一种实时雾霾预警方法及系统与流程

本发明涉及雾霾监测领域，特别涉及一种实时雾霾预警方法及系统。

背景技术：

雾霾是雾和霾的混合物，早晚湿度大时，雾的成分多。白天湿度小时，霾占据主力，相对湿度在80％到90％之间。其中雾是自然天气现象，空气中水汽氤氲，虽然以灰尘作为凝结核，但总体无毒无害。霾的核心物质是悬浮在空气中的烟、灰尘等物质，空气相对湿度低于80％，颜色发黄。气体能直接进入并粘附在人体下呼吸道和肺叶中，对人体健康有伤害。雾霾天气的形成是主要是人为的环境污染，再加上气温低、风小等自然条件导致污染物不易扩散，空气污染日益严重，城市雾霾化已经成为困扰广大市民的重要问题。

目前雾霾监测主要通过气象台进行空气质量监测，利用探测器监测空气中pm2.5指数高低来进行雾霾预警，操作不够便捷，增加人力成本。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种实时雾霾预警方法及系统，可以对指定区域的空气情况进行实时监测，并可以及时在雾霾等级严重发出预警信息，提高雾霾天气监测效率，降低人力成本。

第一方面，本发明提供一种实时雾霾预警方法，预先获取指定区域无雾霾的图像作为基准图像，所述方法包括：

获取指定区域的雾霾图像；

对获取到所述雾霾图像进行去雾处理得到去雾图像；

将所述去雾图像与所述基准图像进行对比得到评价参数，所述评价参数包括图像均值、对比度，根据所述评价参数结合预设雾霾质量评价标准确定所述指定区域的雾霾等级；

当所述指定区域的雾霾等级达到预设预警阈值时向指定对象发送包括雾霾等级的预警信息。

可选地，所述对获取到所述雾霾图像进行去雾处理得到去雾图像，包括：

采用暗原色先验算法对获取到所述雾霾图像进行去雾处理得到去雾图像。

可选地，所述当所述指定区域的雾霾等级达到预设预警阈值时向指定对象发送包括雾霾等级的预警信息，包括：

当所述指定区域的雾霾等级达到预设预警阈值时采用短信或邮件的方式向指定对象发送包括雾霾等级、所述指定区域的定位标识及当前时间的预警信息。

可选地，还包括：

根据所述指定区域的雾霾等级实时更新所述指定区域所在城市的雾霾数据地图。

第二方面，本发明提供一种实时雾霾预警系统，包括：

图像采集模块，用于获取指定区域的雾霾图像以及预先获取指定区域无雾霾的图像作为基准图像；

图像去雾模块，用于对获取到所述雾霾图像进行去雾处理得到去雾图像；

雾霾评价模块，用于将所述去雾图像与所述基准图像进行对比得到评价参数，所述评价参数包括图像均值、对比度，根据所述评价参数结合预设雾霾质量评价标准确定所述指定区域的雾霾等级；

雾霾预警模块，用于当所述指定区域的雾霾等级达到预设预警阈值时向指定对象发送包括雾霾等级的预警信息。

可选地，所述图像去雾模块具体用于：

采用暗原色先验算法对获取到所述雾霾图像进行去雾处理得到去雾图像。

可选地，雾霾评价模块具体用于：

当所述指定区域的雾霾等级达到预设预警阈值时采用短信或邮件的方式向指定对象发送包括雾霾等级、所述指定区域的定位标识及当前时间的预警信息。

可选地，包括：

更新模块，用于根据所述指定区域的雾霾等级实时更新所述指定区域所在城市的雾霾数据地图。

可选地，所述图像采集模块采用具有变焦镜头的cmos相机、图像采集卡以及视频传输线缆，所述cmos相机通过所述视频传输线缆将图像数据传输至所述图像采集卡。

可选地，所述图像采集卡采用sdi数字分量串行接口采集卡，所述视频传输线缆采用同轴线缆。

本发明提供的实时雾霾预警方法及系统，获取指定区域的雾霾图像，对获取到所述雾霾图像进行去雾处理得到去雾图像，将所述去雾图像与所述基准图像进行对比得到评价参数，所述评价参数包括图像均值、对比度，根据所述评价参数结合预设雾霾质量评价标准确定所述指定区域的雾霾等级，当所述指定区域的雾霾等级达到预设预警阈值时向指定对象发送包括雾霾等级的预警信息，可以在雾霾等级达到预警值时候进行及时预警，实现雾霾监测的自动化操作，降低人工成本。

