CN203479295U

CN203479295U - 一种基于飞行器的云层高度测量系统

Info

Publication number: CN203479295U
Application number: CN201320603480.1U
Authority: CN
Inventors: 王敏; 周树道; 陈晓颖; 黄峰; 刘志华; 刘凤; 徐四林; 文滋木; 曹瑞明
Original assignee: PLA University of Science and Technology
Current assignee: PLA University of Science and Technology
Priority date: 2013-09-27
Filing date: 2013-09-27
Publication date: 2014-03-12
Anticipated expiration: 2023-09-27

Abstract

本实用新型涉及一种基于飞行器的云层高度测量系统，包括空中测量装置和地面控制装置，所述空中测量装置包括飞行器、以及设置在飞行器上的第一控制模块、定位模块、机上通讯模块、图像拍摄装置；其中，图像拍摄装置以拍摄方向垂直向上地设置在飞行器表面；所述地面控制模块包括第二控制模块、以及分别与第二控制模块相连接的地面通讯模块、信息输出装置；本实用新型设计的基于飞行器的云层高度测量系统能够根据测量要求，灵活准确测量出云顶高度或者云底高度，有效提高了测量工作效率。

Description

一种基于飞行器的云层高度测量系统

技术领域

本实用新型涉及一种基于飞行器的云层高度测量系统。

背景技术

云底高度作为重要的云物理特征参量，对包括空气质量、酸雨、日照率、农业干旱、边界层湍流都有着重要的影响。细致了解不同类型云层以及不同动力条件下云底高度及其演变规律不仅有助于对天气系统的监测预报，有助于对全球气候变化的研究，更是人工影响天气作业条件识别和效果检验的重要判据。

目前为止，对云底高度的确定主要有以下五种方式。通过激光云高仪直接观测得到云底高度；利用卫星遥感资料反演得到云底高度；利用毫米波雷达或激光雷达探测云底高度；通过计算的抬升凝结高度近似云底高度；地面观测系统中人工观测方式获得的云底高度。虽然获取云底高度的方法很多，目前为止公认的较为准确的方法是用激光云高仪观测得到的结果，可是由于激光云高仪相对昂贵的价格，以及单点观测视场狭窄这些弊端，在地面观测站大范围的应用则比较困。而现在较为普遍的通过卫星遥感反演云底高度的方法，由于卫星从上向下观测，云顶高度反演较为准确，而云底的信息则相对误差较大。而目前大多数地面气象站都采用人工观测的方式，人工观测云底高度有很大的不确定性，受到能见度的影响很大，尤其在夜晚，在光照不足的情况下，要借助云幕灯辅助观测，这更加加大了观测的误差，因此人工观测的云底高度值误差很大。

实用新型内容

针对上述技术问题，本实用新型所要解决的技术问题是提供一种结构简单，测量方式多样，不仅能准确测量云底高度，而且能准确测量云顶高度的基于飞行器的云层高度测量系统。

本实用新型为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本实用新型设计了一种基于飞行器的云层高度测量系统，包括空中测量装置和地面控制装置，所述空中测量装置包括飞行器、以及设置在飞行器上的第一控制模块、定位模块、机上通讯模块、图像拍摄装置；其中，定位模块、机上通讯模块和图像拍摄装置分别与第一控制模块相连接，图像拍摄装置以拍摄方向垂直向上地设置在飞行器表面；所述地面控制模块包括第二控制模块、以及分别与第二控制模块相连接的地面通讯模块、信息输出装置；空中测量装置和地面控制装置之间通过机上通讯模块、地面通讯模块进行相互通信。

作为本实用新型的一种优选技术方案：所述图像拍摄装置为全景图像拍摄装置。

作为本实用新型的一种优选技术方案：所述第一控制模块和第二控制模块为AT91SAM9G45处理器。

作为本实用新型的一种优选技术方案：所述飞行器为无人机。

本实用新型所述一种基于飞行器的云层高度测量系统采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

（1）本实用新型设计的基于飞行器的云层高度测量系统，结构简单，采用飞行器对云层进行拍照，并与地面控制装置通信获取云层高度，能够根据测量要求，灵活准确测量出云顶高度或者云底高度，有效提高测量工作效率；

