬合系數(shù)。在其它實(shí)施例中，天空可見光圖像中預(yù)定區(qū)域內(nèi)的高亮度像素的數(shù)量與對(duì)應(yīng)的太陽直接輻射強(qiáng)度之間可以為其它形式的擬合關(guān)系，例如多項(xiàng)式函數(shù)形式的擬合關(guān)系。對(duì)天空可見光圖像中預(yù)定區(qū)域的選擇以及對(duì)灰度閾值的選擇也可能會(huì)影響擬合關(guān)系的具體形式。但是，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，在獲得一系列天空可見光圖像的預(yù)定區(qū)域內(nèi)的高亮度像素?cái)?shù)量數(shù)據(jù)以及對(duì)應(yīng)的太陽直接輻射強(qiáng)度數(shù)據(jù)后，很容易通過擬合算法獲得反映這兩者之間擬合關(guān)系的擬合函數(shù)的具體形式。太陽肓接輻射強(qiáng)度測(cè)暈方法和裝置圖3示出了按照本發(fā)明的基于天空可見光圖像的太陽直接輻射強(qiáng)度測(cè)量方法的流程圖。如圖3所示，步驟101為擬合步驟，其可以按照前文描述的擬合步驟進(jìn)行，以建立天空可見光圖像的預(yù)定區(qū)域內(nèi)的高亮度像素的數(shù)量與太陽直接輻射強(qiáng)度之間的擬合關(guān)系。步驟102為圖像獲取步驟，其可以按照前文描述的圖像獲取步驟進(jìn)行，以利用圖像獲取設(shè)備獲取預(yù)定時(shí)刻的天空可見光圖像。需要注意的是，在步驟102中，獲取天空可見光圖像的條件，如圖像獲取設(shè)備的光圈大小和曝光時(shí)間等，最好與擬合步驟101中進(jìn)行擬合時(shí)獲取天空可見光圖像時(shí)的條件保持一致，以便在后續(xù)步驟中可以最恰當(dāng)?shù)厥褂貌襟E101中所確定的擬合關(guān)系。步驟103為高亮度像素計(jì)數(shù)步驟，其可以按照前文描述的高亮度像素計(jì)數(shù)步驟進(jìn)行，以便搜索天空可見光圖像的預(yù)定區(qū)域內(nèi)的高亮度像素，并對(duì)高亮度像素的數(shù)量進(jìn)行計(jì)數(shù)。需要注意的是，在步驟103中，對(duì)于預(yù)定區(qū)域的選定以及對(duì)高亮度像素的判斷準(zhǔn)則應(yīng)該與步驟101中進(jìn)行擬合時(shí)的設(shè)定保持一致，以便最恰當(dāng)?shù)厥褂貌襟E101中所確定的擬合關(guān)系。步驟104為輻射強(qiáng)度計(jì)算步驟，在該步驟104中，基于步驟101中預(yù)先建立的擬合關(guān)系，則可以根據(jù)步驟103中獲得高亮度像素的數(shù)量計(jì)算得到所述預(yù)定時(shí)刻(即步驟102中所獲得的天空可見光圖像所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻)的太陽直接輻射強(qiáng)度。在這里需要注意的是，在一些情況下，當(dāng)太陽直接輻射強(qiáng)度比較大時(shí)，例如處于某一較大數(shù)值(如1000W/m2)以上時(shí)，太陽可見光圖像的預(yù)定區(qū)域內(nèi)的像素可能會(huì)全部為高亮度像素，這樣，本發(fā)明的太陽直接輻射強(qiáng)度測(cè)量方法則會(huì)無法區(qū)分該數(shù)值之上的各個(gè)太陽直接輻射強(qiáng)度。因此，在圖像獲取步驟中，最好將圖像獲取設(shè)備調(diào)節(jié)成這樣，即對(duì)于小于最大可能太陽直接輻射強(qiáng)度的任一太陽直接輻射強(qiáng)度，圖像獲取設(shè)備所獲得的天空可見光圖像的預(yù)定區(qū)域中包含非高亮度像素。這樣，對(duì)于任一太陽直接輻射強(qiáng)度值，都有一個(gè)不同的、高亮度像素?cái)?shù)量值與之對(duì)應(yīng)。