CN102692271B - 基于天空可见光图像的太阳直接辐射强度测量方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于天空可见光图像的太阳直接辐射强度测量方法和装置。该方法包括：图像获取步骤：利用图像获取设备获取预定时刻的天空可见光图像；高亮度像素计数步骤：搜索天空可见光图像的预定区域内的高亮度像素，并对高亮度像素的数量进行计数；辐射强度计算步骤：基于预先确定的天空可见光图像中预定区域内的高亮度像素的数量与太阳直接辐射强度之间的拟合关系，根据高亮度像素的数量计算预定时刻的太阳直接辐射强度。本发明通过拟合分析在天空可见光图像与太阳直接辐射强度之间建立起关联，从而提供了一种新颖的通过图像处理和分析的方式来探测或测量太阳直接辐射强度的方法。这为太阳直接辐射强度的测量提供了一种新的可选方案。

Description

基于天空可见光图像的太阳直接辐射强度测量方法和装置

技术领域

本发明涉及气象探测领域，尤其涉及一种基于天空可见光图像的太阳直接辐射强度测量方法和装置。

背景技术

太阳辐射是影响大气环流和气候变化的重要因素。太阳直接辐射是太阳总辐射的重要组成部分。从观测或测量角度来讲，太阳直接辐射通常包括垂直太阳表面(视角约0.5°)的辐射和太阳周围很窄的环形天空的散射辐射（环日散射）。对太阳直接辐射强度或者说辐照度的测量在气象探测、太阳能利用以及其它与太阳辐射相关的领域中有重要的价值，因此太阳直接辐射强度是气象部门的常规监测数据。

目前，太阳直接辐射强度的直接测量是利用太阳直接辐射表。太阳直接辐射表通常主要由进光筒、感应件和跟踪装置构成。在工作时，进光筒对准太阳；感应件吸收太阳直接辐射并将其转换成可测量的电信号；跟踪装置则用于支撑进光筒并能够跟踪太阳的移动，从而使进光筒准确跟踪并对准太阳。

对于这样的太阳直接辐射表，跟踪装置的微小跟踪偏差将产生较大的系统偏差。这样，为了消除系统跟踪误差的影响，则要求太阳直接辐射表能够实时、快速、可靠地跟踪太阳。这对跟踪装置的要求极高，而且使用和维护也很复杂。

太阳直接辐射表的一个应用是对日照时数的观测和测量。日照是太阳辐射最直观的表现。日照时数则是指太阳在一地实际照射的时数，其定义为太阳直接辐射强度达到或超过120W/m²那段时间的总和，以小时为单位，取一位小数。日照时数的分布规律，对于合理布局农业生产、规划城市建设、开发旅游资源、设计太阳能电站等具有重要的现实意义。由于太阳直接辐射表可以获得任何指定时刻的太阳直接辐射强度，因此，其可以直接用来定时测量太阳直接辐射强度并统计日照时数。

由于对日照时数的测量并不需要获得各个时刻准确的太阳直接辐射强度，仅需要判断太阳直接辐射强度是否达到或超过120W/m²这个阈值，因此现有技术中也有一些不使用太阳直接辐射表的日照时数观测方案。

基于烧痕法的日照时数观测仪器主要有暗筒式日照计和聚焦式日照计。这是国内大多数气象台站目前使用的日照观测仪器。但暗筒式和聚焦式日照计的业务观测离不开人工操作，如日照纸需人工制作、安装和更换，日照时数需要根据感光迹线（或焦痕）进行人工判断等，这使得该类型仪器的自动化程度较低。

基于辐射测量法的日照时数观测仪器除了前述的太阳直射辐射表外，还有双金属片日照传感器等。双金属片日照传感器采用的双金属片是机械形变型元件，易受膨胀和收缩的温度效应影响，重复性较差，且长期稳定性难以保证，导致该类型传感器测量精度不高。

此外，荷兰Kipp & Zonen公司的CSD型太阳日照仪利用三个电子光敏器件来测定太阳总辐照度和散射辐照度，再利用总辐照度与散射辐照度之差得到太阳直接辐照度，该太阳直接辐照度可用来统计和计算日照时数。中国气象科学研究院设计过一种利用积分球原理的日照计来计算日照时数。但由于各自的一些不足，都未能在业务上得到广泛应用。