（2）本实用新型设计的基于飞行器的云层高度测量系统中，针对图像拍摄装置采用全景图像拍摄装置，能够大幅提高云层高度的测量工作效率；

（3）本实用新型设计的基于飞行器的云层高度测量系统中，针对飞行器采用无人机，有效保证了云层高度测量过程中的安全性。

附图说明

图1是本实用新型设计基于飞行器的云层高度测量系统的功能模块图；

图2是本实用新型设计基于飞行器的云层高度测量系统的测量示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明。

如图1所示，本实用新型设计了一种基于飞行器的云层高度测量系统，包括空中测量装置和地面控制装置，所述空中测量装置包括飞行器、以及设置在飞行器上的第一控制模块、定位模块、机上通讯模块、图像拍摄装置；其中，定位模块、机上通讯模块和图像拍摄装置分别与第一控制模块相连接，图像拍摄装置以拍摄方向垂直向上地设置在飞行器表面；所述地面控制模块包括第二控制模块、以及分别与第二控制模块相连接的地面通讯模块、信息输出装置；空中测量装置和地面控制装置之间通过机上通讯模块、地面通讯模块进行相互通信。

本实用新型设计的基于飞行器的云层高度测量系统，结构简单，采用飞行器对云层进行拍照，并与地面控制装置通信获取云层高度，能够根据测量要求，灵活准确测量出云顶高度或者云底高度，有效提高测量工作效率。

本实用新型设计的基于飞行器的云层高度测量系统中，针对图像拍摄装置采用全景图像拍摄装置，能够大幅提高云层高度的测量工作效率。

本实用新型设计的基于飞行器的云层高度测量系统中，针对飞行器采用无人机，有效保证了云层高度测量过程中的安全性。

与此相应，如图2所示，一种云层高度测量方法，包括云顶高度测量或云底高度测量，包括如下步骤：

步骤001.所述图像拍摄装置在云层之上或者云层之下，基于同一高度的不同位置，以垂直拍摄角度，拍摄两张尺寸相同、且重合度大于零的云层图像，并通过定位模块获取图像拍摄装置两次拍摄位置之间的距离d，以及图像拍摄装置拍摄时的高度h_拍摄；

步骤002.针对两张云层图像的重合区域，至少获得一个云层点分别位于两张云层图像中的位置；

步骤003.将两张云层图像沿图像边缘为基准进行重合，获取步骤002中其中一个云层点分别位于两张云层图像中的位置之间的距离l₁；

步骤004.根据图像拍摄装置的焦距f和

获得拍摄时，云层面向图像拍摄装置的一面与图像拍摄装置之间的垂直高度h_{拍摄-云层}；

步骤005.当拍摄时，图像拍摄装置位于云层之上，根据H_顶=h_拍摄-h_{拍摄-云层}获得云层顶部高度H_顶；当拍摄时，图像拍摄装置位于云层之下，根据H_底=h_拍摄+h_{拍摄-云层}获得云层底部高度H_底。

本实用新型设计的云层高度测量方法，通过本实用新型设计基于飞行器的云层高度测量系统对云顶高度或者云底高度进行测量，测量方法简洁明了，而且测量精度能够有效得到提高，不仅如此，相对于激光测云仪和人工观测而言，本实用新型设计的方法拥有结构简单、易于实现，且成本低廉、测量精度高的优点。

作为本实用新型的一种优选技术方案：所述步骤001中，所述图像拍摄装置在云层之上或者云层之下，基于同一高度的不同位置，以垂直拍摄角度，拍摄两张尺寸相同、重合度大于零、且包含经纬度信息的云层图像；

步骤002.针对两张包含经纬度信息的云层图像的重合区域，根据经纬度信息，至少获得一个云层点分别位于两张云层图像中的位置。

作为本实用新型的一种优选技术方案：所述步骤002中，具体包括如下步骤：

步骤00201.针对两张云层图像，分别获得各张云层图像中各像素点在水平和垂直方向上的梯度值，并分别求得各张云层图像中各个像素点上两个方向梯度值的乘积，得到分别与两张云层图像对应的两张新的云层图像

M_{1}^{'} = [\begin{matrix} {(I_{x}^{1})}^{2} & I_{x}^{1} I_{y}^{1} \\ I_{x}^{1} I_{y}^{1} & {(I_{y}^{1})}^{2} \end{matrix}]