附图说明

图1是本发明实施例中提供的实时雾霾预警方法的方法流程图；

图2是本发明实施例中提供的实时雾霾预警系统的结构框图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

结合图1所示，本发明实施例中提供的一种实时雾霾预警方法，预先获取指定区域无雾霾的图像作为基准图像，所述方法包括：

s101、获取指定区域的雾霾图像。

确定好指定区域后可以在没有雾霾采光良好的时间段获取该指定区域的图像作为雾霾评价时候使用的基准图像，即无雾霾图像，指定区域是指计划监控雾霾的区域，例如某条街道、某个街口、某个广场或者某个建筑物上空等，可以根据监测区域选择，通过布置摄像头进行实时图像的采集，摄像头可以采用具有变焦镜头的cmos相机，由于雾霾天气变化具有一定缓慢性，这里对指定区域的图像采集可以按照周期进行，中间间隔时间可以根据需要灵活选择，如间隔一分钟或十分钟进行一个图像采集，对此不做限定。

s102、对获取到所述雾霾图像进行去雾处理得到去雾图像。

对雾霾图片进行去雾处理的方法可以采用暗原色先验算法，可以采用vs2005软件编写，本领域普通技术人员还可以采用其他的去雾处理方法对此不做限定。

s103、将所述去雾图像与所述基准图像进行对比得到评价参数，所述评价参数包括图像均值、对比度，根据所述评价参数结合预设雾霾质量评价标准确定所述指定区域的雾霾等级。

评价参数可以包括图像均值、对比度以及图像熵值等，图像熵值为图像信息熵，可以表征图像灰度分布的聚集特性，可以在一维熵的基础上引入能够反映灰度分布空间特征的特征量来组成图像的二维熵，图像的对比度指一幅图像中明暗区域最亮的白和最暗的黑之间不同亮度层级的测量，即指一幅图像灰度反差的大小，差异范围越大代表对比越大，差异范围越小代表对比越小，对比去雾前后图像的熵、图像均值及对比度，通过和基准图像的参数值进行对比计算得到评价参数，用评价参数来表征雾霾等级，雾霾等级可以采用优、良、差、严重等，可以用不同的警戒色进行区别，还可以采用具体数值表征雾霾等级，预先划定不同区间，不同的区间可以采用不同颜色，如雾霾严重采用红色，雾霾较少可以采用绿色，若雾霾等级的数值位于某个区间内，则用相应颜色展示该雾霾等级的具体数值。

s104、当所述指定区域的雾霾等级达到预设预警阈值时向指定对象发送包括雾霾等级的预警信息。

在步骤s104中，预设预警阈值可以根据实际使用进行设定，当所述指定区域的雾霾等级达到预设预警阈值时发出预警信息，这里的指定对象可以是环境监测部门、政府工作部门、交通管理部门或者网络运营商，预警信息通知的方式可以采用短信或者邮件的方式，还可以通过自动电话拨号的方式告知，网络运营商可以通过短信直接将预警信息发送至手机用户，预警信息中除了包含雾霾等级之外，还可以包括指定区域的定位标识，如xx街道、xx广场等，用来表示预警信息监测的区域，还可以将出现预警信息的时间一并增加到预警信息中，本领域普通技术人员应当理解，对此不做限定。