发明内容

本发明的目的在于以一种全新的构思提供一种全新的太阳直接辐射强度测量方法，并且基于该太阳直接辐射强度测量方法提供一种太阳直接辐射强度测量装置以及一种日照时数测量方法。

本申请的基本构思源于本申请的发明人发现天空可见光图像中太阳及其周围高亮度像素的数量能够反映太阳直接辐射强度的大小。具体来说，本申请人的发明人分析了在一较长时间范围内同步观测的太阳直接辐射强度资料序列和对应的天空可见光图像序列。本发明人惊奇地发现，天空可见光图像中太阳及其周围一定区域内的高亮度像素的数量与太阳直接辐射强度之间呈现明显的单调递增的关系，并且可以通过拟合算法得到拟合函数以反映高亮度像素数量与太阳直接辐射强度之间的拟合关系。

按照本发明的一个方面，提供了一种基于天空可见光图像的太阳直接辐射强度测量方法，包括：

图像获取步骤：利用图像获取设备获取预定时刻的天空可见光图像；

高亮度像素计数步骤：搜索所述天空可见光图像的预定区域内的高亮度像素，并对高亮度像素的数量进行计数；

辐射强度计算步骤：基于预先确定的天空可见光图像中所述预定区域内的高亮度像素的数量与太阳直接辐射强度之间的拟合关系，根据所述高亮度像素的数量计算所述预定时刻的太阳直接辐射强度。

优选地，所述预定区域可以为所述天空可见光图像中太阳及其周围预定范围内的区域。

优选地，所述预定区域可以为从所述天空可见光图像中的太阳图像的中心点延伸预定半径的圆形区域。

优选地，所述的太阳直接辐射强度测量方法还可以包括太阳图像中心点确定步骤，用于确定所述天空可见光图像中的所述太阳图像的中心点在所述天空可见光图像中的位置。

优选地，在所述太阳图像中心点确定步骤中，可以根据在所述预定时刻太阳相对于所述图像获取设备的高度角和方位角，计算所述太阳图像的中心点在所述天空可见光图像中的位置。

优选地，所述预定半径可以为所述天空可见光图像中的太阳图像的半径的1.1～3倍，更优选为1.2～2倍。

优选地，所述高亮度像素可以为所述天空可见光图像中灰度值大于或等于预定的灰度阈值的像素。优选地，所述灰度阈值在200-255之间选取。

优选地，所述拟合关系为

y=a*e^bx+c

其中，y为所述预定区域内的高亮度像素的数量，x为太阳直接辐射强度，a，b，c为拟合系数。

优选地，所述的太阳直接辐射强度测量方法还包括图像获取设备调节步骤：调节所述图像获取设备，使得对于小于最大可能太阳直接辐射强度的任一太阳直接辐射强度，所述图像获取设备所获得的所述天空可见光图像的预定区域中包含非高亮度像素。

优选地，所述图像获取设备可以为全视野天空可见光图像获取设备，用于获取全视野天空可见光图像。

按照本发明的另一个方面，提供了一种基于天空可见光图像的太阳直接辐射强度测量装置，包括：

全视野天空图像获取设备，用于获取预定时刻的全视野天空可见光图像；

太阳图像中心点计算模块，用于计算所述全视野天空可见光图像中的太阳图像的中心点在所述全视野天空可见光图像中的位置；

高亮度像素计数模块，用于在以所述太阳图像的中心点为圆心的预定半径范围内搜索灰度值大于或等于预定的灰度阈值的高亮度像素，并对高亮度像素的数量进行计数；

辐射强度计算模块，用于基于预先确定的高亮度像素的数量与太阳直接辐射强度之间的拟合关系，根据所述高亮度像素的数量计算所述预定时刻的太阳直接辐射强度。

按照本发明的又一个方面，提供了一种基于天空可见光图像的日照时数测量方法，包括：

图像获取步骤：利用图像获取设备以预定的时间间隔获取一系列天空可见光图像；

高亮度像素计数步骤：对于每一个天空可见光图像，搜索其预定区域内的高亮度像素，并对高亮度像素的数量进行计数；

日照判断步骤：对于每一个天空可见光图像，判断其是否表示有日照；其中，当所述天空可见光图像的高亮度像素的数量大于或等于一高亮度像素数量阈值时，表示有日照；当所述天空可见光图像的高亮度像素的数量小于所述高亮度像素数量阈值时，表示无日照；