和

M_{2}^{'} = [\begin{matrix} {(I_{x}^{2})}^{2} & I_{x}^{2} I_{y}^{2} \\ I_{x}^{2} I_{y}^{2} & {(I_{y}^{2})}^{2} \end{matrix}],

其中，

表示第一张云层图像中像素点上水平和垂直方向上的梯度值；

表示第二张云层图像中像素点上水平和垂直方向上的梯度值；

步骤00202.根据

和

针对两张新的云层图像，分别做高斯滤波，进行平滑处理，分别得到新的矩阵M₁、M₂，

ω_{1 (u, v)} = \exp [\frac{- ({(u_{1})}^{2} + {(v_{1})}^{2})}{2 {(δ_{1})}^{2}}],

ω_{2 (u, v)} = \exp [\frac{- ({(u_{2})}^{2} + {(v_{2})}^{2})}{2 {(δ_{2})}^{2}}]

其中，ω_1(u，v)、ω_2(u，v)均表示均值为零的离散二维高斯函数，δ₁表示云层图像

的方差，δ₂表示云层图像的方差，u₁、v₁分别表示云层图像

的行列坐标，u₂、v₂分别表示云层图像

的行列坐标；

步骤00203.根据CRF₁＝det(M₁)-k·trace²(M₁)和CRF₂＝det(M₂)-k·trace²(M₂)分别获取参数CRF₁的最大值和参数CRF₂的最大值，其中，参数CRF₁的最大值和参数CRF₂的最大值分别对应各自原始的云层图像中的角点位置；

步骤00204.根据归一化互相关计算模型对两张原始的云层图像进行同一云层点匹配，至少获得一个云层点分别位于两张云层图像中的位置，归一化互相关计算模型如下：

R (g, j) = \frac{Σ_{m = 1}^{M} Σ_{n = 1}^{N} T (m, n) S^{g, j} (m, n)}{\sqrt{Σ_{m = 1}^{M} Σ_{n = 1}^{N} T^{2} (m, n) Σ_{m = 1}^{M} Σ_{n = 1}^{N} {[S^{g, j} (m, n)]}^{2}}}

其中，R(g，j)为两张原始的云层图像中两特征角点对应区域的归一化相关系数，T为两张原始的云层图像上角点位置对应M×N个像素的模板，m=1、···、M，n=1、···、N，S^g，j为两张原始的云层图像中待搜索区域上的角点对应的区域。

作为本实用新型的一种优选技术方案：所述步骤001和步骤00201之间包括如下步骤：根据

分别对两张云层图像进行直方图均衡化的增强预处理，其中，S为云层图像累计分布额函数，r为云层图像中像素点的灰度值，P_r(r)为云层图像中像素点灰度值为r的概率密度。

本实用新型设计的云层高度测量方法中，针对寻找同一云层点分别位于两张云层图像中的位置的方法中，提供了两种实现方法，各具各优点，使得本实用新型设计的方法具有多种灵活多样的具体实施方法，且均能在保证整个技术方法实施的基础之上有效提高最终云层高度的测量精度。

作为本实用新型的一种优选技术方案：所述步骤003中，将两张云层图像沿图像边缘为基准进行重合，至少针对所述步骤002中两个云层点，获取该云层点分别位于两张云层图像中的位置之间的距离l_i，其中，i=1、···、I，I≥2；

所述步骤004中，根据图像拍摄装置的焦距f和

与步骤003中云层点对应，获得h_i，并根据

获得拍摄时，云层面向图像拍摄装置的一面与图像拍摄装置之间的垂直高度h_{拍摄-云层}。

本实用新型设计的云层高度测量方法中，针对云层面向图像拍摄装置的一面与图像拍摄装置之间的垂直高度，通过多次测量求平均的方式进行获取，能够进一步提高最终云层高度的测量精度。

作为本实用新型的一种优选技术方案：所述步骤001中，所述拍摄的两张云层图像的重合度大于60%。

本实用新型设计的云层高度测量方法中，使由图像拍摄装置拍摄的两张云层图像的重合度大于60%，可以在之后的操作步骤中，寻找到更多符合要求的同一云层点分别位于两张云层图像中的位置，在此基础之上，加之多次测量求平均的方式，进一步直接提高最终云层高度的测量精度。

