一种基于图像增强的毛毛雨观测方法研究

陈侯宇 李卓陶 周佳 刘宜萱

摘要：毛毛雨气象对光散射作用强，常伴随着较低的能见度，对航空、交通影响巨大。就现阶段而言，自动观测天气现象仪存在观测毛毛雨报空率较高的问题。文章基于这样的现实背景，以“实现更精确的毛毛雨观测技术”为主要研究目的，提出一种基于图像增强的毛毛雨观测法。本观测法利用毛毛雨对光的反射现象，通过一种新的图像处理方法，测量雨滴掉落在观测板上的雨滴大小，实现了对毛毛雨气象的准确观测。该方法一定程度上弥补了现有观测技术的缺陷。

关键词：观测技术;地面气象;毛毛雨;图像处理

1.引言

大气降水测量是地球水循环监测的重要环节，是水资源利用的重要组成部分，也是洪水灾害预警和环境评估的重要影响因素。因此，降雨量和降雨强度的准确监测，对生产实践具有重要意义[1]。其中毛毛雨是大气降水中一种常见的现象，通常是由大量直径小于0.5 mm雨滴组成，细小稠密且十分均匀。其对光散射作用强，常伴有雾和低云，能见度较差，对航空、交通影响巨大。同时毛毛雨是导致云中积冰和降水积冰的主要原因之一[2]。因此若能精准观测毛毛雨，则能提前预测到该气象带来的可能危害。

但是，目前对毛毛雨的观测研究相对较少，且观测方法较单一。人工观测是一种常见的毛毛雨观测方式。但人工观测方式存在人力成本高和准确度的问题[3]。还存在很难24小时持续观测和很多地区不适用人工观测的问题。还有采用雨滴谱仪的自动观测法，该仪器是一种采用现代激光技术进行测量的光学测量系统，并且根据文献[4]，对比现阶段的雨滴仪与人工观测，虽然雨滴谱仪对雨的捕获率较高，空报率、错报率、漏报率均较低，自动观测记录准确性最好，但其存在观测毛毛雨空报率较高的缺陷。

在此，本文提出一种基于图像增强的毛毛雨自动观测方法。在雨滴滴落到观测板后，通过附着在观测板上的毛毛雨雨滴对进入雨滴的光线在雨滴内部的存在多次反射和透射现象，并利用图像处理的相关方法，进而测量出观测板上的雨滴大小，实现了对毛毛雨主要特征要素的准确观测。有望解决雨滴谱仪观测毛毛雨空报率较高的问题。

2.基于图像增强的毛毛雨观测方法

2.1 一种用于毛毛雨图像增强的补光装置

若采用一般的图像观测装置对毛毛雨图像进行直接处理，由于毛毛雨自身无色透明的特性，导致在图像处理过程中存在毛毛雨与背景板较难分割的问题。本文充分利用毛毛雨雨滴对光的反射和折射现象，设计了一种用于毛毛雨图像增强的补光观测装置，如图1所示，提高了图像处理的准确性。

该装置底板作为雨滴的承载板，采用黑色半透光的防水材料制成，侧面安装环形灯带和遮光板。这样可以使得灯带的灯光受外界的影响较小，均匀的照射在雨滴上面。由于雨滴对光的反射和内部折射作用，此时用摄像头捕捉图像，会观测到雨滴比较清晰的轮廓。此方法较好的解决了图像处理过程中毛毛雨与背景板较难分割的问题。

2.2一种新的毛毛雨图像处理方法

文献[5]所提出的色斑法，是利用人工测量雨滴落在滤纸上形成的色斑图样，判断降雨情况。此方法说明，用图像法来观测毛毛雨是可能和可行的。色斑法虽然能观测到毛毛雨气象，然而该存在过程繁琐、人工参与度高、准确性不足的缺陷。由此，在前述提出的补光观测装置获得雨滴图像的基础上，本文提出一种新的毛毛雨图像处理方法，如图2所示。本方法的关键流程由以下七方面组成：

