全天空成像仪云图的预处理方法

王 悦,安英玉,王文玲,鞠 洋

(黑龙江省人民政府人工降雨办公室，黑龙江 哈尔滨 150030)

1 引言

云在影响全球水循环和热平衡的过程当中扮演着十分重要的角色。 随着社会的日益发展， 云对航空、军事、生活的影响也越来越受到大家关注。

近些年,由于电荷耦合元件等硬件技术的飞速发展，以及数字图像处理技术的日益完善，地基测云仪器的精度不断提升。 目前， 全天空成像仪（TSI，Total Sky Imager） 是国际上具有典型意义的地基测云仪器，可以实现白天全天空云量的持续自动监测，时空分辨率较高，得到的云量计算结果更精确。 但在进行云图处理时会出现多种遮挡的情况， 因此在进行云图解算和研究之前需要对观测数据进行预处理[1]。 本文就云图的预处理的方法进行研究， 剔除非云图的成像， 对提取云区的图像及云图的自动识别具有重要意义。

2 数据与方法

2.1 数据

利用网站上下载大量的云图， 作为本次研究过程中的云图来源。 实验中所用的云图是由美国Yankee 环境系统公司开发研制出的总天空成像仪TSI-880 拍摄的，照片像素为352 x 288/24bit JPEG。

2.2 方法

首先利用Radon 变换检测直线和连通域填充方法剔除遮阳杆对云区识别的干扰， 防止由于遮阳杆对太阳的反射， 在识别时将那部分亮点区域误认为是云区， 使之后提取云区的时候出现云区明显比实际多的误差效果。 此外， 地物属于云图上多余的部分，而且部分区域和云区颜色十分接近，也是造成云区识别的一大重要干扰， 所以第二步运用模板替换的方法剔除地物的干扰。

2.2.1 剔除遮阳杆影响的方法

大多数没有太阳光影响的TSI 云图，因为遮阳杆在云图中表现为黑色与白色的云区差别比较明显，在提取云区时黑色的遮阳杆和蓝色的天空会直接一起忽略。 然而在极少情况下，利用TSI 获取的云图在遮阳杆方面干扰太大， 若不进行剔除， 提取出来的云区会存在比较严重的错误。 因此选取合适的方法来剔除遮阳杆的影响十分有必要。

剔除遮阳杆的影响，主要采取以下两种方法，一是Radon 变换检测直线法，二是连通域填充法[2]。 首先运用Radon 变换检测直线的方法， 检测出来遮阳杆在TSI 云图中的位置， 然后利用连通域填充的方法，将原图中的遮阳杆所在位置进行填充，得到的即是剔除了遮阳杆对太阳照射影响。

2.2.1.1 Radon 变换检测直线方法

Radon 变换在二维空间可以用如下公式表示：

式中，D 为整个图像xy 平面；f（x，y）为在图像点(x,y)处的灰度；ρ 为坐标原点到直线的距离；θ 为距离与x 轴的夹角；δ 为Dirac 函数。 它使f(x,y)沿直线ρ=xcosθ+ysinθ 进行积分。 如下图1 所示。

图1 Radon 变换定义示意图

通过Radon 变换的原则，由图2 可以看出，在原图2（a）中有5 条直线，分别对应变换域图2（b）中5个亮点，坐标（ρ，θ，R）分别为：（7,111°，34）,（11,111°,29）,（-26,90°,19）,（-10,81°,19）,（-20,0°,15）。 每个亮点代表一条直线，由已知（ρ，θ）根据公式ρ＝xcosθ+ysinθ 做出结果如图2 （c）。 由于没有起点坐标信息，5条直线横跨整幅图像， 不能将线段精确定位， 这是Radon 变换的缺陷[3]。 图2(d)、(e)、(f)分别为Radon 变换在相交折线段中的检测过程。

图2 Radon 变换直线检测示例(a)原图1 （b）RT 变换域（c）结果（d）原图2 （e）RT 变换域（f）结果

2.2.1.2 连通域填充方法

传统的连通域填充算法主要分为两种， 一种是扫描线算法， 该算法是通过确定横跨区域的扫描线的覆盖间隔填充的；一种是种子填充算法，即由确定的位置进行填充至指定的边界[3]。