日照时数计算步骤：根据所述时间间隔的大小以及表示有日照的天空可见光图像的数量来计算日照时数。

优选地，所述的日照时数测量方法还可以包括高亮度像素数量阈值确定步骤：基于预先确定的天空可见光图像中所述预定区域内的高亮度像素的数量与太阳直接辐射强度之间的拟合关系，根据一预定的太阳直接辐射强度阈值计算对应的高亮度像素数量阈值。

优选地，所述预定区域可以为所述天空可见光图像中太阳及其周围预定范围内的区域。

优选地，所述预定区域可以为从所述天空可见光图像中的太阳图像的中心点延伸预定半径的圆形区域。

优选地，所述的日照时数测量方法还可以包括太阳图像中心点确定步骤：对于每一个所述天空可见光图像，确定其中的所述太阳图像的中心点在所述天空可见光图像中的位置。

优选地，在所述太阳图像中心点确定步骤中，对于每一所述天空可见光图像，可以根据在该天空可见光图像所对应的时刻太阳相对于所述图像获取设备的高度角和方位角，计算所述太阳图像的中心点在该天空可见光图像中的位置。

优选地，所述预定半径为所述天空可见光图像中的太阳图像的半径的1.1～3倍，更优选为1.2～2倍。

优选地，所述高亮度像素为所述天空可见光图像中灰度值大于或等于预定的灰度阈值的像素。优选地，所述灰度阈值在200-255之间选取。

优选地，所述拟合关系为

y=a*e^bx+c

其中，y为所述预定区域内的高亮度像素的数量，x为太阳直接辐射强度，a，b，c为拟合系数。

优选地，所述图像获取设备可以为全视野天空可见光图像获取设备，用于获取全视野天空可见光图像。

本发明的技术方案具有如下有益效果：

（1）本发明通过拟合分析在天空可见光图像与太阳直接辐射强度之间建立起关联，从而提供了一种新颖的通过图像处理和分析的方式来探测或测量太阳直接辐射强度的方法。这为太阳直接辐射强度的测量提供了一种新的可选方案；

（2）在本发明的一种优选实施方式中，通过利用全视野的天空可见光图像，可以避免使用复杂的太阳追踪装置，同时也避免了由追踪误差所带来的系统测量误差；

（3）本发明的太阳直接辐射强度的测量方法可以无障碍地应用于各种与太阳直接辐射强度测量相关的领域中，如日照时数的测量；

（4）由于本发明的太阳直接辐射强度的测量方法以及日照时数测量方法主要是通过图像处理和分析的方式来进行，因此非常适合于通过计算机来自动处理，能够极大地提高工作效率。

附图说明

图1（a）和图1（b）示出了两幅不同的全视野天空可见光图像；

图2是全视野天空可见光图像中太阳图像中心点位置的计算示意图；

图3是按照本发明的基于天空可见光图像的太阳直接辐射强度测量方法的流程图；

图4是按照本发明的太阳直接辐射强度测量装置的一个实施例；

图5是按照本发明的基于天空可见光图像的日照时数测量方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细说明。

在本发明的基本构思中，核心是天空可见光图像中太阳及其周围高亮度像素的数量与太阳的直接辐射强度之间的拟合关系，因此，下文首先分别详细描述图像获取步骤、高亮度像素计数步骤以及拟合步骤。

图像获取步骤

图像获取步骤是利用图像获取设备获取预定时刻的天空可见光图像。该天空可见光图像中包含有所希望的预定区域的图像。通常，该预定区域的图像是指太阳及其周围预定范围内的图像。

在一个实施例中，该图像获取设备可以为全视野天空可见光图像获取设备，如现有技术中已有的各种全天空成像仪或全视野观测系统，其能够获得基本上整个天空的全视野可见光图像。这样获得的天空可见光图像称为全视野天空可见光图像。图1（a）和图1（b）分别示出了两幅不同的全视野天空可见光图像，其中，在图1（a）中，由于云层遮挡或其它原因，太阳图像被遮蔽；而在图1（b）中能够明显看到太阳图像。

