辐射亮温与摄影测量相结合的云底高度测量系统及方法
【专利摘要】本发明公开了一种辐射亮温与摄影测量相结合的云底高度测量系统及方法，该方法包括：对两个热红外图像传感器进行内方位元素标校和辐射亮温标校，利用该两个热红外图像传感器分别拍摄云图，并获得原始亮温数据；分别对两红外云图图像进行图像增强、滤波处理，对图像进行特征提取和匹配；根据图像匹配的结果获得同名点；当红外云图纹理清晰时根据双成像摄影测量原理计算获得云底高度；根据图像的原始亮温数据获取同名点对应的亮温值，建立云底高度和亮温之间的关系；当红外云图图像纹理模糊或无纹理时，基于前一时刻云底高度和亮温之间的关系计算云底高度，本发明可在减少雾霾影响提高数据获取率的同时保证了云高测量精度。
【专利说明】辐射亮温与摄影测量相结合的云底高度测量系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种云底高度测量系统及方法，特别是涉及一种辐射亮温与摄影测量 相结合的云底高度测量系统及方法。
【背景技术】
[0002] 云在天气系统发展、降水形成和大气辐射传输等物理过程中扮演着非常重要的角 色，准确、及时地获取云的信息(云底高度、云量、云状)，对气象、民航等诸多领域都有着十 分重要的意义。然而，目前气象台站云的观测仍以人工目测为主，人为主观因素大，如何准 确有效地进行云自动化观测是云探测领域的一项重要任务。
[0003] 目前国内外云高测量以通过亮温反演的红外测量云高(云底高度）和通过激光反 射测量单点云高的技术为主。通过亮温反演云高的红外测量系统由于红外波段较长，受雾 霾影响小，因此具有较高的数据捕获率，但其需要建立大气辐射模型，计算复杂且测量精度 不高；通过激光反射测量云高受气溶胶影响较大，在雾霾等天气条件下云高探测能力较差。
[0004] 随着数字摄像技术和立体视觉传感器的发展，双目成像视觉传感器以结构简单、 使用方便、测量精度高等诸多优点被广泛应用，红外双目成像测绘技术也常用于测量云底 高度。红外双目成像测绘技术是采用直接摄影测量技术，测量精度高，且采用红外相机，受 雾霾影响小，但由于摄影测量技术需要通过图像匹配获取同名点，当云图分布较均匀时无 法准确地得到同名点，从而无法计算云底高度，数据捕获率较差。
【发明内容】
[0005] 为克服上述现有技术存在的不足，本发明之一目的在于提供一种辐射亮温与摄影 测量相结合的云底高度测量系统及方法，其通过将基于云底红外辐射亮温技术和摄影测量 技术相结合，在减少雾霾影响提高数据获取率的同时保证了云高测量精度。
[0006] 为达上述及其它目的，本发明提出一种辐射亮温与摄影测量相结合的云底高度测 量系统，包括： 图像采集单元，包括至少两个热红外图像传感器，并对两个热红外图像传感器进行内 方位元素标校和辐射亮温标校，同时拍摄云图，获得两红外云图图像； 图像增强与匹配模块，用于对各红外云图图像进行图像增强、滤波处理后，对图像进行 特征提取和匹配； 同名点获取模块，基于摄像测量原理，根据图像匹配的结果获得同名点； 云底高度计算模块，当红外云图纹理清晰时根据双成像摄影测量原理利用云高计算公 式获得云底高度； 图像原始亮温数据获取模块，利用热红外图像传感器获得原始红外亮温图； 梯度关系建立模块，根据图像的原始亮温数据获取同名点对应的亮温值，建立云底高 度和壳温之间的关系； 云底高反演模块，用于当红外云图图像纹理模糊或无纹理时，基于前一时刻云底高度 和壳温之间的关系计算获得Z?底1?度。
[0007] 进一步地，所述云高计算公式为：
【权利要求】
1. 一种辐射亮温与摄影测量相结合的云底高度测量系统，包括： 图像采集单元，包括至少两个热红外图像传感器，并对两个热红外图像传感器进行内 方位元素标校和辐射亮温标校，同时拍摄云图，获得两红外云图图像； 图像增强与匹配模块，用于对各红外云图图像进行图像增强、滤波处理后，对图像进行 特征提取和匹配； 同名点获取模块，基于摄像测量原理，根据图像匹配的结果获得同名点； 云底高度计算模块，于红外云图纹理清晰时根据双成像摄影测量原理利用云高计算公 式获得云底高度； 图像原始亮温数据获取模块，利用热红外图像传感器获得原始红外亮温图； 梯度关系建立模块，根据图像的原始亮温数据获取同名点对应的亮温值，建立云底高 度和壳温之间的关系； 云底高反演模块，用于当红外云图图像纹理模糊或无纹理时，基于前一时刻云底高度 和壳温之间的关系计算获得Z?底_度。