可选地，还包括：

在步骤s103之后，还可以根据所述指定区域的雾霾等级实时更新所述指定区域所在城市的雾霾数据地图，雾霾数据地图可以表征整个城市各规划区域的空气分布情况，由多个指定区域组成，每一个指定区域都采用本发明提供的实时预警方法进行预警监控，通过实时监测数据及时更新雾霾数据地图，便于对城市空气进行及时监测，以自动化形式进行，无需人工监测，也可以减少人工成本。

本发明中，雾霾等级可以根据环境空气质量标准和各项污染物对人体健康、生态、环境的影响，将常规监测的几种空气污染物浓度简化成为单一的概念性指数值形式，它将空气污染程度和空气质量状况分级表示，适合于表示城市的短期空气质量状况和变化趋势，参与空气质量评价的主要污染物为细颗粒物、可吸入颗粒物、二氧化硫、二氧化氮、臭氧、一氧化碳等六项。

雾霾等级可以根划分为0－50、51－100、101－150、151－200、201－300和大于300六档，对应于空气质量的六个级别，指数越大，级别越高，说明污染越严重，对人体健康的影响也越明显。

雾霾等级为0－50，空气质量级别为一级，空气质量状况属于优。此时，空气质量令人满意，基本无空气污染，各类人群可正常活动。

雾霾等级为51－100，空气质量级别为二级，空气质量状况属于良。此时空气质量可接受，但某些污染物可能对极少数异常敏感人群健康有较弱影响，建议极少数异常敏感人群应减少户外活动。

雾霾等级为101－150，空气质量级别为三级，空气质量状况属于轻度污染。此时，易感人群症状有轻度加剧，健康人群出现刺激症状。建议儿童、老年人及心脏病、呼吸系统疾病患者应减少长时间、高强度的户外锻炼。

雾霾等级为151－200，空气质量级别为四级，空气质量状况属于中度污染。此时，进一步加剧易感人群症状，可能对健康人群心脏、呼吸系统有影响，建议疾病患者避免长时间、高强度的户外锻练，一般人群适量减少户外运动。

雾霾等级为201－300，空气质量级别为五级，空气质量状况属于重度污染。此时，心脏病和肺病患者症状显著加剧，运动耐受力降低，健康人群普遍出现症状，建议儿童、老年人和心脏病、肺病患者应停留在室内，停止户外运动，一般人群减少户外运动。

雾霾等级大于300，空气质量级别为六级，空气质量状况属于严重污染。此时，健康人群运动耐受力降低，有明显强烈症状，提前出现某些疾病，建议儿童、老年人和病人应当留在室内，避免体力消耗，一般人群应避免户外活动。

对于雾霾等级的计算还可以采用均值、标准差和平均梯度是验证图像质量的常用指标。其中：均值反映了图像的亮度，均值越大说明图像亮度越大，反之越小；标准差反映了图像像素值与均值的离散程度，标准差越大说明图像的质量越好；平均梯度反映了图像的清晰度和纹理变化，平均梯度越大说明图像越清晰；

标准差的计算方法如下：

其中，m*n表示图像的大小，p(i,j)表示第i行、第j列的像素值，u表示均值。

平均梯度的计算公式如下：

其中m*n表示图像大小，表示垂直方向的梯度。

本文从质量评价参数入手，综合图像处理前后图像的平均值，标准差以及梯度，来确认雾霾指数的大小。

n1为图像处理前图像的平均值，n2为图像处理后图像的平均值。

m1为图像处理前图像的标准差，n2为图像处理后图像的标准差。

f1为图像处理前图像的标准差，f2为图像处理后图像的标准差。

雾霾等级一共分为六档，利用图像平均值来评价指数，其计算公式为

mean1值越大，说明雾霾指数越严重，若0<mean1<0.12,雾霾指数最轻为一级，属于最轻度污染，0.12<mean1<0.25,雾霾指数为2级，0.25<mean1<0.33,雾霾指数三级，0.33<mean1<0.45雾霾指数四级，0.45<mean1<0.56雾霾指数五级，0.56<mean1<1雾霾指数六级。