在其它实施例中，该图像获取设备可以是有限视野的局部天空可见光图像获取设备，只要该局部天空可见光图像中包含有所需要的预定区域即可。这样获得的天空可见光图像称为局部天空可见光图像。对于局部天空可见光图像获取设备，其最好具有太阳跟踪装置，以便跟踪太阳的运行，从而能够在任意指定时刻的局部天空可见光图像中都包含有所需要的预定区域的图像。

相比于局部天空可见光图像获取设备，全视野天空可见光图像获取设备可以避免使用复杂的太阳跟踪装置，并且进一步避免由于跟踪误差所带来的系统测量误差。

高亮度像素计数步骤

高亮度像素计数步骤是要搜索天空可见光图像的预定区域内的高亮度像素，并对高亮度像素的数量进行计数。为此，首先需要确定所需要的预定区域。如前所述，该预定区域通常是太阳及其周围预定范围内的区域，使得该预定区域的图像主要反映太阳表面的直接辐射和环日散射，以便能够排除掉由于云层散射等原因带来的干扰。

尽管该预定区域可以在对天空可见光图像进行图像处理时在图像上人工设定，但是为了便于自动化处理，该预定区域最好可以用可计算得到的太阳图像的中心点为基准来设定。太阳图像的中心点在天空可见光图像中的位置可以根据不同的图像获取设备并利用各种已知的参数来计算得到。例如，当利用全视野天空可见光图像获取设备来获取天空可见光图像时，该全视野天空可见光图像获取设备通常采用鱼眼镜头，则太阳图像的中心点的位置可以按照图2所示方式计算得到。

如图2所示，全视野天空可见光图像获取设备中的鱼眼镜头是朝天顶方向拍摄，鱼眼图像中的方位是上北（N）、下南（S）、左东（E）、右西（W）。O点是天顶在鱼眼图像中的投影点，也是鱼眼图像的中心点，OD是鱼眼图像的成像半径，T为太阳在天球中的位置，P为太阳在鱼眼图像中的成像点，也就是太阳图像的中心点。H为太阳高度角，取值范围为0°~90°。A为太阳的方位角，取值范围为-180°~+180°，方位角以正南方向为零，由南向东向北为负，由南向西向北为正。其中，高度角H和方位角A可以利用图像获取设备所处的经度、纬度和图像成像时间计算得到。

日出时，太阳高度角为零，此时P点与D点重合，太阳当顶时，太阳高度角为90°，P点则与O点重合，依据等角投影原理，OP与OD之间的通用关系可表示为，

其中，α为鱼眼镜头视角的一半。结合太阳方位角A，可得出太阳在鱼眼图像中的具体位置坐标为，

X＝C_x+OD*sinA*(90°-H)/α

Y＝C_y+OD*cosA*(90°-H)/α

其中，式中X为太阳中心在鱼眼图像中的横坐标，Y为纵坐标，C_x,C_y为鱼眼图像中心点的坐标。

尽管在上文中描述了对于采用鱼眼镜头的全视野天空可见光图像获取设备如何获取太阳图像的中心点的一种方式，但是应当理解，在其它实施例中，也可以采用其它方式来确定太阳图像的中心点。在一个实施例中，当采用跟踪太阳的方式获得局部天空可见光图像时，该局部天空可见光图像的中心点即可视为其中太阳图像的中心点。在另一个实施例中，也可直接对天空可见光图像进行图像处理，采用图像识别的方式搜索太阳图像并估算其中心点位置。

当确定天空可见光图像中太阳图像的中心点位置后，则可以以该中心点位置为基准设定所需要的预定区域。在一个实施例中，该预定区域为以太阳图像的中心点开始延伸预定半径的圆形区域。在一个实施例中，该预定半径的大小可以通过观察并分析所获得的天空可见光图像或者根据经验来人工预先设定。在其它实施例中，该预定半径也可以以太阳图像的半径为基准来设定。例如，该预定半径可以为1.1～3倍太阳图像半径，优选是1.2～2倍太阳图像半径。太阳图像的半径可以通过观察并分析太阳图像或者根据经验来人工预先设定。或者，太阳图像的半径也可以用计算机图形处理的方式来获得，如采用图像识别的方式搜索太阳图像并估算其半径。为了便于计算机处理，前述预定区域的半径和/或太阳图像的半径可以以像素的个数为单位，在一个仅为示例性的实施例中，太阳图像半径可以为200个像素，则预定区域的半径则可以相应为300个像素。

