CN102176074B - 日照时数测量方法和日照时数测量装置 - Google Patents

日照时数测量方法和日照时数测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种日照时数测量方法，是在一具有透光部分与遮光部分的受照目标物的下方，配置一个用于接受所述受照目标物投影的光影显示面；光电图像采集器件采集投影于所述光影显示面上的光影图像，并传至计算机；所述计算机中的图像信息处理系统对该光影图像的清晰度与亮暗度进行识别，从而判断出属日光直照且光强超过一定阈值的日照现象并记录相关时刻，进而得到日照时数。本发明还公开与上述方法相对应的日照时数测量装置。本发明通过对光影图像进行采集与识别，能实时准确监测日照现象并进而给出日照时数，结构简单，安装维护简便，没有机械转动误差和光谱误差，不受外部环境温度和湿度条件的影响，自动化程度高。

Description

日照时数测量方法和日照时数测量装置
技术领域
本发明涉及气象观测领域，更具体地说是涉及一种日照时数测量方法和日照时数测量装置。
背景技术
日照时数测量是气象台站的基本业务之一。根据世界气象组织(简称WMO)制定的标准，日照时数是一天中直接太阳辐照度(即光的强度)超过指定光强阈值的各分段时间的总和。即，在气象上记录日照时间的天气情况需要同时满足以下两方面的条件：一是要满足一定的日照光强，即达到或超过WMO标准定义光强阈值；二是日光为直接照射。
为满足这种气象测量的需要，国内外发展了多种用于气象台站测量日照时数的装置(日照计)，按其原理与特点可分为如下几种：
(1)传统暗筒式日照计(又称乔唐式日照计)：采用感光纸感光，感光纸上的感光痕迹长度代表日照时数。其结构为：上部是一个黄铜制的圈筒，两边各穿一小孔。两孔距离的角度为120度，但孔要前后错开，以免上下午午日影重合。筒内放一涂有药水的感光纸，光线在上下午都能穿过小孔而射入筒内，使感光纸感光，而留下一条蓝色线条。筒上装一隔光弧板，使上下午光明确分开(除正午一、二分钟内，阳光可同时进入两孔，其余时间阳光均只能从一孔进入)筒口有一盖紧紧盖住筒口，以免日光进入使感光纸失效。从感光纸上感光线条的长度就可计算出日照的时间。其缺点主要有：使用前需要对纬度，调南北；需要人工配制(有毒)感光液，涂敷、处理感光纸才能得出日照时数，且需要定时更换日照纸，人工操作程序较繁琐；测量精度受感光液配制质量的影响较大。尽管存在有上述众多缺点，现实情况是：该暗筒式日照计在我国的应用已超过半个世纪，但其目前仍是我国各级气象台站的日照时数测量基本仪器。
(2)基于聚焦烧痕的玻璃球试日照计(又名康培斯托克照计)：其结构主要是一个实心的玻璃球，玻璃球能将照射到球上的阳光聚成一个焦点。不论太阳在天空中任何一个方向上，都能得到一个焦点，焦点能使纸片发生焦痕。当太阳从东往西运动时，焦点也会以相反的方向随着移动，因而焦痕的痕迹是由西向东移动。记录纸卡上的焦痕长度代表日照时数，看焦痕的长短就可计算出日照时间。该日照计的缺点：测量精度受日照纸卡的温度和湿度特性及过烧效应的影响很大；而且，使用时也需要对纬度、调南北，定时更换记录纸卡，并且，视季节不同需要使用不同规格的记录纸卡。
(3)热电转换式日照计：其主要利用的是光—热—电转换原理，通过电转换器件(如热电堆、热敏电阻)将光照引起的温度变化转化成电压，进一步转换后得到日照时数。缺点：对温度的依赖性高，在环境温度较高但却不满足WMO制定的关于日照时数的记录标准时，会给出错误的测量结果。
(4)光电转换式日照计：采用了光电转换原理，利用光电转换器件(如光电管、光电池、光电二极管等)将太阳辐射能量转换成电压，进一步转换后得到日照时数。但由于光电传感转换器件对变化的太阳光谱的响应不稳定，因此产生的光谱误差较大。