對(duì)圖像獲取設(shè)備的調(diào)節(jié)可以包括1)在成像時(shí)，用較小的光圈和較短的曝光時(shí)間等；或2)在鏡頭前增加濾光片，調(diào)整進(jìn)光量。圖4示出了執(zhí)行該測(cè)量方法的太陽直接輻射強(qiáng)度測(cè)量裝置的一個(gè)實(shí)施例，該裝置可以包括全視野天空?qǐng)D像獲取設(shè)備、太陽圖像中心點(diǎn)計(jì)算模塊、高亮度像素計(jì)數(shù)模塊和輻射強(qiáng)度計(jì)算模塊。其中，太陽圖像中心點(diǎn)計(jì)算模塊、高亮度像素計(jì)算模塊和輻射強(qiáng)度計(jì)算模塊可以由裝有專用程序的計(jì)算機(jī)(如圖4中的虛框所示)來實(shí)現(xiàn)。全視野天空?qǐng)D像獲取設(shè)備用于獲取預(yù)定時(shí)刻的全視野天空可見光圖像。然后，將所獲得的全視野天空可見光圖像輸入計(jì)算機(jī)中。在計(jì)算機(jī)中，太陽圖像中心點(diǎn)計(jì)算模塊根據(jù)該全視野天空可見光圖像對(duì)應(yīng)的時(shí)刻的太陽高度角和方位角來計(jì)算該圖像中的太陽圖像的中心點(diǎn)的位置。高亮度像素計(jì)數(shù)模塊在以太陽圖像的中心點(diǎn)為圓心的預(yù)定半徑范圍內(nèi)搜索該全視野天空可見光圖像中灰度值大于或等于預(yù)定的灰度閾值的高亮度像素，并對(duì)高亮度像素的數(shù)量進(jìn)行計(jì)數(shù)。輻射強(qiáng)度計(jì)算模塊基于預(yù)先確定的高亮度像素的數(shù)量與太陽直 接輻射強(qiáng)度之間的擬合關(guān)系，根據(jù)所獲得的高亮度像素的數(shù)量來計(jì)算該預(yù)定時(shí)刻的太陽直接福射強(qiáng)度。本發(fā)明的太陽直接輻射強(qiáng)度測(cè)量裝置可以自動(dòng)完成對(duì)太陽直接輻射強(qiáng)度的測(cè)量。日照時(shí)數(shù)測(cè)暈方法圖5示出了按照本發(fā)明的基于天空可見光圖像的日照時(shí)數(shù)測(cè)量方法的流程圖。如圖5所示，步驟201為擬合步驟，其可以按照前文描述的擬合步驟進(jìn)行，以建立天空可見光圖像的預(yù)定區(qū)域內(nèi)的高亮度像素的數(shù)量與太陽直接輻射強(qiáng)度之間的擬合關(guān)系。步驟202為圖像獲取步驟，利用圖像獲取設(shè)備在預(yù)定的時(shí)間范圍內(nèi)以預(yù)定的時(shí)間間隔獲取一系列天空可見光圖像。對(duì)于每一個(gè)天空可見光圖像，都可以按照前文描述的圖像獲取步驟進(jìn)行。需要注意的是，在步驟202中，獲取天空可見光圖像的條件，如圖像獲取設(shè)備的光圈大小和曝光時(shí)間等，最好與擬合步驟201中進(jìn)行擬合時(shí)獲取天空可見光圖像時(shí)的條件保持一致，以便在后續(xù)步驟中可以最恰當(dāng)?shù)厥褂貌襟E201中所確定的擬合關(guān)系。步驟203是高亮度像素計(jì)數(shù)步驟，搜索各天空可見光圖像的預(yù)定區(qū)域內(nèi)的高亮度像素，并對(duì)高亮度像素的數(shù)量進(jìn)行計(jì)數(shù)。對(duì)于每一個(gè)天空可見光圖像，都可以按照前文描述的高亮度像素計(jì)數(shù)步驟進(jìn)行。需要注意的是，在步驟203中，對(duì)于各個(gè)天空可見光圖像的預(yù)定區(qū)域的選定以及對(duì)高亮度像素的判斷準(zhǔn)則應(yīng)該與步驟201中進(jìn)行擬合時(shí)的設(shè)定保持一致，以便最恰當(dāng)?shù)厥褂貌襟E201中所確定的擬合關(guān)系。步驟204是日照判斷步驟，用于判斷各天空可見光圖像是否表示有日照。對(duì)于一個(gè)天空可見光圖像來說，當(dāng)在步驟203中所得到的高亮度像素的數(shù)量大于或等于預(yù)定的高亮度像素?cái)?shù)量閾值時(shí)，則該天空可見光圖像表示有日照；當(dāng)在步驟203中所得到的高亮度像素的數(shù)量小于該高亮度像素?cái)?shù)量閾值時(shí)，則該天空可見光圖像表示無日照。