2. 如权利要求1所述的一种辐射亮温与摄影测量相结合的云底高度测量系统，其特征 在于，所述云高计算公式为：
其中，Z为云底高度，f为图像传感器的焦距长，B为两个热红外图像传感器之间的基线 长度，AX为两个热红外图像传感器的视差。
3. 如权利要求2所述的一种辐射亮温与摄影测量相结合的云底高度测量系统，其特征 在于，所述梯度关系建立t旲块建立的z?底_度和壳温之间的关系为： 当tl-t2小于某一时间段时，则云底高度和亮温关系为 f(B)= (B1-B2) /(H1-H2) 其中，tl设为当前时刻，tl时刻所述云底高度计算模块通过摄影测量原理计算的云高 为H1，所述梯度关系建立模块获得同名点对应的亮温值为Bl，t2设为前一时刻，所述云 底高度计算模块通过摄影测量技术计算的云高为H2,所述梯度关系建立模块获得同名点对 应的亮温值为B2。
4. 如权利要求3所述的一种辐射亮温与摄影测量相结合的云底高度测量系统，其特征 在于，所述云底高反演模块利用以下反演云底高度计算公式计算t3时刻的云底高度H3: H3=H1+ (B3-Bl)/f(B) 其中B3为t3时刻获得的同名点对应的亮温值。
5. 如权利要求1所述的一种辐射亮温与摄影测量相结合的云底高度测量系统，其特征 在于：所述云底高度计算模块在计算云底高度之前先进行现场相对姿态校准。
6. -种辐射亮温与摄影测量相结合的云底高度测量方法，包括如下步骤： 步骤一，设置两个热红外图像传感器，并对两个热红外图像传感器进行内方位元素标 校和辐射亮温标校，利用该两个热红外图像传感器分别拍摄云图，获得两红外云图图像，并 获得原始亮温数据； 步骤二，分别对两红外云图图像进行图像增强、滤波处理，对图像进行特征提取和匹 配； 步骤三，基于摄像测量原理，根据图像匹配的结果获得同名点； 步骤四，当红外云图纹理清晰时根据双成像摄影测量原理利用云高计算公式获得云底 高度； 步骤五，根据图像的原始亮温数据获取同名点对应的亮温值，建立云底高度和亮温之 间的关系； 步骤六，当红外云图图像纹理模糊或无纹理时，基于前一时刻云底高度和亮温之间的 关系计算获得Z?底_度。
7. 如权利要求6所述的一种辐射亮温与摄影测量相结合的云底高度测量方法，其特征 在于，于步骤四中，所述云高计算公式为：
其中，Z为云底高度，f为图像传感器的焦距长，B为两个热红外图像传感器之间的基线 长度，AX为两个热红外图像传感器的视差。
8. 如权利要求7所述的一种辐射亮温与摄影测量相结合的云底高度测量方法，其特征 在于，于步骤五中，建立的云底高度和亮温之间的关系为： 当tl-t2小于某一时间段时，则云底高度和亮温关系为 f(B)= (B1-B2) /(H1-H2) 其中，tl设为当前时刻，tl时刻通过摄影测量原理计算的云高为H1，获得同名点对应 的亮温值为Bl，t2设为前一时刻，通过摄影测量技术计算的云高为H2,获得同名点对应的 亮温值为B2。
9. 如权利要求8所述的一种辐射亮温与摄影测量相结合的云底高度测量方法，其特征 在于，于步骤六中，利用以下反演云底高度计算公式计算t3时刻的云底高度H3: H3=H1+ (B3-Bl)/f(B) 其中B3为t3时刻获得的同名点对应的亮温值。
10. 如权利要求1所述的一种辐射亮温与摄影测量相结合的云底高度测量方法，其特 征在于：在步骤四之前，还包括进行现场相对姿态校准的步骤。
【文档编号】G01C5/00GK104406569SQ201410730855
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年12月5日 优先权日:2014年12月5日
【发明者】陶法, 马舒庆, 秦勇 申请人:中国气象局气象探测中心