[發明專利]一種仿人工霧霾監測系統與方法

有效

• 申請號: 201410202090.2
• 申請日: 2014-05-13
• 公開（公告）號: CN103940714B
• 公開（公告）日: 2017-02-15
• 發明（設計）人: 趙儉輝;黃嘉康;葉威
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: G01N15/06
• 分類號: G01N15/06
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙)42222
• 代理人: 胡艷

技術領域

本發明屬于空氣污染防治與霧霾測量技術領域，尤其涉及一種仿人工霧霾監測系統與方法。

背景技術

傳統的霧霾判別通過人工觀測，并結合相對濕度等氣象要素進行分析。目前已有基于氣象站的空氣污染監測系統，站內配備水分測試儀、煙塵濁度儀、黑碳監測儀、氣溶膠監測儀、能見度監測儀、有機碳監測儀、元素碳監測儀、揮發性有機化合物監測儀、紫外輻射計、大氣穩定度監測儀等儀器，可較好地實現針對PM2.5、PM10、黑碳、臭氧、二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳、硫酸鹽、硝酸鹽、銨鹽、揮發性有機化合物、顆粒物粒徑分布、顆粒物化學成分、渾濁度、能見度、氣溶膠厚度、大氣穩定度及其它氣象參數等的指標監測，并根據造成空氣污染的主要物質成分進行霧霾分析。上述設備大多通過物理、化學方法實現監測，如PM2.5監測儀，或通過摩擦靜電技術測量顆粒攜帶的電荷變化從而記錄粉塵的存在；或通過光散射技術利用氣流中的顆粒反射出來的閃光頻率及持續時間來測量顆粒的含量；或通過光吸收技術測量入射光強與出射光強，并基于朗伯比爾定律計算得到粉塵濃度；或通過采樣器以恒速抽取定量體積空氣，使空氣中的PM2.5顆粒被截留在已知質量的濾膜上，再根據采樣前后濾膜的質量差和采樣體積，計算出PM2.5的濃度。

與人工觀測霧霾相比，上述現有儀器采用了非視覺的間接測量方式。同時，因為儀器本身價格較高，只能通過分布稀疏的氣象站點對整個區域進行點狀的有限測量。這些零散分布的監測站點雖然可以對空氣中氣態污染物和顆粒物進行定點的濃度監測，但遠不能全面反映大氣污染的實際情況，更無法做到對污染源、污染物擴散等的定位、跟蹤與分析，無法滿足對空氣污染形成機制、演變和輸送過程等研究的需求。因此，尋找新的成本較低且容易部署的霧霾測量方法，已經成為空氣污染防治的迫切需要。

相比之下，基于數字圖像處理與分析的霧霾測量是一種借助顏色、形狀、紋理等視覺特征的直接測量方式，非常類似于人眼觀測和人對霧霾的真實感受，在原理上與人工觀測最接近，因此是一種新的仿人工霧霾監測方式。數字相機、攝像機等普通成像設備的廣泛應用使得視覺測量的實現非常方便，從而使得針對整個區域的網狀的全面霧霾測量成為可能，為污染治理提供更加豐富的信息。基于數字圖像的仿人工霧霾監測方法從一個新的角度實現對霧霾的測量，截止目前，本領域還沒有這方面的研究出現。

發明內容

針對上述存在的技術問題，本發明的目的是提供一種基于數字圖像處理與分析的仿人工霧霾監測系統與方法，以實現在較低成本條件下，通過易于部署的普通成像設備，借助數字圖像處理與分析技術實現霧霾測量，為空氣污染防治提供更加全面的信息。

為達到上述目的，本發明提供了一種仿人工霧霾監測系統，包括透氣不透光的前端箱體和后臺計算機，前端箱體內設目標物、恒定光源、圖像采集設備和數據傳輸單元，目標物為紅黑相間的棋盤格陣列圖片，恒定光源置于前端箱體內側頂部；圖像采集設備與目標物相對設置，用來拍攝目標物；圖像采集設備通過數據傳輸單元向后臺計算機傳輸數據。

作為優選，前端箱體兩端設有雙拐角進氣口，拐角間內側貼附吸光材料。

上述恒定光源為呈矩陣的組合光源陣列。

本發明還提供了一種仿人工霧霾監測方法，該方法采用上述仿人工霧霾監測系統實現，后臺計算機對目標圖像做如下處理，所述的目標圖像為圖像采集設備拍攝的目標物的圖像：

(1)獲取目標圖像的顏色特征、形狀特征和紋理特征；

(2)獲取目標圖像的各特征相對于無霧霾時目標圖像對應特征的變化率，這里將“各特征相對于無霧霾時目標圖像對應特征的變化率”簡稱為“各特征變化率”；

(3)以目標圖像各特征變化率的平均值為霧霾指數，基于霧霾指數獲得霧霾濃度。

上述目標圖像的顏色特征包括目標圖像中所有像素的色彩飽和度均值和藍色分量均值。

上述目標圖像的形狀特征包括目標圖像的特征點個數比與邊緣點個數比，其中，特征點個數比為目標圖像特征點數占目標圖像所有像素數的比例，邊緣點個數比為目標圖像邊緣點數占目標圖像所有像素數的比例。

上述目標圖像的紋理特征包括目標圖像的灰度共生矩陣參數與小波變換子帶系數。

所述的目標圖像的灰度共生矩陣參數包括灰度共生矩陣的能量參數、熵參數、對比度參數和逆差距參數。

所述的小波變換子帶系數采用如下方法獲得：

對目標圖像進行小波變換獲得子帶圖像，分別計算各子帶圖像的均值系數與標準差系數，即小波變換子帶系數。

上述步驟(3)中所述的基于霧霾指數獲得霧霾濃度具體為：