CN109738973B - 一种基于太阳方位的全天空成像仪标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于太阳方位的全天空成像仪标定方法，包括以下步骤：S1：固定安装全天空成像仪,并记录全天空成像仪的经纬度；S2：全天空成像仪采集获取多张第一地基云图，并记录每张第一地基云图的拍摄时间；S3：图像识别获取第一地基云图中的太阳质心坐标；S4：根据拍摄时间和经纬度，计算太阳的太阳高度角Hs和第一太阳方位角As；S5：根据太阳质心坐标、太阳高度角Hs和第一太阳方位角As，进行全天空成像仪的模型参数拟合，以完成全天空成像仪的标定。本发明具有标定精准、标定高效便捷、标定成本低、辅助云图预测的技术特点。

Description

一种基于太阳方位的全天空成像仪标定方法

技术领域

本发明属于太阳能热发电技术领域，尤其涉及一种基于太阳方位的全天空成像仪标定方法。

背景技术

天气变化特别是云对太阳的遮挡，是影响塔式太阳能光热电站效率的一个重要因素，因其直接影响太阳直接辐射值，进而影响电站的发电效率，故监测电站上空太阳周围云域，预测镜场发电效率变化，是塔式光热电站日常运营的重要一环。

为了预测太阳周围云域变化，进而实现预测太阳辐射值的变化，进而有效调控镜场发电功率，现有塔式太阳能光热电站多采用全天空成像仪进行地基云图监测。而全天空成像仪地基云图进行准确的云图预测的基础在于，全天空成像仪的标定。

传统的全天空成像仪的标定需要引入棋盘进行标定，但棋盘的加工工艺误差会直接造成标定误差，造成精准度不够，其次传统的全天空成像仪的标定过程复杂，标定效率较低。

发明内容

本发明的技术目的是提供一种基于太阳方位的全天空成像仪标定方法，具有标定精准、标定高效便捷、标定成本低、辅助云图预测的技术特点。

为解决上述问题，本发明的技术方案为：

一种基于太阳方位的全天空成像仪标定方法，包括以下步骤：

S1：固定安装所述全天空成像仪,并记录所述全天空成像仪的经纬度；

S2：所述全天空成像仪采集获取多张第一地基云图，并记录每张所述第一地基云图的拍摄时间；

S3：图像识别获取所述第一地基云图中的太阳质心坐标；

S4：根据所述拍摄时间和所述经纬度，计算太阳的太阳高度角Hs和第一太阳方位角As；

S5：根据所述太阳质心坐标、所述太阳高度角Hs和所述第一太阳方位角As，进行所述全天空成像仪的模型参数拟合，以完成所述全天空成像仪的标定；其中，

所述步骤S5包括以下步骤：

S51：根据多张所述第一地基云图对应的所述太阳质心坐标，计算每张所述第一地基云图对应的太阳质心点到所述第一地基云图的图像中心的距离Dx，并计算每张所述第一地基云图图像中的所述太阳的第二太阳方位角Ag；

S52：根据多张所述第一地基云图对应的所述第一太阳方位角As和所述第二太阳方位角Ag，拟合得到所述全天空成像仪的方位角偏差参数a₀，满足模型：

As＝Ag+a₀；

S53：根据多张所述第一地基云图对应的所述太阳高度角Hs与所述距离Dx，拟合得到所述全天空成像仪的多项式参数b₁、b₂、b₃，满足模型：

Dx＝b₁×Hs+b₂×Hs²+b₃×Hs³。

根据本发明的一实施例，所述步骤S3包括以下步骤：

S31：将所述第一地基云图转换为HSV色彩空间的第二地基云图；

S32：对所述第二地基云图进行空间分层，获取所述第二地基云图的V层图像；

S33：对所述V层图像进行阈值为R的二值化处理，计算所述V层图像中亮度最高的区域的第一图像面积S，所述二值化处理的阈值R初始设置为254；

S34：对所述V层图像进行阈值为R’的二值化处理，计算所述V层图像中亮度最高的区域的第二图像面积S′，其中，R’＝R-1；

S35：根据所述第一图像面积S和所述第二图像面积S′，计算所述亮度最高的区域的面积变化比率值r：

r＝|(S′-S)/S|；

S36：判断所述第一地基云图中的太阳区域：

若所述R大于等于200且所述r大于0.1，则将所述第二图像面积S′的值赋给所述第一图像面积S，将所述R’的值赋给所述R，执行所述步骤S34至S36；

若所述r小于等于0.1，则认为所述亮度最高的区域为所述太阳区域，并计算所述太阳区域的质心点坐标，即为所述太阳质心坐标，并选取下一张所述第一地基云图进行所述步骤S31至S36，直至所有所述第一地基云图完成所述图像识别；