(5)采用步进电机实时地跟踪太阳的跟踪式日照计，其特点是：在热电转换或光电转换式日照计基础上加入了转动部件，用以跟踪太阳。这种日照计除了前面提及的热电转换及光电转换式日照计的缺点外，由于加入了转动部件，需要人工经常调整。
总之，现有各方法均存在着测量精度不高、受环境影响大或使用不方便等方面的缺陷。
发明内容
为了克服现有日照时数测量的缺陷，本发明提供一种采用不同于现有日照时数测量原理及技术的新型日照时数测量方法和日照时数测量装置。该测量方法和装置不但能准确测量并能实时输出日照时数，而且工作性能稳定，不存在温度误差和光谱误差，并且，该装置无需采用机械转动部件，安装时无需调节，维护简便。
一、本发明日照时数测量方法，包括以下具体步骤：
1)设置一个用于接受阳光直接照射、同时具有透光部分与遮光部分的受照目标物；
2)在所述受照目标物的下方，配置一个用于接受所述受照目标物投影的光影显示面；所述受照目标物与所述光影显示面的间距，应使得在直接照射的阳光(即直照光)下，受照目标物至少在该光影显示面的局部形成清晰的其透光部分与遮光部分的光影图像，而在非直照光下则不能形成清晰的光影图像；
3)光电图像采集器件按设定时间间隔，采集投影于所述光影显示面上的光影图像，并传至计算机；
4)所述计算机中的图像信息处理系统对该光影图像的清晰度与亮暗度进行识别，判断出属日光直接照射且同时光强达到设定值的日照现象，并记录相关时刻；
5)一天中同时满足上述4)中两条件的各分段时间的总和，即是该日的日照时数。
所述图像信息处理系统对光影图像清晰度与亮暗度进行识别，采用图像比对法将所获取图像与样本图像的亮度与清晰度数据进行比对识别，用于比对的样本图像可以是采用同样的设备与图像采集条件，在WMO定义的日照情况下拍摄的图像；或者，可参照现有技术，通过计算获取图像的灰度等级与边缘清晰度来判断，或者，参照现有图像信息处理系统中用于图像清晰度与亮暗度识别的其它方法来进行处理。
二、与上述日照时数测量方法相对应的日照时数测量装置：包括有具有透光部分与遮光部分的受照目标物，位于所述受照目标物的下方、用于接受所述受照目标物投影的光影显示面，采集投影于所述光影显示面上的光影图像的光电图像采集器件，及，与所述光电图像采集器件电相连的计算机图像信息处理系统；所述受照目标物与所述光影显示面的间距，应使得在直照光下，受照目标物至少在该光影显示面的局部形成清晰的其透光部分与遮光部分的光影图像，而在非直照光下则不能形成清晰的光影图像。
上述日照时数测量方法和日照时数测量装置中：
所述受照目标物的作用是在阳光直接照射下在光影显示面上显出清晰的光影图像，可选择采用面形物或立体物，其中面形物的面型包括但不限于平面，或弧面，或与所述光影显示面的形状相适应的面状物，亦或者是由多个受照面组合形成的多面体。
所述光电图像采集器件，用于采集受照目标物在光影显示面上显示的光影图像并供计算机处理，可选用图像传感器、由透镜与图像传感器组合而成的组合器件、摄像头、摄像机、数码相机中的一种或其它能记录图像的光电器件。
所述光影显示面，其面型可选择采用平面或弧形面，或者是与所述受照目标物形状相适应的面形，也可以是前述面形中的一种面或多种面组合而成的组合面，例如由分别向东方和向西方倾斜的两个平面组合而成的组合面。该光影显示面的选材：可采用半透光材料或浅色材料制作；或者，采用光纤面板的输入端面充当，此时，光纤面板的输出端面与所述光电图像采集器件相连即可；或者，所述光影显示面与所述光电图像采集器件合一，以图像采集器件的图像接受面直接作为光影显示面。
