云检测及全天空总云量检测方法和系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种云检测及全天空总云量检测方法和系统。该系统包括：图像获取设备：用于获取预定时刻的天空的云图；天空类型确定模块：用于确定在所述预定时刻所述天空的天空类型；云检测模块：通过分割阈值来检测所述云图中的云；全天空总云量计算模块：用于根据所述全天空云图中的云占整个所述全天空云图的比例来计算天空总云量。本发明通过不同天空类型对应的天空云图分割阈值来检测云图中的云，充分考虑了不同天气状况对全天空云图检测结果的影响，使得云检测精度更高。
【专利说明】云检测及全天空总云量检测方法和系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及气象探测领域，尤其涉及一种天空的云检测方法和系统。
【背景技术】
[0002]云量是指云遮蔽天空视野的成数。云量的观测包括总云量和低云量。总云量是指观测时天空被所有的云遮蔽的总成数，低云量是指天空被低云族的云所遮蔽的成数，均记整数。
[0003]现有的地基总云量观测方法可分成人工目测法、反演法和遥感成像法等。其中，人工目测法是国内大多数气象台站目前最常用的云量观测方法，但这种方式带有很大的主观性，已成为制约地面气象观测自动化的一个瓶颈。
[0004]反演法是指不直接对总云量进行观测，而通过其它观测要素来反演总云量，如激光云高仪采用单点测量数据通过时间积分来反演全天空总云量，以及多光谱旋转遮蔽影带福射仪(Mult1-filter Rotating Shadowband Radiometers, MFRSR)利用不同波段下的全天空散射通量通过相关的辐射转换模型来反演全天空总云量。但这些反演算法大都基于一些理想的假定条件，而实际天空很难与之完全一致，因而反演法只能作为全天空总云量计算的一种补充手段。
[0005]遥感成像法主要是采用遥感成像的方式，从地面向上拍摄云图，再采用图像处理算法进行云检测来计算总云量，这是当前利用器测来观测总云量的主要手段。基于遥感成像法的仪器主要有全天空成像仪(Whole Sky Imager, WSI)、总天空成像仪(Total SkyImager, TSI)和全天空成像系统(All-sky Imager System, ASIs)等,这些仪器在获取全天空云图时对太阳都采取了一定的遮挡措施，以减轻太阳对图像质量的影响。但在对太阳进行遮挡时，需要实时对太阳进行跟踪，而该跟踪装置结构复杂，且对太阳进行遮挡时也会对图像中的部分区域同时形成遮挡，这也将在一定程度上影响总云量计算的精度。
[0006]另外，在云检测算法方面，目前主要是基于分割阈值，即，为云图中的某种可量化信息(例如像素点的亮度值或灰度值)设定分割阈值，根据该可量化信息与该分割阈值的关系(高于或者低于)，将各像素点确定为云或者非云，从而将全天空云图分成云和非云两部分，再统计云部分占全天空云图的比例，从而得全天空总云量。但已经发现，这样的方法对于一部分的全天空云图总云量的计算精度较低。
【发明内容】
[0007]本申请的发明人发现，之所以目前的基于分割阈值的云检测算法对于一些云图的云量计算的精度较低，一个重要的原因是这些云检测算法在设定分割阈值时均没有考虑天空类型因素的影响，而是对不同的天空类型采用相同的分割阈值或相同的分割阈值设定方式。
[0008]本发明的目的之一在于以一种全新的构思提供一种全新的云检测及全天空总云量检测方法。本发明的另一目的在于提高云检测及全天空总云量检测的计算精度。[0009]为了实现上述至少一个目的，本发明提供了一种云检测方法，包括:
[0010]图像获取步骤:利用图像获取设备获取预定时刻的天空的云图；
[0011]天空类型确定步骤:确定在所述预定时刻所述天空的天空类型；其中，所述天空类型选自用于表示天空云量范围的多种预设天空类型中的一种；
[0012]云检测步骤:使用分割阈值来检测所述云图中的云；其中，所述分割阈值根据与所述多种预设天空类型分别对应的多种不同的分割阈值设定方式中的一种来确定。
[0013]优选地，在所述天空类型确定步骤中，根据所述云图的信息熵来确定在所述预定时刻所述天空的所述天空类型。
[0014]优选地，所述云图的所述信息熵是所述云图的亮度信息熵或与所述云图对应的灰度图的灰度信息熵。
[0015]优选地，所述云图的所述信息熵的计算公式为:
【权利要求】