若所述R小于200且所述r大于0.1，则认为当前太阳被云遮挡，当前的所述第一地基云图无法准确计算所述太阳质心坐标，选取下一张所述第一地基云图进行所述步骤S31至S36，直至所有所述第一地基云图完成所述图像识别。

根据本发明的一实施例，所述步骤S4包括以下步骤：

S41：记所述经纬度的经度为Φ，东经为负，西经为正；记所述经纬度的纬度为

北纬为正，南纬为负；

S42：记所述拍摄时间为NF年M月D日S时F分，计算所述太阳的日角θ：θ＝2π(N-1)/365，式中，N为所述拍摄时间距离当年1月1日的天数；

S43：根据所述太阳的日角θ，计算所述太阳的太阳赤纬值δ：

δ＝0.3723+23.2567sinθ+0.1149sin2θ-0.1712sin3θ-0.758cosθ+0.3656cos2θ+0.0201cos3θ

S44：根据所述太阳的日角θ，计算所述太阳的真太阳时偏差值Eq：

Eq＝0.0028-1.9857sinθ+9.9059sin2θ-7.0924cosθ-0.6882cos2θ；

S45：根据所述经度Φ、所述拍摄时间和所述真太阳时偏差值Eq，计算所述太阳的真太阳时TT：

TT＝S+F/60+(Φ-120)/15+Eq/60；

S46：根据所述真太阳时TT，计算所述太阳的太阳时角t：

t＝(TT-12)×5；

S47：根据所述纬度

所述太阳赤纬值δ和所述太阳时角t，计算所述太阳高度角Hs：

S48：根据所述纬度

所述太阳赤纬值δ和所述太阳高度角Hs，计算所述第一太阳方位角As：

本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：

(1)本发明采用太阳作为标定参照物，避免了全天空成像仪的标定所用的棋盘，防止引入棋盘加工工艺造成的标定误差，达到了标定精准、高效便捷、成本低的技术效果；

(2)本发明采用图像识别获取每张第一地基云图对应的太阳质心坐标，其中，通过转化为HSV色彩空间，并提取V层图像，再对V层图像进行二值化处理，最后通过面积变化比率值进行判断太阳区域，该方法能够快速精准地得到太阳质心坐标，同时也能判断出太阳是否被云遮挡，达到了太阳位置精准追踪、高效识别的技术效果；

(3)本发明实现了全天空成像仪的标定，同时也实现了通过全天空成像仪准确的实时追踪太阳位置，为后续预测太阳辐射值变化、调控镜场发电效率等工作减少工作量，达到降低成本、辅助预测太阳周围云域变化的技术效果。

附图说明

图1为本发明的一种基于太阳方位的全天空成像仪标定方法的流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种基于太阳方位的全天空成像仪标定方法进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。

参看图1，本实施例提供一种基于太阳方位的全天空成像仪标定方法，包括以下步骤：

S1：固定安装全天空成像仪,并记录全天空成像仪的经纬度；

S2：全天空成像仪采集获取多张第一地基云图，并记录每张第一地基云图的拍摄时间；

S3：图像识别获取第一地基云图中的太阳质心坐标；

S4：根据拍摄时间和经纬度，计算太阳的太阳高度角Hs和第一太阳方位角As；

S5：根据太阳质心坐标、太阳高度角Hs和第一太阳方位角As，进行全天空成像仪的模型参数拟合，以完成全天空成像仪的标定。

现对本实施例的基于太阳方位的全天空成像仪标定方法的各步骤进行具体的说明：

S1：固定安装全天空成像仪,并记录全天空成像仪的经纬度：

具体地，记经纬度的经度为Φ，东经为负，西经为正；记经纬度的纬度为

北纬为正，南纬为负。

S2：全天空成像仪采集获取多张第一地基云图，并记录每张第一地基云图的拍摄时间：

具体地，本实施例的全天空成像仪采集获取多天白昼时段的第一地基云图，其记拍摄时间为NF年M月D日S时F分，本实施例中该拍摄时间为北京时间，即东八区的时间。显然地，对于本实施例的基于太阳方位的全天空成像仪标定方法，其标定的效果与数据量有关，数据的越多，模型参数拟合得到的标定结果越准确，故本实施例的全天空成像仪采集获取多天白昼时段的第一地基云图，以形成一定量的数据量。