（1）图像灰度化处理算法

（2）获取合适的阈值

（3）图像分割算法

（4）图像膨胀腐蚀算法

（5）图像填充算法

（6）图像平滑处理算法

（7）计算雨滴近似面积与直径

本毛毛雨观测方法通过直接计算图像中雨滴的像素大小，有效提高了测量精度与工作效率，从而可解决现阶段色斑法过程繁琐，与雨滴谱仪毛毛雨报空率高的问题。

3.毛毛雨图像处理关键过程与技术

3.1毛毛雨图像灰度处理

将获取的如图3所示的毛毛雨原始图像进行灰度化处理，得到如图4所示的灰度图像。

3.2毛毛雨图像阈值分割处理

为了区分毛毛雨与背景板，需要對图像进行分割处理。然而直接进行图像分割处理并不容易，需要找到合适的阈值进行图像分割。因此首先进行阈值获取，建立一个一行二百五十六列的矩阵，遍历出图像各个灰度值的像素个数。以灰度值为横坐标，灰度值对应的像素数为纵坐标，建立一个直方图。如果直方图是单峰值灰度直方图（图5），一般采用大津法得到阈值。大津法即最大类间方差法，设定一个阈值k，将图像分成两组。变动k的取值使得两组的类间方差最大，此时该值K为大津法所求分割阈值。根据文献[6]中有关大律法在图像处理方面的应用研究，如果直方图是较明显的双峰图，且双峰灰度差小于80灰度值。则也可采用双峰法得出分割阈值。随后进行图像分割工作，将灰度低于分割阈值的图像部分转换为黑色，将灰度高于分割阈值的部分转换为白色，得到黑白二值化图像（图6）。

3.3毛毛雨图像膨胀与腐蚀

黑白二值化图像中的白色雨滴部分较多为断开的月牙型圆，无法进行填充操作，所以需要对图像进行修补。具体操作为先进行图像膨胀，使得雨滴的断点连通，然后通过图像腐蚀使雨滴恢复原来的大小，得到膨胀后的图像，如图7所示。腐蚀后的图像，如图8所示。

3.4毛毛雨图像的填充与图像平滑处理

为了方便得到图像中每个雨滴的面积，需要对图像中的雨滴图像进行填充操作，使雨滴图像变为一个完整的近似圆，得到毛毛雨填充处理后的图像，如图9所示。为了使雨滴图像变得更为平滑，需要去除图像中的小颗粒和雨滴之间的粘连，构造出一个圆形元素，去匹配雨滴。利用该圆形元素对图像实现开闭运算可使图像变得更为平滑。得到观测毛毛雨圆滑处理后的图像，如图10所示。

3.5毛毛雨图像标注与计算

为了得到每滴毛毛雨的图像数量及面积，需要标注图像中所有的雨滴，使用外接矩形框框选雨滴图像，其中雨滴的形心确定矩形框位置，为每个雨滴标上数字，以此来统计雨滴的数量，得到标记雨滴后的图像，如图11所示。

最后，计算出雨滴个数以及每个雨滴的面积。因为图像中存在阈值分割和膨胀腐蚀操作时造成的大面积白色区域，所以使用面积中位数为参考，计算出当前毛毛雨的近似面积和直径。

根据公式：

（其中S为实际雨滴面积，sp为图像中雨滴大小，i为实际与图像的比例系数，R为实际雨滴半径）利用图像中雨滴大小计算出实际雨滴大小。

4.结语

文中提出了一种基于图像增强的毛毛雨观测方法研究，通过用于毛毛雨图像增强的补光装置和一种新的图像处理法，实现了对毛毛雨天气现象的更准确观测，解决了现阶段雨滴譜仪观测毛毛雨空报率较高的问题。

参考文献：

[1]程曦，漆随平，李志乾，崔天刚，王尼.降雨量传感器的故障诊断方法研究[J].传感技术学报，2021，34（01）：89-95.

[2]王天舒.基于高分辨率观测的三类电线积冰研究：气象要素和微结构相结合[D].南京信息工程大学，2020.

[3]陆占东.地面气象观测自动化正式运行后人工观测项目探讨[J].南方农机，2020，51（17）：86-87.

[4]叶华忠，李国栋，邱逸峰.降水现象自动观测和人工观测的对比分析[J].科学与信息化，2020，000（010）：13，19.

[5]涂晓云，王克勤，赵洋毅，王嘉维，段旭，朱梦雪.滇中高原不同林龄华山松林冠层对天然降雨雨滴能量特征的影响[J].水土保持通报，2021，41（03）：40-49.

[6]刁子健，张寿明.基于OpenCV的气泡检测系统设计[J].电子测量技术，2021，44（12）：6-11.

作者简介：

陈侯宇（2000.01—），男，汉族，四川宜宾人，本科在读，成都信息工程大学本科生，研究方向：通信工程

李卓陶（1999.12—），男，汉族，四川成都人，本科在读，成都信息工程大学学生，研究方向：通信工程

周佳（1999.04—），女，汉族，四川资阳人，本科在读，成都信息工程大学本科生，研究方向：通信工程

项目基金：国家级大学生创新创业训练计划（S202010621022）