(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111662246.1 (22)申请日 2021.12.3 0 (71)申请人 华南理工大 学 地址 510640 广东省广州市天河区五山路 381号 (72)发明人 张磊　赵城　张玉　孟庆林　 (74)专利代理 机构 广州粤高专利商标代理有限 公司 44102 代理人 周春丽 (51)Int.Cl. G06T 5/50(2006.01) G06T 5/00(2006.01) G06T 7/33(2017.01) (54)发明名称 基于可见光和红外合成图像的全天空成像 仪及云量计算方法 (57)摘要 本发明公开了基于可见光和红外合成图像 的全天空成像仪及云量计算方法， 全天空成像仪 的球形外壳可同时绕竖直和水平中心轴旋转； 在 球形外壳最大水平截面的上下两端且位于球形 外壳同一过球心的球形截面的表面上分别安装 可见光相机和红外相机的镜头； 控制单元分别与 控制球形外壳在竖直和水平两个方向旋转的电 机、 数据传输 单元、 数据处理单元、 可见光相机和 红外相机连接， 数据传输单元还分别连接数据处 理单元、 可见光相机和红外相机。 本发明通过合 成图像的方式获取可见光和红外双波段天空图 像， 使用红蓝比阈值和灰度阈值的图像处理方法 实现了气象观测中云量数据的自动获取。 特别适 用于全天候24小时云量监测， 具有成本低且计算 准确的优点。 权利要求书3页 说明书9页 附图3页 CN 114372945 A 2022.04.19 CN 114372945 A 1.一种基于可见光和红外合成图像的全天空成像仪， 其特征在于， 包括球形外壳、 可见 光相机、 红外相机、 控制单元、 数据传输单元和数据处理单元； 球形外壳可同时绕竖直和水 平中心轴旋转； 在球形外壳最大水平截面的上下两端且位于球形外壳同一过球心的球形截 面的表面上分别安装可见光相机和红外相机的镜头， 控制单元分别与控制球形外壳在竖直 和水平两个方向旋转的电机、 数据传输单元、 数据 处理单元、 可见光相 机和红外相机连接， 数据传输单 元还分别连接数据处 理单元、 可见光相机和红外相机 。 2.根据权利要求1所述的基于可见光和红外合成图像的全天空成像仪， 其特征在于， 所 述的球形外壳可同时在竖直和水平两个方向旋转是通过设置旋转轴、 连接臂和旋转云台实 现， 可在水平面上旋转的旋转云台安装在水平面上， 旋转云台两侧垂 直向上设有连接臂； 两 连接臂安装旋转轴， 旋转轴与水平面平行， 旋转轴上安装球形外壳； 旋转轴与电机连接 。 3.根据权利要求2所述的基于可见光和红外合成图像的全天空成像仪， 其特征在于， 所 述的旋转云台在中心设置转轴， 转轴与电机连接 。 4.根据权利要求1所述的基于可见光和红外合成图像的全天空成像仪， 其特征在于， 所 述的可见光相机和红外相机的镜 头的间距为5 ‑10cm。 5.根据权利要求1所述的基于可见光和红外合成图像的全天空成像仪， 其特征在于， 所 述的基于可见光和红外合成图像的全天空成像仪还包括电源设备箱， 电源设备箱上方安装 旋转云台； 电源设备箱内部安装 控制单元、 数据传输单 元和数据处 理单元； 所述的基于可见光和红外合成图像的全天空成像仪还包括固定底座； 固定底座安装在 地面上， 固定底座上 方连接电源设备箱。 6.根据权利要求5所述的基于可见光和红外合成图像的全天空成像仪， 其特征在于， 所 述的固定底座使用膨胀螺栓固定于 混凝土地面， 电源设备箱使用不锈钢螺丝安装在固定底 座上， 电源设备箱的材质为镀锌钢板， 外刷防腐漆。 7.应用权利要求1所述的全天空成像仪的云量计算方法， 其特 征在于包括如下步骤： 1)收集可见光和红外图像： 控制单元通过控制球形外壳绕水平中心轴转动， 至球形外 壳内部相机镜头的法线方向与水平面之 间的夹角为 15°～30°时停止； 然后控制球形外壳绕 竖直中心轴每旋转10 °～15°可见光相机和红外相机 分别拍摄至少一张图像； 再分别控制球 形外壳内部相机镜头的法线方 向与水平面呈30 °～45°、 45°～60°和60°～75°时， 球形外壳 绕竖直中心轴每旋转 10°～15°可见光相机和红外相机 分别拍摄至少一张图像； 所得可见光 图像保存为JPG格式， 红外图像 保存为TIFF格式； 每间隔1 ‑2小时， 完成绕竖直中心轴旋转一 周的拍摄； 2)天空图像合成： 依次对所得图像进行图像预处理、 图像配准和图像 融合； 图像预处理 包括对可 见光图像和红外图像依次进行噪声点的抑制和图像畸变矫 正； 图像配准采用基于区域的配准算法的逐一比较法分别对可见光图像和 红外图像进行 图像的匹配和对齐； 图像融合是对图像 配准后的可 见光图像和红外图像使用加权平均算法进行融合； 3)可见光云量计算： 将JPG格式的可见光全天空图像中的所有像素分为太阳圈像素SP和其他像素OP， 计算 太阳圈和其他 区域图像中每个像素点i的红蓝像素比值Ri/Bi； 统计太阳圈像素点中红蓝比 大于阈值0.7的个数NS， 计算太阳圈云量CFs； 统计其他区域像素点中红蓝比大于阈值0.7的权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114372945 A 2个数No， 计算其他区域云量CFo； 若CFo＞0.5， 天空为多云天， 可 见光总云量CF为： 若CFo＜0.5， 天空为少云天， 可 见光总云量CF为： N为可见光所有像素点的个数； 4)红外云量计算： 统计TIFF格式红外全天空图像中每个像素点的RGB值， 将合成的红外全天空图像转化 为灰度图Z： R、 G、 B分别为每 个像素点的红色值、 绿色值、 蓝色值； 通过灰度图Z使用最大类间方差法确定图像阈值ω， 计算天空的红外云量HF： Ns为全天空 红外图像所有像素点个数， Ni为红外像素值大于阈值ω的像素点个数。 8.根据权利要求7所述的全天空成像仪的云量计算方法， 其特征在于， 步骤2)中， 噪声 点的抑制使用中值滤波法控制， 降噪处理后的图像坐标表示为： Z(x， y)＝Med{F(x ‑k， y‑l)， (k， l)∈M} x， y分别表示图形横坐标和纵坐标， F(x， y)表示原图像； Z(x， y)表示为处理后的图像， M 指在图像中滑动的模板， k、 l是图像中滑动的模板的长和宽， k、 l选用3 *3或5*5模板； 图像畸变矫正使用刚体变换模型， 其变换模型矩阵P及图像坐标点(x， y)与变换后的坐 标点(x′， y′)之间的关系式如下 所示： 式中θ表示图像间刚体 变换的角度， m1、 m2为水平方向的平 移量； 所述的逐一比较法是对预处理完成的可见光图像和红外图像分别进行配对， 分别选择 其中一张图像作为参考图像， 其他图像则为待拼接图像； 选取参考图像中的某一区域作为 图像模板T， 在待拼接图像W中进行搜寻， 找到相似的子区域Si， 并使用绝对误差法对图像模 板和子区域之间的相似性进行计算； 计算公式为： 式中Si(i， j)是子区域在待 拼接图像中的坐标点； T(i， j)是图像模板在待拼接图像中的权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114372945 A 3