S3：图像识别获取第一地基云图中的太阳质心坐标：

具体地，包括以下步骤：

S31：将第一地基云图转换为HSV(Hue,色调,Saturation,饱和度,Value,明度)色彩空间的第二地基云图；

S32：对第二地基云图进行空间分层，获取第二地基云图的V(Value,明度)层图像；

S33：对V层图像进行阈值为R的二值化处理，计算V层图像中亮度最高的区域的第一图像面积S，二值化处理的阈值R初始设置为254；

S34：对V层图像进行阈值为R’的二值化处理，计算V层图像中亮度最高的区域的第二图像面积S′，其中，R’＝R-1；

S35：根据第一图像面积S和第二图像面积S′，计算亮度最高的区域的面积变化比率值r：

r＝|(S′-S)/S|；

S36：判断第一地基云图中的太阳区域：

若R大于等于200且r大于0.1，则将第二图像面积S′的值赋给第一图像面积S，将R’的值赋给R，执行步骤S34至S36；

若r小于等于0.1，则认为亮度最高的区域为太阳区域，并计算太阳区域的质心点坐标，即为太阳质心坐标,并选取下一张第一地基云图进行步骤S31至S36，直至所有第一地基云图完成图像识别；

若R小于200且r大于0.1，则认为当前太阳被云遮挡，当前的第一地基云图无法准确计算太阳质心坐标，选取下一张第一地基云图进行步骤S31至S36，直至所有第一地基云图完成图像识别。

S4：根据拍摄时间和经纬度，计算太阳的太阳高度角Hs和第一太阳方位角As：

具体地，包括以下步骤：

S41：记经纬度的经度为Φ，东经为负，西经为正；记经纬度的纬度为

北纬为正，南纬为负；

S42：记拍摄时间为NF年M月D日S时F分，计算太阳的日角θ：θ＝2π(N-1)/365，式中，N为拍摄时间距离当年1月1日的天数；

S43：根据太阳的日角θ，计算太阳的太阳赤纬值δ：

δ＝0.3723+23.2567sinθ+0.1149sin2θ-0.1712sin3θ-0.758cosθ+0.3656cos2θ+0.0201cos3θ

S44：根据太阳的日角θ，计算太阳的真太阳时偏差值Eq：

Eq＝0.0028-1.9857sinθ+9.9059sin2θ-7.0924cosθ-0.6882cos2θ；

S45：根据经度Φ、拍摄时间和真太阳时偏差值Eq，计算太阳的真太阳时TT：

TT＝S+F/60+(Φ-120)/15+Eq/60；

其中，拍摄时间为北京时间，即东八区的标准时间，也就是东经120度对应的时间，故该真太阳时TT的计算方法也为对应的该拍摄时间的计算方法，显然地，本技术领域的技术人员，可以以任何地方的标准时间为该拍摄时间的统计时间，对该计算过程作适应性的调整，即可获得任何地方的标准时间为统计时间对应的真太阳时TT的计算方法。

S46：根据真太阳时TT，计算太阳的太阳时角t：

t＝(TT-12)×5；

S47：根据纬度

太阳赤纬值δ和太阳时角t，计算太阳的太阳高度角Hs：

S48：根据纬度

太阳赤纬值δ和太阳高度角Hs，计算太阳的第一太阳方位角As：

S5：根据太阳质心坐标、太阳高度角Hs和第一太阳方位角As，进行全天空成像仪的模型参数拟合，以完成全天空成像仪的标定：

具体地，包括以下步骤：

S51：根据多张第一地基云图对应的太阳质心坐标，计算每张第一地基云图对应的太阳质心点到第一地基云图的图像中心的距离Dx，并计算每张第一地基云图中的第二太阳方位角Ag；

S52：根据多张第一地基云图对应的第一太阳方位角As和第二太阳方位角Ag，拟合得到全天空成像仪的方位角偏差参数a₀，满足模型：

As＝Ag+a₀；

S53：根据多张第一地基云图对应的太阳高度角Hs与距离Dx，拟合得到全天空成像仪的多项式参数b₁、b₂、b₃，满足模型：

Dx＝b₁×Hs+b₂×Hs²+b₃×Hs³。

其中，a₀、b₁、b₂、b₃为全天空成像仪模型中需要标定的参数，通过多张第一基地云图对应的数据进行参数拟合，得到这些标定参数，以完成全天空成像仪的标定。

本实施例的基于太阳方位的全天空成像仪标定方法具有以下技术效果：

(1)本实施例采用太阳作为标定参照物，避免了全天空成像仪的去畸变标定所用的棋盘，防止引入棋盘加工工艺造成的标定误差，达到了标定精准、高效便捷、成本低的技术效果；

(2)本实施例采用图像识别获取每张第一地基云图对应的太阳质心坐标，其中，通过转化为HSV色彩空间，并提取V层图像，再对V层图像进行二值化处理，最后通过面积变化比率值进行判断太阳区域，该方法能够快速精准地得到太阳质心坐标，同时也能判断出太阳是否被云遮挡，达到了太阳位置精准追踪、高效识别的技术效果；