利用图像标准差评价雾霾指数，计算公式为：

mean2值越大，说明雾霾指数越严重，若0<mean2<0.15,雾霾指数最轻为一级，属于最轻度污染，0.15<mean2<0.26,雾霾指数为2级，0.26<mean2<0.37,雾霾指数三级，0.37<mean2<0.49雾霾指数四级，0.49<mean2<0.59雾霾指数五级，0.59<mean2<1雾霾指数六级。

利用平均梯度评价雾霾指数，计算公式为：

mean3值越大，说明雾霾指数越严重，若0<mean3<0.17,雾霾指数最轻为一级，属于最轻度污染，0.17<mean3<0.29,雾霾指数为2级，0.30<mean3<0.41,雾霾指数三级，0.41<mean3<0.52雾霾指数四级，0.52<mean3<0.61雾霾指数五级，0.61<mean3<1雾霾指数六级。

下面针对暗原色先验算法进行去雾处理进行简单介绍：

暗原色先验是基于户外无雾图像数据库得到的一条简单有效的图像先验规律，利用绝大多数户外无雾图像的每个局部区域里，至少存在一个颜色通道的强度值很低，称之为在暗像素，在雾天中，这些暗像素会因为雾光的充斥而强度值变大，因此这些暗像素能够用来评估雾光的透射情况。根据大气散射模型，根据光在雾天传输的物理特性可以得到较好的去雾原像，具体包括：

s1、建立雾天图像去雾模型

大气散射模型如下：

i(x)＝t(x)j(x)+(1-t(x))a(1)

其中，i是输入图像光强度，t指光线透射率，a是大气光成分，j是无雾时景物的光线强度，图像去雾目标就是由已知的i求得未知参数j,a,t，由于方程的个数少于未知量的个数，需增加约束条件来求解，暗原色先验即是其中的一种约束。

s2、暗原色先验

暗原色先验是基于大量户外无雾图像观察到的一条统计规律，在绝大数户外无雾图像的每个局部区域至少存在某个颜色通道的强度值很低。对户外无雾图像j进行分块，对每个像素块定义暗原色如下：

式中：ω(x)是以x为中心的正方形邻域，jc为j三原色的一个通道，j^dark(x)即为图像j在这个邻域的暗原色。观察统计表明j^dark趋于零在有雾霾图像中，暗原色的值会升高。

s3、模型求解

对于t的估计需要以下的假设：每一个像素块的光线透射率是相同的。因此像素块的大小直接影响透射率的估计，像素块较小则t的细节多，层次感好，但会增加运算量，且可能增加局部错误；块较多时，得到的暗原色图分布会很单一，图片的层次感不明显，会使对比度下降。因此分块时可尝试不同的值，以期得到较好的值。假设大气光a已知(事实上t的估计不需要a)，首先在模型(1)两端在每个像素块求取最小值：

根据暗原色先验无雾图像的暗原色趋于零，故由上式可得

而右式第二项即为带雾图像在x邻域的暗原色值，这是可以通过matlab得到的，因此局部区域的t值可以求得。从而可以得到整幅图的透射率t(x)。但当t(x)趋于零时，图像趋于包含噪音，因此常常需要设置一个透射率下限t0(通常设置为0.1)。

大气光的估计：在一般的单一图像去雾中，通常整幅图最大强度的像素作为大气光的估测。

最后得到j的求解公式为：

可以看到原本模糊的图像经处理后变得更加清晰，色彩更鲜明，视觉上感觉更舒适，对于暗原色先验算法，本领域普通技术人员可以理解，此处不作赘述。

结合图2所示，对应地，本发明提供一种实时雾霾预警系统，包括：

图像采集模块201，用于获取指定区域的雾霾图像以及预先获取指定区域无雾霾的图像作为基准图像；

图像去雾模块202，用于对获取到所述雾霾图像进行去雾处理得到去雾图像；

雾霾评价模块203，用于将所述去雾图像与所述基准图像进行对比得到评价参数，所述评价参数包括图像均值、对比度，根据所述评价参数结合预设雾霾质量评价标准确定所述指定区域的雾霾等级；

