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基于双目成像云底高度测量方法

陶法 马舒庆 秦勇 胡树贞 温显罡 雷勇 郭伟 张春波

陶法, 马舒庆, 秦勇, 等. 基于双目成像云底高度测量方法. 应用气象学报, 2013, 24(3): 323-331..
引用本文: 陶法, 马舒庆, 秦勇, 等. 基于双目成像云底高度测量方法. 应用气象学报, 2013, 24(3): 323-331.
Tao Fa, Ma Shuqing, Qin Yong, et al. Cloud base height measurement methods based on dual-camera stereovision. J Appl Meteor Sci, 2013, 24(3): 323-331.
Citation: Tao Fa, Ma Shuqing, Qin Yong, et al. Cloud base height measurement methods based on dual-camera stereovision. J Appl Meteor Sci, 2013, 24(3): 323-331.

基于双目成像云底高度测量方法

资助项目: 

中国气象局气象新技术推广项目 CMATG2010Z06

详细信息
    通信作者:

    陶法, email: taofa@163.com

Cloud Base Height Measurement Methods Based on Dual-camera Stereovision

  • 摘要: 采用基线长为60 m的一对数字摄像机,构成双目成像云底高度测量系统,随着数字摄像技术和立体视觉传感器的发展,尤其是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而被广泛应用。通过直方图均衡化方法对图像进行增强,利用亚像素角点检测器检测角点提高测量精度,并采用归一化互相关方法进行区域相关检测寻找同名点,将外极线约束引入图像匹配过程中进行同名点粗差去除,提高测量准确度;再根据匹配特征点得到相对视差,利用摄影测量原理计算云底高度;建立三维实验室标校场对相机进行内外方位元素标校,利用星星相对位置与相机姿态角的关系对相机进行现场标校,简化标校系统提高测量精度。利用2011年5月1日—6月30日采集的样本,在北京市观象台与维萨拉生产的CL31激光云高仪进行对比试验,并对产生云底高度测量系统误差的可能原因做出具体分析。
  • 图  1  系统结构示意图

    Fig. 1  System structure diagram

    图  2  系统功能框图

    Fig. 2  The block diagram of system function

    图  3  双目成像测距原理示意图

    Fig. 3  The principle diagram of dual-camera stereovision distance measurement

    图  4  亚像素点检测示意图

    Fig. 4  The schematic diagram of subpixel detection

    图  5  2011年5月10日10:32 (北京时,下同) 同一时刻两幅云图同名点 (同名点数为1713)

    (a) 经过图像匹配之后的同名点图,(b) 经过旋转变换之后的同名点图

    Fig. 5  The drawing of the closest points (the number: 1713) in two images at 1032 BT 10 May in 2011

    (a) the closest points map through image matching, (b) the closest points map through rotation transformation

    图  6  相机姿态投影示意图

    Fig. 6  The diagram of camera attitude projection

    图  7  2011年5月10日10:32云图经过姿态角校正前 (a)、校正后 (b) 的云底高度直方图分布

    Fig. 7  The histogram of cloud base height before (a) and after (b) attitude angle correction at 1032 BT 10 May 2011

    图  8  2011年5月1日—6月30日双成像云高仪与维萨拉激光云高仪云底高度对比分布

    Fig. 8  Comparison of cloud base height by dual-camera stereovision and CL31 from 1 May to 30 June in 2011

    图  9  双成像云高仪与维萨拉激光云高仪云底高度散点图

    Fig. 9  Scattered plot of cloud base height by dual-camera stereovision and CL31

    表  1  某一时刻的星星位置

    Table  1  The star positions

    图像1星星位置 (x1, y1) 图像2星星位置 (x2, y2)
    (70, 326) (75, 298)
    (35, 376) (41, 350)
    (518, 238) (521, 192)
    (513, 352) (518, 306)
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    表  2  双成像云高仪相对于激光云高仪的误差统计 (单位:m)

    Table  2  The error of cloud base height between dual-camera stereovision and CL31 (unit:m)

    误差 高云 中云 低云 总样本
    平均误差 46.5 -162.0 -18.9 -86.9
    标准偏差 1109.0 455.5 301.9 715.9
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    表  3  2011年5月21日某时刻实测云迹风部分数据

    Table  3  The data of cloud motion winds on 21 May 2011

    订正前云底高度/m 风速/(m·s-1) 风向/(°)
    2677.3 16.1 266.5
    2709.6 18.3 266.8
    2459.7 15.9 264.1
    2721.1 16.0 265.6
    2486.7 16.2 268.6
    2507.0 15.1 264.5
    2390.3 13.9 265.3
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出版历程
  • 收稿日期:  2012-06-01
  • 修回日期:  2012-12-13
  • 刊出日期:  2013-06-30

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