(3)本实施例实现了全天空成像仪的标定，同时也实现了通过全天空成像仪准确的实时追踪太阳位置，为后续预测太阳辐射值变化、调控镜场发电效率等工作减少工作量，达到降低成本、辅助预测太阳周围云域变化的技术效果。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。

Claims (2)

1.一种基于太阳方位的全天空成像仪标定方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：固定安装所述全天空成像仪,并记录所述全天空成像仪的经纬度；

S2：所述全天空成像仪采集获取多张第一地基云图，并记录每张所述第一地基云图的拍摄时间；

S3：图像识别获取所述第一地基云图中的太阳质心坐标；

S4：根据所述拍摄时间和所述经纬度，计算太阳的太阳高度角Hs和第一太阳方位角As；

S5：根据所述太阳质心坐标、所述太阳高度角Hs和所述第一太阳方位角As，进行所述全天空成像仪的模型参数拟合，以完成所述全天空成像仪的标定；其中，

所述步骤S5包括以下步骤：

S51：根据多张所述第一地基云图对应的所述太阳质心坐标，计算每张所述第一地基云图对应的太阳质心点到所述第一地基云图的图像中心的距离Dx，并计算每张所述第一地基云图图像中的所述太阳的第二太阳方位角Ag；

S52：根据多张所述第一地基云图对应的所述第一太阳方位角As和所述第二太阳方位角Ag，拟合得到所述全天空成像仪的方位角偏差参数a₀，满足模型：

As＝Ag+a₀；

S53：根据多张所述第一地基云图对应的所述太阳高度角Hs与所述距离Dx，拟合得到所述全天空成像仪的多项式参数b₁、b₂、b₃，满足模型：

Dx＝b₁×Hs+b₂×Hs²+b₃×Hs³；

所述步骤S3包括以下步骤：

S31：将所述第一地基云图转换为HSV色彩空间的第二地基云图；

S32：对所述第二地基云图进行空间分层，获取所述第二地基云图的V层图像；

S33：对所述V层图像进行阈值为R的二值化处理，计算所述V层图像中亮度最高的区域的第一图像面积S，所述二值化处理的阈值R初始设置为254；

S34：对所述V层图像进行阈值为R’的二值化处理，计算所述V层图像中亮度最高的区域的第二图像面积S′，其中，R’＝R-1；

S35：根据所述第一图像面积S和所述第二图像面积S′，计算所述亮度最高的区域的面积变化比率值r：

r＝|(S′-S)/S|；

S36：判断所述第一地基云图中的太阳区域：

若所述R大于等于200且所述r大于0.1，则将所述第二图像面积S′的值赋给所述第一图像面积S，将所述R’的值赋给所述R，执行所述步骤S34至S36；

若所述r小于等于0.1，则认为所述亮度最高的区域为所述太阳区域，并计算所述太阳区域的质心点坐标，即为所述太阳质心坐标,并选取下一张所述第一地基云图进行所述步骤S31至S36，直至所有所述第一地基云图完成所述图像识别；

若所述R小于200且所述r大于0.1，则认为当前太阳被云遮挡，当前的所述第一地基云图无法准确计算所述太阳质心坐标，选取下一张所述第一地基云图进行所述步骤S31至S36，直至所有所述第一地基云图完成所述图像识别。

2.根据权利要求1所述的基于太阳方位的全天空成像仪标定方法，其特征在于，所述步骤S4包括以下步骤：

S41：记所述经纬度的经度为Φ，东经为负，西经为正；记所述经纬度的纬度为

北纬为正，南纬为负；

S42：记所述拍摄时间为NF年M月D日S时F分，计算所述太阳的日角θ：θ＝2π(N-1)/365，式中，N为所述拍摄时间距离当年1月1日的天数；

S43：根据所述太阳的日角θ，计算所述太阳的太阳赤纬值δ：

δ＝0.3723+23.2567sinθ+0.1149sin2θ-0.1712sin3θ-0.758cosθ+0.3656cos2θ+0.0201cos3θ

S44：根据所述太阳的日角θ，计算所述太阳的真太阳时偏差值Eq：

Eq＝0.0028-1.9857sinθ+9.9059sin2θ-7.0924cosθ-0.6882cos2θ；

S45：根据所述经度Φ、所述拍摄时间和所述真太阳时偏差值Eq，计算所述太阳的真太阳时TT：

TT＝S+F/60+(Φ-120)/15+Eq/60；

S46：根据所述真太阳时TT，计算所述太阳的太阳时角t：

t＝(TT-12)×5；

S47：根据所述纬度

所述太阳赤纬值δ和所述太阳时角t，计算所述太阳高度角Hs：

S48：根据所述纬度

所述太阳赤纬值δ和所述太阳高度角Hs，计算所述第一太阳方位角As：

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