作为对上述发明日照时数测量方法及日照时数测量装置的进一步优化，在所述计算机中的图像信息处理系统中，预存有作为日照现象判断基准的光影图像样本数据，包括日照强度刚好达到WMO标准定义光强阈值条件下的光影图像数据，以及在目光直接照射情况下的光影图像数据。所述图像信息处理系统通过其中的图像分析与识别软件，将从所述光影显示面上采集得到的光影图像与系统预存的光影图像数据进行清晰度与亮暗度的对比，从而识别出满足WMO标准定义光强阈值条件的日照现象。该光影图像样本数据，不限于仅能采用从该受照目标物获取的光影图像，，也可采用在WMO标准条件下拍摄而得的图像，或经过校对的符合WMO标准定义的其它图像数据，从所述光影显示面上采集得到的光影图像同样可以实现与其比对清晰度与亮暗度，达到正确识别日照现象的目的。
本发明日照时数测量方法的工作原理：
当受照目标物处于日光直接照射时，落在光影显示面上的透光部分与遮光部分形成的光影图像清晰，而当处于非日光直接照射(如有云遮日)的光照天气下落在光影显示面上的光影图像变模糊，因此，通过判断落在光影显示面上的光影图像的清晰度，就可判断是否为日光直照。又由于光照强度不同时，落在光影显示面上的光影图像(尤其是非荫影部分)亮度不同，在同样的设备条件所拍摄到的图像的亮暗度或灰度不同，通过与达到WMO制定的标准光强下拍摄的图像数据进行比对，可以判断出当时的日照是否达到要求的光强。
本发明装置在使用时，要求其被安置于无遮挡物的空旷处，受照目标物朝向天空，并优选预先在计算机中存入满足日照时数记录条件的比对样本图像数据——在晴朗的达到WMO标准定义光强阈值条件的日光直接照射的天气情况下形成的光影图像数据。使用本装置时，当有日光直接照射或有云遮日的光照天气以及弱光照射的不同情况下，受照目标物在光影显示面上落下的光影图像的清晰度与亮暗度会有差别，这些图像被光电图像采集器件实时监测采集并送入计算机，计算机将采集到的图像数据与原来存储的样本图像数据进行比对，从而识别出是否为满足WMO标准定义光强阈值条件的日照天气，满足条件的则记录下采集图像的时间，一天多次采集图像进行判断并累加日照时间，从而得到一天的日照时数。为了进一步提高检测的精确度，所述光电图像采集器件还可在同一时段内采用不同曝光参数进行多次图像采集，所采集到的图像传送给计算机由其图像信息处理系统与存储的相应样本图像数据进行比对处理。
相对现有的日照时数测量方法和日照时数测量装置，本发明具有如下突出的特点及优点：
1)采集光影图象并通过计算机进行图像处理来获取日照时数，改传统的手工操作为完全自动化处理，自动化水平高；
2)能实时、准确测量并给出日照时数，结构简单，安装维护简便，没有机械转动误差和光谱误差，不受外部环境温度和湿度条件的影响，测量精度高。
附图说明
图1是本发明日照时数测量装置的第一实施例的结构示意图。
图2是本发明日照时数测量装置的第二实施例的结构示意图。
图3是本发明日照时数测量装置的第三实施例的结构示意图。
图4是本发明日照时数测量装置的第四实施例的结构示意图。
图5是本发明日照时数测量装置的第五实施例的结构示意图。
图6是本发明日照时数测量装置的第六实施例的结构示意图。
图7是本发明日照时数测量装置的第七实施例的结构示意图。
附图标记说明：
1-受照目标物  2-光影显示面  3-光电图像采集器件  4-计算机图像处理系统
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明日照时数测量方法和日照时数测量装置作进一步说明。
实施例1