如图2所示，本实用新型设计的基于飞行器的云层高度测量系统及云层高度测量方法在实际应用过程当中，包括云顶高度测量或云底高度测量，包括如下步骤：

步骤001.无人机飞行于云层之上或者云层之下，基于同一高度的不同位置，设置在无人机上的图像拍摄装置以垂直拍摄角度，拍摄两张尺寸相同、且重合度大于60%的云层图像，并获取图像拍摄装置两次拍摄位置之间的距离d，以及图像拍摄装置拍摄时的高度h_拍摄；

步骤002.针对两张云层图像的重合区域，至少获得一个云层点分别位于两张云层图像中的位置，其中，针对该过程可以采用如下两种方法去实现，其一方法如下，即步骤002具体包括如下：

根据分别对两张云层图像进行直方图均衡化的增强预处理，其中，S为云层图像累计分布额函数，r为云层图像中像素点的灰度值，P_r(r)为云层图像中像素点灰度值为r的概率密度。

M_{1}^{'} = [\begin{matrix} {(I_{x}^{1})}^{2} & I_{x}^{1} I_{y}^{1} \\ I_{x}^{1} I_{y}^{1} & {(I_{y}^{1})}^{2} \end{matrix}]

和

M_{2}^{'} = [\begin{matrix} {(I_{x}^{2})}^{2} & I_{x}^{2} I_{y}^{2} \\ I_{x}^{2} I_{y}^{2} & {(I_{y}^{2})}^{2} \end{matrix}],

其中，

步骤00202.根据

和

ω_{1 (u, v)} = \exp [\frac{- ({(u_{1})}^{2} + {(v_{1})}^{2})}{2 {(δ_{1})}^{2}}],

ω_{2 (u, v)} = \exp [\frac{- ({(u_{2})}^{2} + {(v_{2})}^{2})}{2 {(δ_{2})}^{2}}]

的方差，δ₂表示云层图像

的方差，u₁、v₁分别表示云层图像

的行列坐标，u₂、v₂分别表示云层图像

的行列坐标；

R (g, j) = \frac{Σ_{m = 1}^{M} Σ_{n = 1}^{N} T (m, n) S^{g, j} (m, n)}{\sqrt{Σ_{m = 1}^{M} Σ_{n = 1}^{N} T^{2} (m, n) Σ_{m = 1}^{M} Σ_{n = 1}^{N} {[S^{g, j} (m, n)]}^{2}}}

又或者通过如下方式进行获得：

所述步骤001中，所述图像拍摄装置在云层之上或者云层之下，基于同一高度的不同位置，以垂直拍摄角度，拍摄两张尺寸相同、重合度大于零、且包含经纬度信息的云层图像；

在针对两张云层图像的重合区域，至少获得一个云层点分别位于两张云层图像中的位置之后，接着进入如下步骤：

步骤003.将两张云层图像沿图像边缘为基准进行重合，至少针对所述步骤002中两个云层点，获取该云层点分别位于两张云层图像中的位置之间的距离l_i，其中，i=1、···、I，I≥2；

步骤004.根据图像拍摄装置的焦距f和

与步骤003中云层点对应，获得h_i，并根据

综上，通过建立并实施本实用新型设计的基于飞行器的云层高度测量系统及云层高度测量方法，能够有效大幅提高云层高度的测量精度，具有广阔的市场应用前景与经济价值。

上面结合附图对本实用新型的实施方式作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下做出各种变化。

Claims

1. 一种基于飞行器的云层高度测量系统，包括空中测量装置和地面控制装置，其特征在于：所述空中测量装置包括飞行器、以及设置在飞行器上的第一控制模块、定位模块、机上通讯模块、图像拍摄装置；其中，定位模块、机上通讯模块和图像拍摄装置分别与第一控制模块相连接，图像拍摄装置以拍摄方向垂直向上地设置在飞行器表面；所述地面控制模块包括第二控制模块、以及分别与第二控制模块相连接的地面通讯模块、信息输出装置；空中测量装置和地面控制装置之间通过机上通讯模块、地面通讯模块进行相互通信。

2. 根据权利要求1所述一种基于飞行器的云层高度测量系统，其特征在于：所述图像拍摄装置为全景图像拍摄装置。

3. 根据权利要求1所述一种基于飞行器的云层高度测量系统，其特征在于：所述第一控制模块和第二控制模块为AT91SAM9G45处理器。

4. 根据权利要求1所述一种基于飞行器的云层高度测量系统，其特征在于：所述飞行器为无人机。