确定了所需要的预定区域之后，则可以用计算机对该天空可见光图像进行处理，在该预定区域范围内搜索各个像素，判断各个像素是否为高亮度像素，并对高亮度像素的数量进行计数。在本申请中，高亮度像素是指灰度值大于或等于预定的灰度阈值的像素；相应地，灰度值小于预定的灰度阈值的像素为非高亮度像素。当图像获取设备获得的是无符号8位灰度图时，则可设定单个灰度阈值。在一个实施例中，该灰度阈值可以在200-255之间选取。当图像获取设备获得的是彩色图像时，可以为各个颜色通道分别设定相同的或不同的灰度阈值，或者可以转化成一个灰度图并设定一个灰度阈值。

在一个优选实施例中，高亮度像素计数步骤可以完全由计算机自动完成。例如，在将天空可见光图像输入计算机后，可以用计算机对该图像进行分析和处理，根据已知参数计算天空可见光图像中的太阳图像的中心点位置；自动搜索以该中心点位置为圆心预定半径范围内的各个像素，将各像素的灰度值与灰度阈值进行比较，以判断各个像素是否为高亮度像素，并统计高亮度像素的数量。

拟合步骤

拟合步骤用来建立天空可见光图像中预定区域内的高亮度像素的数量与太阳直接辐射强度之间的拟合关系。

在拟合步骤中，可以利用在一较长时间范围内同步观测的太阳直接辐射强度资料序列和对应的天空可见光图像序列来分析天空可见光图像的预定区域内的高亮度像素的数量与太阳直接辐射强度之间的回归拟合关系。太阳直接辐射强度资料序列可以通过现有技术的手段获得，例如利用太阳直接辐射表来直接测量。对于每一个天空可见光图像来说，其图像的获取以及对其中预定区域内的高亮度像素的数量的计数可以按照前述图像获取步骤以及高亮度像素计数步骤中的描述来执行。

这样，在获得一系列天空可见光图像及相应的预定区域内的高亮度像素数量后，结合同步获得的太阳直接辐射强度资料序列，即可对高亮度像素数量与太阳直接辐射强度之间的关系进行回归拟合分析。本申请的发明人发现，这两者之间呈现明显的单调非线性特性。在一个实施例中，所获得的高亮度像素数量与对应的太阳直接辐射强度之间具有较好的指数关系，拟合函数如下：

y=a*e^bx+c

其中，y为天空可见光图像中预定区域内的高亮度像素的数量，x为太阳直接辐射强度，a，b，c为拟合系数。

在其它实施例中，天空可见光图像中预定区域内的高亮度像素的数量与对应的太阳直接辐射强度之间可以为其它形式的拟合关系，例如多项式函数形式的拟合关系。

对天空可见光图像中预定区域的选择以及对灰度阈值的选择也可能会影响拟合关系的具体形式。但是，对于本领域技术人员来说，在获得一系列天空可见光图像的预定区域内的高亮度像素数量数据以及对应的太阳直接辐射强度数据后，很容易通过拟合算法获得反映这两者之间拟合关系的拟合函数的具体形式。

太阳直接辐射强度测量方法和装置

图3示出了按照本发明的基于天空可见光图像的太阳直接辐射强度测量方法的流程图。

如图3所示，步骤101为拟合步骤，其可以按照前文描述的拟合步骤进行，以建立天空可见光图像的预定区域内的高亮度像素的数量与太阳直接辐射强度之间的拟合关系。

步骤102为图像获取步骤，其可以按照前文描述的图像获取步骤进行，以利用图像获取设备获取预定时刻的天空可见光图像。需要注意的是，在步骤102中，获取天空可见光图像的条件，如图像获取设备的光圈大小和曝光时间等，最好与拟合步骤101中进行拟合时获取天空可见光图像时的条件保持一致，以便在后续步骤中可以最恰当地使用步骤101中所确定的拟合关系。

步骤103为高亮度像素计数步骤，其可以按照前文描述的高亮度像素计数步骤进行，以便搜索天空可见光图像的预定区域内的高亮度像素，并对高亮度像素的数量进行计数。需要注意的是，在步骤103中，对于预定区域的选定以及对高亮度像素的判断准则应该与步骤101中进行拟合时的设定保持一致，以便最恰当地使用步骤101中所确定的拟合关系。