在這里，高亮度像素?cái)?shù)量閾值對(duì)應(yīng)為一個(gè)太陽直接輻射強(qiáng)度閾值。通常，在氣象領(lǐng)域中，太陽直接輻射強(qiáng)度或者說輻照度達(dá)到或超過120W/m2時(shí)為有日照，小于120W/m2時(shí)則表示無日照，因此可將120W/m2作為太陽直接輻射強(qiáng)度閾值。根據(jù)該太陽直接輻射強(qiáng)度閾值，并基于步驟201中確定的擬合關(guān)系，則可以計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的高亮度像素?cái)?shù)量閾值。步驟205為日照時(shí)數(shù)計(jì)算步驟，根據(jù)步驟202中設(shè)定的時(shí)間間隔的大小以及表示有日照的天空可見光圖像的數(shù)量來計(jì)算日照時(shí)數(shù)。在一個(gè)實(shí)施例中，可以將所獲得的一系列天空可見光圖像中表示有日照的時(shí)刻記為1，無日照的時(shí)刻記為O，形成一個(gè)離散的日照信息序列。累積日照信息序列中所有I出現(xiàn)的次數(shù)，將此次數(shù)乘以步驟202中設(shè)定的時(shí)間 間隔，則可獲得步驟202中所設(shè)定的時(shí)間范圍的日照時(shí)數(shù)。當(dāng)步驟202中的時(shí)間范圍設(shè)定為包括從日出到日落的整個(gè)可照時(shí)長(zhǎng)時(shí)，則可以計(jì)算得到全天的日照時(shí)數(shù)。本發(fā)明的日照時(shí)數(shù)測(cè)量方法可以利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成對(duì)日照時(shí)數(shù)的測(cè)量。
權(quán)利要求
1.一種基于天空可見光圖像的日照時(shí)數(shù)測(cè)量方法，包括 圖像獲取步驟利用圖像獲取設(shè)備以預(yù)定的時(shí)間間隔獲取一系列天空可見光圖像； 高亮度像素計(jì)數(shù)步驟對(duì)于每一個(gè)天空可見光圖像，搜索其預(yù)定區(qū)域內(nèi)的高亮度像素，并對(duì)高亮度像素的數(shù)量進(jìn)行計(jì)數(shù)； 日照判斷步驟對(duì)于每一個(gè)天空可見光圖像，判斷其是否表示有日照；其中，當(dāng)所述天空可見光圖像的高亮度像素的數(shù)量大于或等于一高亮度像素?cái)?shù)量閾值時(shí)，表示有日照；當(dāng)所述天空可見光圖像的高亮度像素的數(shù)量小于所述高亮度像素?cái)?shù)量閾值時(shí)，表示無日照； 日照時(shí)數(shù)計(jì)算步驟根據(jù)所述時(shí)間間隔的大小以及表示有日照的天空可見光圖像的數(shù)量來計(jì)算日照時(shí)數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的日照時(shí)數(shù)測(cè)量方法，其特征在于，還包括高亮度像素?cái)?shù)量閾 值確定步驟基于預(yù)先確定的天空可見光圖像中所述預(yù)定區(qū)域內(nèi)的高亮度像素的數(shù)量與太陽直接輻射強(qiáng)度之間的擬合關(guān)系，根據(jù)一預(yù)定的太陽直接輻射強(qiáng)度閾值計(jì)算對(duì)應(yīng)的高亮度像素?cái)?shù)量閾值。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的日照時(shí)數(shù)測(cè)量方法，其特征在于，所述預(yù)定區(qū)域?yàn)樗鎏炜湛梢姽鈭D像中太陽及其周圍預(yù)定范圍內(nèi)的區(qū)域。