图像法快速测量色斑直径和雨滴直径

卢俊辉，杨志红，郑先科

（江汉大学 物理与信息工程学院，湖北 武汉 430056）

图像法快速测量色斑直径和雨滴直径

卢俊辉，杨志红，郑先科

（江汉大学 物理与信息工程学院，湖北 武汉 430056）

采用图像法处理滤纸色斑测量雨滴直径。应用距离变换生成分水岭，以分水岭对滤纸色斑进行分割，获取滤纸上色斑面积，计算色斑等效直径 D，率定自然雨滴直径 d=1.1～4.1 mm，与色斑直径关系d=0.356 1×D0.7233。图像法不受色斑毛刺影响，色斑等效直径测量准确，工作效率高。

图像处理；雨滴直径；色斑直径

0 引言

雨滴谱的观测方法比较多，包括雷达观测法［1］、雨滴谱仪观测法［2］、滤纸色斑法［3］等，滤纸色斑法原理明确、设备简单。

滤纸色斑法是基于雨滴在滤纸上形成的色斑面积与雨滴的体积成正比的假设。大量试验分析表明，色斑直径与雨滴直径具有幂函数关系：

式中：D为色斑直径，K和n分别为系数和指数，K、D和n与滤纸的种类有关。

测量滤纸色斑直径，以往采用质量法或图形描绘法。质量法是将雨滴色斑描绘在透明的硫酸纸上，在电子天平上称出带有色斑纸的质量，与单位纸的质量对比，计算出色斑直径。图形描绘法是采用autocad、CorelDraw等绘图软件描绘出色斑图案，并用该软件直接计算出单个色斑直径［4-5］。但是，雨滴在滤纸上形成的色斑带有形状不规则的毛刺，色斑面积测量结果存在较大的误差，测量工作相当复杂。

笔者采用Matlab图像法［6］，根据色斑位置对滤纸色斑图像进行分割，获取每个色斑图像面积，色斑本身的毛刺也包含在内，通过色斑面积计算色斑直径。图像处理法直接检测色斑像素，色斑直径测量精度好、工作效率高。

1 色斑形成

1.1 色斑材料

滤纸选用直径15 cm定性中速滤纸，涂料选用曙红水溶性染料和滑石粉的混合粉末，其质量比为1∶8，使用前将混合粉末薄薄地均匀涂在滤纸上，当雨滴落在滤纸上时，留下永久性的近似圆形色斑。

1.2 滴定针头

滴定针头选用不锈钢点胶针头，同时采用了水滴细分方法获得更小的水滴直径［7］，点胶针头编号、针头内径及产生的水滴直径见表1，其中26a～26l是对26号点胶针头的细分编号。

表1 点胶针头编号及水滴直径dTab.1 Tube number and waterdrop diameterd

1.3 水滴色斑

为了获得近似自然雨滴所形成的色斑，点胶针头安装在高度12 m的平台上，用滤纸承接点胶针头形成一系列直径的水滴，获得对应的色斑，所形成的色斑与实际雨滴所形成的色斑近似，共得到25张带有色斑的滤纸，所对应的水滴直径为1.1～4.1 mm。其中图1（a）为直径3.5 mm水滴从12 m高度落下形成的色斑，图1（b）为自然雨滴形成的色斑。

图1 水滴色斑和雨滴色斑Fig.1 Waterdrop stain and raindrop stain

2 图像方法获取色斑直径

图像法测量色斑直径的过程，以图1（a）中直径3.5 mm水滴色斑直径测量为例详细说明。

2.1 色斑预处理

利用扫描仪以1∶1的比例扫描滤纸色斑，将滤纸图像统一调整为500×500像素，删除残缺和重叠的色斑，适当调整图像的对比度和饱和度，预处理后的滤纸色斑见图2（a）。

2.2 色斑二值化

因滤纸上粉末涂抹不均匀，导致色斑颜色不均匀。为了准确获取色斑图像，采用二值化增强色斑颜色，色斑图像二值化见图2（b），色斑不均匀得到改善。

图2 水滴色斑及其二值图Fig.2 Waterdrop stain and its binary image

2.3 色斑形态学处理

有些色斑二值图像存在缺陷，采用图像学进行膨胀运算重构色斑，并对色斑进行腐蚀开、闭运算，色斑开运算后见图3（a），色斑闭运算后见图3（b），消除色斑存在的缺陷，生成了完整的实心色斑。

图3 二值图开运算、闭运算Fig.3 Open operation and close operation of binary image

2.4 色斑距离变换和分水岭形成

根据色斑位置对图像进行分割，需要找出色斑中心。色斑中心通过距离变换实现，距离变换结果如图4（a），颜色越深，代表该像素越靠近色斑中心，根据色斑中心生成了8个圆盘，见图4（b），其距离局部最小区域见图4（c），再根据区域划分在图像内部形成分水岭见图4（d）。