雾霾预警模块204，用于当所述指定区域的雾霾等级达到预设预警阈值时向指定对象发送包括雾霾等级的预警信息。

可选地，所述图像去雾模块202具体用于：

采用暗原色先验算法对获取到所述雾霾图像进行去雾处理得到去雾图像。

可选地，雾霾评价模块203具体用于：

当所述指定区域的雾霾等级达到预设预警阈值时采用短信或邮件的方式向指定对象发送包括雾霾等级、所述指定区域的定位标识及当前时间的预警信息。

可选地，包括：

更新模块205，用于根据所述指定区域的雾霾等级实时更新所述指定区域所在城市的雾霾数据地图。

可选地，所述图像采集模块201采用具有变焦镜头的cmos相机、图像采集卡以及视频传输线缆，所述cmos相机通过所述视频传输线缆将图像数据传输至所述图像采集卡，cmos相机采用sony面阵相机通过cameralink视频传输线缆将图像传输至天创恒达542n2-sdi图像采集卡，利用opencv2.0图像采集软件采集城市雾霾图像，输入至计算机进行处理。

可选地，所述图像采集卡采用sdi数字分量串行接口采集卡，所述视频传输线缆采用同轴线缆，同轴电缆常用于设备与设备之间的连接，或应用在总线型网络拓扑中。同轴电缆中心轴线是一条铜导线，外加一层绝缘材料，在这层绝缘材料外边是由一根空心的圆柱网状铜导体包裹，最外一层是绝缘层。它与双绞线相比，同轴电缆的抗干扰能力强、屏蔽性能好、传输数据稳定、价格也便宜，而且它不用连接在集线器或交换机上即可使用，线缆线缆接头可以为bnc接头，是一种很常见的rf端子同轴电缆终结器，bnc接口即常说的细同轴电缆接口。bnc接口可以隔绝视频输入信号，使信号间互相干扰减少，且信号带宽要比普通15针的d型接口大，可达到更佳的信号响应效果。

图像去雾模块是201用vs2005软件编写，利用暗原色先验算法进行视频图像去雾。microsoftvisualstudio(简称vs)是美国微软公司的开发工具包系列产品。vs是一个基本完整的开发工具集，它包括了整个软件生命周期中所需要的大部分工具，如uml工具、代码管控工具、集成开发环境(ide)等等。所写的目标代码适用于微软支持的所有平台，包括microsoftwindows、windowsmobile、windowsce、.netframework、.netcompactframework和microsoftsilverlight及windowsphone。visualstudio是目前最流行的windows平台应用程序的集成开发环境。最新版本为visualstudio2017版本，基于.netframework4.5.2.本文所用的软件版本为vs2005。

图像去雾模块202、雾霾评价模块203以及雾霾预警模块204可以集成在计算机上实现，图像采集模块201将采集的图像数据传输至计算机，在计算机安装图像采集软件，图像采集软件为opencv，是一个基于bsd许可(开源)发行的跨平台计算机视觉库，可以运行在linux、windows、android和macos操作系统上，计算机为工业控制计算机，是一种采用总线结构，可以应对苛刻环境的计算机，计算机配置可以为cpu-i73.5g，硬盘为256ssd，内存为8g内存，显卡为geforce9600，主板为华硕主板，满足更多场合使用。

本发明提供的实时雾霾预警方法及系统，获取指定区域的雾霾图像，对获取到所述雾霾图像进行去雾处理得到去雾图像，将所述去雾图像与所述基准图像进行对比得到评价参数，所述评价参数包括图像均值、对比度，根据所述评价参数结合预设雾霾质量评价标准确定所述指定区域的雾霾等级，当所述指定区域的雾霾等级达到预设预警阈值时向指定对象发送包括雾霾等级的预警信息，可以在雾霾等级达到预警值时候进行及时预警，实现雾霾监测的自动化操作，降低人工成本。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(rom，readonlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁盘或光盘等。

以上对本发明所提供的一种识时雾霾预警方法及系统进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。