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的日照時(shí)數(shù)測(cè)量方法，其特征在于，所述預(yù)定區(qū)域?yàn)閺乃鎏炜湛梢姽鈭D像中的太陽圖像的中心點(diǎn)延伸預(yù)定半徑的圓形區(qū)域。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的日照時(shí)數(shù)測(cè)量方法，其特征在于，還包括太陽圖像中心點(diǎn)確定步驟對(duì)于每一個(gè)所述天空可見光圖像，確定其中的所述太陽圖像的中心點(diǎn)在所述天空可見光圖像中的位置。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的日照時(shí)數(shù)測(cè)量方法，其特征在于，在所述太陽圖像中心點(diǎn)確定步驟中，對(duì)于每一所述天空可見光圖像，根據(jù)在該天空可見光圖像所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻太陽相對(duì)于所述圖像獲取設(shè)備的高度角和方位角，計(jì)算所述太陽圖像的中心點(diǎn)在該天空可見光圖像中的位置。
7.根據(jù)權(quán)利要求4-6中任一項(xiàng)所述的日照時(shí)數(shù)測(cè)量方法，其特征在于，所述預(yù)定半徑為所述天空可見光圖像中的太陽圖像的半徑的I. I 3倍，更優(yōu)選為I. 2 2倍。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述的日照時(shí)數(shù)測(cè)量方法，其特征在于，所述高亮度像素為所述天空可見光圖像中灰度值大于或等于預(yù)定的灰度閾值的像素。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的日照時(shí)數(shù)測(cè)量方法，其特征在于，所述灰度閾值在200-255之間選取。
10.根據(jù)權(quán)利要求2-9中任一項(xiàng)所述的日照時(shí)數(shù)測(cè)量方法，其特征在于，所述擬合關(guān)系為y=a*ebx+c 其中，Y為所述預(yù)定區(qū)域內(nèi)的高亮度像素的數(shù)量，X為太陽直接輻射強(qiáng)度，a, b，c為擬合系數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開一種基于天空可見光圖像的日照時(shí)數(shù)測(cè)量方法，包括利用圖像獲取設(shè)備以預(yù)定時(shí)間間隔獲取一系列天空可見光圖像；對(duì)于每一個(gè)天空可見光圖像，搜索其預(yù)定區(qū)域內(nèi)的高亮度像素，并對(duì)高亮度像素?cái)?shù)量進(jìn)行計(jì)數(shù)；對(duì)于每一個(gè)天空可見光圖像，判斷是否表示有日照；當(dāng)天空可見光圖像的高亮度像素的數(shù)量大于或等于一高亮度像素?cái)?shù)量閾值時(shí)，表示有日照，否則表示無日照；根據(jù)時(shí)間間隔的大小以及表示有日照的天空可見光圖像的數(shù)量來計(jì)算日照時(shí)數(shù)。本發(fā)明通過擬合分析在天空可見光圖像與太陽直接輻射強(qiáng)度之間建立起關(guān)聯(lián)，從而提供了一種新穎的通過圖像處理和分析的方式來探測(cè)或測(cè)量太陽直接輻射強(qiáng)度的方法。這為日照時(shí)數(shù)的測(cè)量提供了一種新的可選方案。
文檔編號(hào)G01W1/12GK102721988SQ20121019958
公開日2012年10月10日 申請(qǐng)日期2012年6月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月14日
發(fā)明者呂偉濤, 姚雯, 楊俊 , 馬穎 申請(qǐng)人:中國(guó)氣象科學(xué)研究院