图1为本发明日照时数测量装置的第一实施例的结构示意图。如图所示的日照时数测量装置，包括有圆弧面形的受照目标物1，位于受照目标物1下方的平面光影显示面2，位于圆弧面形受照目标物1顶端的光电图像采集器件3，及，与所述光电图像采集器件3电相连的计算机图像信息处理系统4；所述圆弧面形受照目标物1上，以荫影表示的为遮光部分，其余则是透光部分。
实施例2
参见图2。图2中的日照时数测量装置，与图1的区别仅在于圆弧面形受照目标物1中的透光部分与遮光部分互换。图1中的遮光部分面积远小于透光部分面积，而图2中的则相反。
实施例3
图3a为本发明日照时数测量装置的第三实施例示意图，图3b是其剖面图。本实施例的特点是光影显示面2与受照目标物1面形相同且距离很近：受照目标物1采用圆弧面形，其上有透光部分与遮光部分；光影显示面2具有与受照目标物1同样的圆弧面形。本例中光影显示面2采用毛玻璃面；光电图像采集器件3位于圆弧面形光影显示面2的下方；4为计算机图像处理系统。
为避免外来光线对光影图像采集带来干扰，在图像采集器件3和光影显示面2之间增设用于屏闭外来光的不透光外壳(图3b中的剖面线所示即是)。
实施例4
图4为本发明日照时数测量装置的第四实施例示意图。本实施例的特点是光电图像采集器件3的图像采集面同时也是光影显示面，图中受照目标物1为圆弧面形受照目标物、其上有透光部分与遮光部分；如图所示，图像采集器件3的图像采集面同时也作为光影显示面2，4为计算机图像处理系统。
实施例5
图5为本发明日照时数测量装置的第五实施例示意图，本实施例的特点是光影显示面2由锥形光纤面板的输入端面担当，该端面面型与受照目标物面型相同。图中受照目标物1为半球形或弧形面，其上有透光部分与遮光部分；图中2为锥型光纤面板的输入端面(即大端口面)同时也是光影显示面，端口面型与受照目标物1的面形相同为半球形或弧形面，锥型光纤面板的另一端(即锥型光纤面板的输出端)连接光电图像采集器件3。4为计算机图像处理系统。
实施例6
图6为本发明日照时数测量装置的第六实施例示意图，本实施例的特点是受照目标物1由多平面组成，如图所示，其中荫影为遮光部分；2为平面光影显示面，图像采集器件3位于受照目标物1顶端；4为计算机图像处理系统。
实施例7
图7为本发明日照时数测量装置的第七实施例示意图，本实施例的特点是受照目标物1的遮光部分为立体物。图中三棱柱体作为受照目标物1的遮光部分，而三棱柱体的四周作为受照目标物的透光部分；平面光影显示面2位于三棱柱体底面下方并优选与该底面间保留有适当间距，图像采集器件3位于光影显示面2下方，4为计算机图像处理系统。
本实施例与实施例3情况类似，图像采集器件3位于光影显示面2下方，为避免外来光线对光影图像采集带来干扰，根据本领域普通技术人员的一般常识，最好在图像采集器件3和光影显示面2之间增设用于屏闭外来光的不透光外壳，如图7中所示。
上述各实施例的计算机图像信息处理系统中，预存有作为日照现象判断基准的光影图像样本数据，包括日照强度刚好达到WMO标准定义光强阈值条件下的该受照目标物的光影图像数据，以及在日光直接照射情况下的该受照目标物的光影图像数据。
上述各实施例的日照时数测量方法为：光电图像采集器件3采集受照目标物1投影于所述光影显示面2上的光影图像，并传至计算机；计算机图像信息处理系统通过其配置的图像分析与识别软件从该光影图像获取包括图像的亮度数据(即灰度值)与最清晰部分的数据在内的数据，与系统预存的光影图像数据进行清晰度与亮暗度的比对，从而判断出日照现象并记录相关时间，积累一天的日照时间，得到当天的日照时数。所用图像分析与识别软件，可采用现有技术，在此不再详细介绍。
根据一般技术常识，本发明中所述光电图像采集器件，可以采用CCD图像传感器，也可采用其它图像传感器，或者，透镜与图像传感器的组合器件、摄像头、摄像机、数码相机。