图4 二值图距离变换和分水岭Fig.4 Distance transformation and watershed of binary image

2.5 色斑分割

以分水岭为边界对色斑二值图进行分割，将图3（b）水滴色斑图分割为8个区域，同时右上角2个粘连的水滴色斑被分割，8个色斑的像素值采用1～8进行标记，见图5（a）。按照同样方法将图1（b）雨滴色斑图分为44个区域，有部分粘连的色斑也被分割，即有44个雨滴，44个色斑的像素值采用1～44进行标记，见图5（b）。

2.6 色斑直径

通过像素标记，计算出分割的8个水滴色斑面积，色斑平均直径29.3 mm。雨滴色斑最大直径30.8 mm，雨滴色斑最小直径28.1 mm。

图5 水滴色斑和雨滴色斑分割Fig.5 Image segmentation of waterdrop and raindrop

3 雨滴色斑直径识别

3.1 雨滴直径与色斑等效直径关系

按照上述步骤，对直径d=1.1～4.1 mm水滴形成的色斑进行了图像处理，分别获得色斑对应的平均直径D=4.6～29.3 mm，见表2。对表2水滴直径和色斑直径进行指数拟合，拟合关系见式（2），与文献［3，8-10］的拟合关系对比见图6，拟合关系效果很好。

表2 水滴直径d和色斑直径DTab.2 Waterdrop diameterdand stain diameterD /mm

图6 色斑直径和雨滴直径拟合Fig.6 Image fitting of stain diameter and raindrop diameter

3.2 雨滴色斑直径识别

将图5（b）所测量的色斑直径代入式（2），计算出图5（b）中的最大雨滴直径为d=4.2 mm，最小雨滴直径d=0.4 mm，符合自然雨滴直径范围。

4 结语

采用点胶针头，以12 m高度落下水滴形成的色斑为基准，采用图像处理法测量滤纸色斑直径，率定了水滴直径d=1.1～4.1 mm与其色斑直径的关系，并对自然雨滴色斑进行了测量，图像法不受色斑毛刺影响，色斑直径测量准确，工作效率高。

（

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［1］赵振维，吴振森，沈广德.利用雨滴尺寸分布数据确定雷达测雨参数［J］.电子学报，2000，28（3）：109-111.

［2］LOFFLER-MANG M，JOSS J.An optical disdrometer for measuring size and velocity of hydrometeors［J］.Atmos and Oceanic Technology，2000，17（2）：130-139.

［3］舒若杰，高建恩，吴普特，等.基于计算机绘图软件的雨滴谱测定新方法［J］.中国水土保持科学，2006，4（3）：65-69.

［4］李红，任志远，汤跃，等.喷头喷洒雨滴粒径测试的改进研究［J］.农业机械学报，2005，36（10）：50-53.

［5］廖炜，卫苗苗，黄煜煜.采用滤纸色斑法对雨滴直径的研究［J］.武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2008，32（6）：1165-1168.

［6］冈萨雷斯.数字图像处理的MATLAB实现［M］.阮秋琦，译.北京：清华大学出版社，2013.

［7］卢俊辉.用于液滴细分的同轴双孔针头、装置及方法［P］.CN：201410428273.6，2014-08-27.

［8］徐向舟，张红武，朱明东.雨滴粒径的测量方法及其改进研究［J］.中国水土保持，2004（2）：22-24.

［9］窦葆璋，周佩华.雨滴的观测和计算方法［J］.水土保持通报，1982，2（1）：44-47.

［10］陈振宇，叶全民，赵美香，等.喷雾雾滴滤纸率定法研究初探［J］.山西农业大学学报，1996，16（4）：422-425.

（责任编辑：陈 旷）

Measuring of Stain Diameter and Raindrop Diameter with Image Processing Method

LU Junhui，YANG Zhihong，ZHENG Xianke
（School of Physics and Information Engineering，Jianghan University，Wuhan 430056，Hubei，China）

Mainly introduces a kind of measuring methods for raindrop size.On the basis of the theory of distance transformation and image segmentation，the raindrop can be mapped to stain pixel，and its diameter is calculated easily.According to the experiments，the relation between the raindrop diameter（d）and the stain diameter（D）is d=0.356 1×D0.7233.This image processing method is highly accurate and efficient because it is not affected by splash burr.

image processing；raindrop diameter；stain diameter

P426.62；TP391.41

A

1673-0143（2015）02-0116-05

10.16389/j.cnki.cn42-1737/n.2015.02.004

2015-01-05

武汉市青年晨光计划资助项目（2013071004010470）

卢俊辉（1974—），男，副教授，博士，研究方向：环境感知和环境识别。