步骤104为辐射强度计算步骤，在该步骤104中，基于步骤101中预先建立的拟合关系，则可以根据步骤103中获得高亮度像素的数量计算得到所述预定时刻（即步骤102中所获得的天空可见光图像所对应的时刻）的太阳直接辐射强度。

在这里需要注意的是，在一些情况下，当太阳直接辐射强度比较大时，例如处于某一较大数值（如1000W/m²）以上时，太阳可见光图像的预定区域内的像素可能会全部为高亮度像素，这样，本发明的太阳直接辐射强度测量方法则会无法区分该数值之上的各个太阳直接辐射强度。因此，在图像获取步骤中，最好将图像获取设备调节成这样，即：对于小于最大可能太阳直接辐射强度的任一太阳直接辐射强度，图像获取设备所获得的天空可见光图像的预定区域中包含非高亮度像素。这样，对于任一太阳直接辐射强度值，都有一个不同的高亮度像素数量值与之对应。

对图像获取设备的调节可以包括：1）在成像时，用较小的光圈和较短的曝光时间等；或2）在镜头前增加滤光片，调整进光量。

图4示出了执行该测量方法的太阳直接辐射强度测量装置的一个实施例，该装置可以包括全视野天空图像获取设备、太阳图像中心点计算模块、高亮度像素计数模块和辐射强度计算模块。其中，太阳图像中心点计算模块、高亮度像素计算模块和辐射强度计算模块可以由装有专用程序的计算机（如图4中的虚框所示）来实现。

全视野天空图像获取设备用于获取预定时刻的全视野天空可见光图像。然后，将所获得的全视野天空可见光图像输入计算机中。在计算机中，太阳图像中心点计算模块根据该全视野天空可见光图像对应的时刻的太阳高度角和方位角来计算该图像中的太阳图像的中心点的位置。高亮度像素计数模块在以太阳图像的中心点为圆心的预定半径范围内搜索该全视野天空可见光图像中灰度值大于或等于预定的灰度阈值的高亮度像素，并对高亮度像素的数量进行计数。辐射强度计算模块基于预先确定的高亮度像素的数量与太阳直接辐射强度之间的拟合关系，根据所获得的高亮度像素的数量来计算该预定时刻的太阳直接辐射强度。

本发明的太阳直接辐射强度测量装置可以自动完成对太阳直接辐射强度的测量。

日照时数测量方法

图5示出了按照本发明的基于天空可见光图像的日照时数测量方法的流程图。

如图5所示，步骤201为拟合步骤，其可以按照前文描述的拟合步骤进行，以建立天空可见光图像的预定区域内的高亮度像素的数量与太阳直接辐射强度之间的拟合关系。

步骤202为图像获取步骤，利用图像获取设备在预定的时间范围内以预定的时间间隔获取一系列天空可见光图像。对于每一个天空可见光图像，都可以按照前文描述的图像获取步骤进行。需要注意的是，在步骤202中，获取天空可见光图像的条件，如图像获取设备的光圈大小和曝光时间等，最好与拟合步骤201中进行拟合时获取天空可见光图像时的条件保持一致，以便在后续步骤中可以最恰当地使用步骤201中所确定的拟合关系。

步骤203是高亮度像素计数步骤，搜索各天空可见光图像的预定区域内的高亮度像素，并对高亮度像素的数量进行计数。对于每一个天空可见光图像，都可以按照前文描述的高亮度像素计数步骤进行。需要注意的是，在步骤203中，对于各个天空可见光图像的预定区域的选定以及对高亮度像素的判断准则应该与步骤201中进行拟合时的设定保持一致，以便最恰当地使用步骤201中所确定的拟合关系。

步骤204是日照判断步骤，用于判断各天空可见光图像是否表示有日照。对于一个天空可见光图像来说，当在步骤203中所得到的高亮度像素的数量大于或等于预定的高亮度像素数量阈值时，则该天空可见光图像表示有日照；当在步骤203中所得到的高亮度像素的数量小于该高亮度像素数量阈值时，则该天空可见光图像表示无日照。在这里，高亮度像素数量阈值对应为一个太阳直接辐射强度阈值。通常，在气象领域中，太阳直接辐射强度或者说辐照度达到或超过120W/m²时为有日照，小于120W/m²时则表示无日照，因此可将120W/m²作为太阳直接辐射强度阈值。根据该太阳直接辐射强度阈值，并基于步骤201中确定的拟合关系，则可以计算得到对应的高亮度像素数量阈值。