1.一种云检测方法,包括: 图像获取步骤:利用图像获取设备获取预定时刻的天空的云图； 天空类型确定步骤:确定在所述预定时刻所述天空的天空类型；其中，所述天空类型选自用于表示天空云量范围的多种预设天空类型中的一种； 云检测步骤:使用分割阈值来检测所述云图中的云；其中，所述分割阈值根据与所述多种预设天空类型分别对应的多种不同的分割阈值设定方式中的一种来确定。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述天空类型确定步骤中，根据所述云图的亮度信息熵来确定在所述预定时刻所述天空的所述天空类型。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在天空类型确定步骤中，还包括将所述亮度信息熵与预设的一个或多个信息熵阈值进行比较，以确定所述天空类型。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述多种预设天气类型包括晴空、阴天和多云；所述一个或多个信息熵阈值包括第一和第二信息熵阈值，且所述第一信息熵阈值小于所述第二信息熵阈值； 其中，在所述亮度信息熵小于所述第一信息熵阈值的情况下，确定所述天空类型为阴天；在所述亮度信息熵大于所述第二信息熵阈值的情况下，确定所述天空类型为多云；在所述亮度信息熵处于所述第一和第二信息熵阈值之间的情况下，确定所述天空类型为晴空。
5.根据权利要求4所述的方法,其特征在于,所述第一信息熵阈值选自1.9-2.1,和/或所述第二信息熵阈值选自2.35-2.55。
6.根据权利要求1-5.中任一项所述的方法，其特征在于，在所述云检测步骤中，还包括对所述云图中的各像素进行蓝红波段的归一化差值处理，以得到各像素的归一化灰度值；并且，将所述归一化灰度值与所述分割阈值进行比较来确定所述云图中的云。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述多种分割阈值设定方式包括:在所述天空类型为多云的情况下，所述分割阈值采用基于最大类间方差的自适应阈值。
8.根据权利要求6-7中任一项所述的方法，其特征在于，所述多种分割阈值设定方式包括:在所述天空类型为阴天的情况下，所述分割阈值为μ_3σ ;在所述天空类型为晴空的情况下，所述分割阈值为μ+3σ ; 其中，μ为经过所述归一化差值处理后所述云图的所述归一化灰度值的均值，σ为经过所述归一化差值处理后所述云图的所述归一化灰度值的方差。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的方法，其特征在于，还包括曝光时间确定步骤:确定所述图像获取设备在所述预定时刻获取所述云图时所使用的满足一个或多个预定条件的曝光时间； 其中，所述一个或多个预定条件包括:所述云图中的第一预选区域和第二预选区域的平均亮度值均处于预定亮度上限和预定亮度下限之间；所述第二预选区域小于并完全包含于所述第一预选区域。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的方法，其特征在于，在所述图像获取步骤中，所述图像获取设备在不遮挡太阳的情况下获取所述云图。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的方法，其特征在于，所述云图为全天空云图。
12.一种全天空总云量检测方法，包括权利要求11所述的方法，还包括总云量计算步骤:根据所述全天空云图中的云占整个所述全天空云图的比例来计算天空总云量。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，在所述全天空云图中包含太阳图像的情况下，所述天空总云量不包含所述太阳图像占整个所述云图的比例。
14.一种云检测系统,包括: 图像获取设备，用于获取预定时刻的天空的云图； 天空类型确定模块，用于确定在所述预定时刻所述天空的天空类型；其中，所述天空类型选自用于表示天空云量范围的多种预设天空类型中的一种； 云检测模块，通过分割阈值来检测所述云图中的云；其中，所述分割阈值根据与所述多种预设天空类型分别对应的多种不同的分割阈值设定方式中的一种来确定。
15.根据权利要求17所述的云检测系统，其特征在于，所述天空类型确定模块配置成根据所述云图的亮度信息熵来确定在所述预定时刻所述天空的所述天空类型。
16.根据权利要求14或15所述的云检测系统，其特征在于，还包括: 自动曝光模块，用于确定所述图像获取设备在所述预定时刻获取所述云图时所使用的满足一个或多个预定条件的曝光时间； 其中，所述一个或多个预定条件包括:所述云图中的第一预选区域和第二预选区域的平均亮度值均处于预定亮度上限和预定亮度下限之间；所述第二预选区域小于并完全包含于所述第一预选区域。
17.根据权利要求14-16中任一项所述的云检测系统，其特征在于，所述云图为全天空云图，所述图像获取设备构造成不遮挡太阳的情况下获取所述全天空云图。
18.一种全天空总 云量检测系统，包括权利要求17所述的云检测系统，还包括全天空总云量计算模块，用于根据所述全天空云图中的云占整个所述全天空云图的比例来计算天空总云量。
【文档编号】G01W1/00GK103472501SQ201310404266
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年9月6日 优先权日:2013年9月6日
【发明者】杨俊 , 吕伟涛, 马颖, 姚雯 申请人:中国气象科学研究院