[發(fā)明專利]一種基于云圖陰影匹配算法的云層高度估算方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010784447.8
• 申請日: 2020-08-06
• 公開（公告）號: CN112085751A
• 公開（公告）日: 2020-12-15
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 黃洵;戚軍
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: G06T7/13
• 分類號: G06T7/13;G06T7/33;G06T7/66;G06T7/73
• 代理公司: 杭州天正專利事務(wù)所有限公司 33201
• 代理人: 王兵

1.一種基于云圖陰影匹配算法的云層高度估算方法，包括如下步驟：

步驟1，確定云圖拍攝地點T的經(jīng)度和緯度，同步拍攝云圖和地面陰影圖像，并記錄拍攝時刻；

步驟2，根據(jù)拍攝時刻和拍攝地點的經(jīng)緯度，確定太陽高度角β₂；

步驟3，識別云圖及其投射在地面上的地面陰影圖像，并提取云圖和地面陰影圖像的邊緣信息；

步驟4，采用云圖陰影匹配算法，確定云圖上云團和地面陰影圖像上陰影的映射關(guān)系，選擇云圖上的云團匹配點C和地面陰影圖像上的陰影匹配點S；

步驟5，根據(jù)云團匹配點C，確定云團方位角α₁以及云團高度角α₂；

步驟6，根據(jù)陰影匹配點S確定實際地面陰影上的實際陰影點R，并確定實際陰影點R的方位角β₁、實際陰影點R與云圖拍攝地點T之間的距離l_TR；

步驟7，建立方程估算云層高度，具體計算方程如下，式中H為云層高度。

2.如權(quán)利要求1所述的估算方法，其特征在于：所述步驟2具體包括：

步驟2-1，根據(jù)拍攝時刻t，時角ω的計算公式如下，式中t為24小時制時刻；

ω＝(t-12)×15 (2)

步驟2-2，根據(jù)太陽赤緯角δ、當?shù)鼐暥纫约皶r角ω，太陽高度角β₂計算公式如下：

3.如權(quán)利要求1所述的估算方法，其特征在于：所述步驟3具體包括：

步驟3-1，消除云圖中遮光帶及支架遮擋區(qū)域，修復(fù)被消除區(qū)域，提取云圖有效區(qū)域，最后對云圖進行邊緣提取并以南北方向為軸翻轉(zhuǎn)圖像獲得云圖的邊緣信息；

步驟3-2，對地面陰影圖像根據(jù)拍攝角度進行修正處理，二值化圖像，區(qū)分出遮擋區(qū)域及未遮擋區(qū)域，最后進行邊緣提取獲得地面陰影圖像的邊緣信息。

4.如權(quán)利要求1所述的估算方法，其特征在于：所述步驟4具體包括：

步驟4-1，用數(shù)組Point以從左至右、從上至下的順序依次記錄云圖邊緣圖像上的所有邊緣像素點，共有N個像素點，Point(j)表示數(shù)組中的第j個點，j＝1,2,……，N；

步驟4-2，將地面陰影邊緣圖像進行第i次縮放，縮放后，從左至右、從上至下確定第一個陰影邊緣像素點為第i次縮放下的陰影匹配點S_i，i＝1，2，……，M，M為總的縮放次數(shù)；

步驟4-3，以點S_i為地面陰影邊緣圖像疊加起始點，以Point(j)為云圖邊緣圖像疊加起始點，進行云圖和地面陰影邊緣圖像的疊加；

步驟4-4，疊加后的圖像與原云圖邊緣圖像作差得到誤差像素圖，計算其上像素點個數(shù)作為疊加誤差值e_ij，i＝1，2，……，M，j＝1,2,……，N；

步驟4-5，判斷Point數(shù)組中的點是否都已作為云圖邊緣圖像疊加起始點進行疊加，若是，進入下一步，若否，則返回步驟4-3進行；

步驟4-6，判斷所有縮放次數(shù)是否都已完成，若是，進入下一步，若否，則返回步驟4-2進行；

步驟4-7，比較所有的疊加誤差值e_ij，i＝1，2，……，M，j＝1,2,……，N，取最小疊加誤差值對應(yīng)的下標i和j，則Point(j)點記為云圖上的云團匹配點C，S_i記為地面陰影圖像上的陰影匹配點S。

5.如權(quán)利要求1所述的估算方法，其特征在于：所述步驟5具體包括：

步驟5-1，以翻轉(zhuǎn)后的云圖邊緣圖像的圓心為原點，東方向為X軸正方向，北方向為Y軸正方向建立云圖圖像坐標系，記云團匹配點C的坐標為(x₂,y₂)，云團方位角計算公式如下：

步驟5-2，根據(jù)云圖拍攝設(shè)備的最大云圖半徑像素值r、最大半徑對應(yīng)的最大天頂角θ以及云團匹配點C的坐標(x₂,y₂)，云團高度角計算公式如下：

6.如權(quán)利要求1所述的估算方法，其特征在于：所述步驟6具體包括：

步驟6-1，以陰影邊緣圖像西南角為原點，東方向為X軸正方向，北方向為Y軸正方向建立陰影圖像坐標系，讀取陰影匹配點S的坐標為(x,y)；以云圖拍攝地點T為原點，東方向為X軸正方向，北方向為Y軸正方向建立實際陰影坐標系。記實際陰影點R坐標為(x₁,y₁)；

步驟6-2，由于陰影匹配點的坐標(x,y)為陰影邊緣圖像坐標，因此需要轉(zhuǎn)換為上述建立的實際陰影坐標系下的坐標，即實際陰影點R的坐標。根據(jù)陰影匹配點S坐標(x,y)、陰影圖像最大坐標(x_max,y_max)、地面實際陰影西南角坐標(a,b)、地面實際陰影圖像長L和寬W，實際陰影點R坐標(x₁,y₁)計算公式如下：

步驟6-3，根據(jù)實際陰影點R坐標(x₁,y₁)，地面陰影方位角β₁計算公式如下：

步驟6-4，根據(jù)實際陰影點R坐標(x₁,y₁)，地面實際陰影點R與云圖拍攝設(shè)備之間的距離l_TR的計算公式如下：