步骤205为日照时数计算步骤，根据步骤202中设定的时间间隔的大小以及表示有日照的天空可见光图像的数量来计算日照时数。在一个实施例中，可以将所获得的一系列天空可见光图像中表示有日照的时刻记为1，无日照的时刻记为0，形成一个离散的日照信息序列。累积日照信息序列中所有1出现的次数，将此次数乘以步骤202中设定的时间间隔，则可获得步骤202中所设定的时间范围的日照时数。当步骤202中的时间范围设定为包括从日出到日落的整个可照时长时，则可以计算得到全天的日照时数。

本发明的日照时数测量方法可以利用计算机自动完成对日照时数的测量。

Claims (10)

1.一种基于天空可见光图像的太阳直接辐射强度测量方法，包括：

图像获取步骤：利用图像获取设备获取预定时刻的天空可见光图像；

太阳图像中心点确定步骤，用于确定所述天空可见光图像中的太阳图像的中心点在所述天空可见光图像中的位置；

高亮度像素计数步骤：搜索所述天空可见光图像的预定区域内的高亮度像素，并对高亮度像素的数量进行计数；其中，所述预定区域为从所述天空可见光图像中的太阳图像的中心点延伸预定半径的圆形区域；

辐射强度计算步骤：基于预先确定的天空可见光图像中所述预定区域内的高亮度像素的数量与太阳直接辐射强度之间的拟合关系，根据所述高亮度像素的数量计算所述预定时刻的太阳直接辐射强度。

2.根据权利要求1所述的太阳直接辐射强度测量方法，其特征在于，所述预定区域为所述天空可见光图像中太阳及其周围预定范围内的区域。

3.根据权利要求1所述的太阳直接辐射强度测量方法，其特征在于，在所述太阳图像中心点确定步骤中，根据在所述预定时刻太阳相对于所述图像获取设备的高度角和方位角，计算所述太阳图像的中心点在所述天空可见光图像中的位置。

4.根据权利要求1所述的太阳直接辐射强度测量方法，其特征在于，所述预定半径为所述天空可见光图像中的太阳图像的半径的1.1～3倍。

5.根据权利要求4所述的太阳直接辐射强度测量方法，其特征在于，所述预定半径为所述天空可见光图像中的太阳图像的半径的1.2～2倍。

6.根据权利要求1所述的太阳直接辐射强度测量方法，其特征在于，所述高亮度像素为所述天空可见光图像中灰度值大于或等于预定的灰度阈值的像素。

7.根据权利要求6所述的太阳直接辐射强度测量方法，其特征在于，所述灰度阈值在200-255之间选取。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的太阳直接辐射强度测量方法，其特征在于，所述拟合关系为

y＝a*e^bx+c

其中，y为所述预定区域内的高亮度像素的数量，x为太阳直接辐射强度，a,b,c为拟合系数。

9.根据权利要求1所述的太阳直接辐射强度测量方法，其特征在于，还包括图像获取设备调节步骤：调节所述图像获取设备，使得对于小于最大可能太阳直接辐射强度的任一太阳直接辐射强度，所述图像获取设备所获得的所述天空可见光图像的预定区域中包含非高亮度像素。

10.一种基于天空可见光图像的太阳直接辐射强度测量装置，包括：

全视野天空图像获取设备，用于获取预定时刻的全视野天空可见光图像；

太阳图像中心点计算模块，用于计算所述全视野天空可见光图像中的太阳图像的中心点在所述全视野天空可见光图像中的位置；

高亮度像素计数模块，用于在以所述太阳图像的中心点为圆心的预定半径范围内搜索灰度值大于或等于预定的灰度阈值的高亮度像素，并对高亮度像素的数量进行计数；

辐射强度计算模块，用于基于预先确定的高亮度像素的数量与太阳直接辐射强度之间的拟合关系，根据所述高亮度像素的数量计算所述预定时刻的太阳直接辐射强度。

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