Claims (8)

1.日照时数测量方法，其特征在于包括以下步骤：
1）设置一个用于接受阳光直接照射、同时具有透光部分与遮光部分的受照目标物；
2）在所述受照目标物的下方，配置一个用于接受所述受照目标物投影的光影显示面；所述受照目标物与所述光影显示面的间距，应使得在直照光下，受照目标物至少在该光影显示面的局部形成清晰的其透光部分与遮光部分的光影图像，而在非直照光下则不能形成清晰的光影图像；
3）光电图像采集器件按设定时间间隔，采集投影于所述光影显示面上的光影图像，并传至计算机；
4）所述计算机中的图像信息处理系统对该光影图像的清晰度与亮暗度进行识别，判断出属日光直接照射且同时光强达到设定值的日照现象，并记录相关时刻；该图像信息处理系统中，预存有作为日照现象判断基准的光影图像样本数据，包括日光直接照射时的光影图像数据以及日照强度刚好达到WMO标准定义光强阈值条件下的光影图像数据；
5）一天中同时满足上述4）中两条件的各分段时间的总和，即是该日的日照时数。
2.根据权利要求1所述的日照时数测量方法，其特征在于：所述受照目标物为面形物或立体物，包括平面，或弧面，或与所述光影显示面的形状相适应的面状物，亦或者，是由多个受照面组合形成的多面体。
3.根据权利要求1所述的日照时数测量方法，其特征在于：所述光电图像采集器件，为图像传感器、由透镜与图像传感器组合而成的组合器件、摄像头、摄像机、数码相机中的一种。
4.根据权利要求1所述的日照时数测量方法，其特征在于：所述光影显示面的面型为平面或弧形面，或者是与所述受照目标物形状相适应的面形，亦或是前述面形中的一种面或多种面组合而成的组合面；
该光影显示面的选材：采用半透光材料或浅色材料制作；或者，光纤面板；或者，与所述光电图像采集器件合一，以图像采集器件的图像接受面直接作为光影显示面。
5.日照时数测量装置，其特征在于：包括有具有透光部分与遮光部分的受照目标物，位于所述受照目标物的下方、用于接受所述受照目标物投影的光影显示面，采集投影于所述光影显示面上的光影图像的光电图像采集器件，及，与所述光电图像采集器件电相连的计算机图像信息处理系统；所述受照目标物与所述光影显示面的间距，应使得在直照光下，受照目标物至少在该光影显示面的局部形成清晰的其透光部分与遮光部分的光影图像，而在非直照光下则不能形成清晰的光影图像；
所述计算机图像信息处理系统，用于对该光影图像的清晰度与亮暗度进行识别，判断出属日光直接照射且同时光强达到设定值的日照现象，并记录相关时刻；该图像信息处理系统中，预存有作为日照现象判断基准的光影图像样本数据，包括日光直接照射时的光影图像数据以及日照强度刚好达到WMO标准定义光强阈值条件下的光影图像数据。
6.根据权利要求5所述的日照时数测量装置，其特征在于：所述受照目标物为面形物或立体物，包括平面，或弧面，或与所述光影显示面的形状相适应的面状物，亦或者，是由多个受照面组合形成的多面体。
7.根据权利要求5所述的日照时数测量装置，其特征在于：所述光电图像采集器件，为图像传感器、由透镜与图像传感器组合而成的组合器件、摄像头、摄像机、数码相机中的一种。
8.根据权利要求5所述的日照时数测量装置，其特征在于：所述光影显示面的面型为平面或弧形面，或者是与所述受照目标物形状相适应的面形，亦或是前述面形中的一种面或多种面组合而成的组合面；
该光影显示面的选材：采用半透光材料或浅色材料制作；或者，光纤面板；或者，与所述光电图像采集器件合一，由图像传感器的图象接受面直接作为光影显示面。
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