扫描线算法是按照扫描线的顺序， 计算扫描线与多边形的相交区间， 再用颜色显示这些区间的象素完成填充。 这些区间的端点是扫描线与多边形边界线的交点， 可以通过计算来获得要完成这个扫描的转换过程。 对于一条扫描线填充过程，可以分为四个步骤，即求交、排序、配对和填充。 求交是将多边形每个边和扫描线的交点计算出来。 排序是依据X 坐标递增顺序对取得的交点来排序。 配对是利用奇偶配对求出扫描线与多边形的相交区间。 填充就是要对各个相交区间进行填色。

种子填充算法又称为边界填充算法。 先给定一个多边形区域内的种子点（x，y），从该点开始由内向外找到区域内的所有像素， 用给定的颜色画点直到边界为止。 种子填充算法通常采用八向连通与四向连通2 类算法。 八向连通算法是利用右下、左下、右上、左上、下、上、右、左8 个方向的移动到达区域中的任意像素点； 四向连通算法是由区域中的某点开始，利用右、左、下、上4 个方向的移动达到任意一个像素点。

2.2.2 消除其他干扰的方法

2.2.2.1 模板替换方法

在全天空成像仪的云图中主要有遮阳杆， 晴空和云区， 但是在云图的周围还有部分地物杂波和镜面之外的多余部分（即地物）存在（图3），因此在消除其他干扰的这一方面， 本论文主要研究的是消除地物干扰的影响。 由于需要的仅仅只是云图中间含有镜面的区域，所以在处理多余部分时，直接运用了模板进行遮盖处理， 模板如图4 所示， 黑色为遮盖部分，白色为非遮盖部分及本文所需的云图区域，通过模板套用可直接将云图中的多余部分剔除掉。

图3 一般云图

图4 模板

2.2.2.2 提取灰度值方法

除了地物干扰外， 云的边缘还可能存在部分杂波。 由于边缘杂波颜色偏暗，比较容易和白色的云区区分出来， 所以在处理边缘杂波时运用了提取灰度值的方法。

3 剔除遮阳杆的影响

在剔除遮阳杆的过程中， 首先运用Radon 变换检测直线方法检测出云图中的遮阳杆边缘如图5（a），然后运用检测直线方法检测出遮阳杆的两条边线，如下图5（b）。由于检测出来的遮阳杆两条直线并不是理想的平行线，因此在进行仿真实验时，将需要得到的直线设置了斜率之差<5°，和两条直线之间距离在25-40 的像素。 这样就可以得到一组平行线，可认为是遮阳杆两侧的边缘线如图5（c）。

图5 Radon 变换检测直线实现过程（a）边缘检测 （b）检测直线（c）确定遮阳杆边缘所在直线 （d）将原图形按照两条平行线切割

在获得了遮阳杆的边缘直线后， 将原图形按照这两条直线为边界进行切割， 然后将直线两侧分别进行逻辑化处理，即是以分割直线为界，一边为逻辑1，一边为逻辑0，表现为黑白分明的两两交集，然后将其组合即可以得到图5（d）中的图1-2，图5（d）中1-2 的作用是将遮阳杆所在的全部延伸区域都提取出来，最后填充出遮阳杆。

在图5（c）中过检测出的两条平行线做过中心的垂线，将图5（d）中的1-2 区域显现均分为两份，这样就完成了对遮阳杆所在平行区域的两分。 再运用连通域填充的方法将垂直线两侧中所有像素点之和较小的那一份进行填充，确定为遮阳杆。

通过以上两种方法的结合使用， 可以消除遮阳杆对2500 幅云图的提取影响，对比于前人研究提取云区的各种效果上和普遍适用性上进步很多。 如图7，为2017 年8 月21 日的消除遮阳杆前后效果对比图， 可以明显看到该方法对云图中遮阳杆具有较好的消除效果。

图7 消除遮阳杆前后效果对比（a）遮阳杆干扰较大的云图（b）不进行处理后提取的云区 （c）处理后提取的云区

4 消除其他干扰

分别采用模板替换法和提取灰度值的方法对云图中的地物干扰、边缘杂波进行消除，进而将云区提取出来。 具体例子如下：

通过以上两种方法的结合使用， 从图8 中可以看出，该方法对云图中地物干扰、边缘杂波干扰具有较好的消除效果。

图8 消除遮阳杆和其他干扰的效果对比（a）云图原图（b）消除遮阳杆和其他干扰的云图

5 小结

本文介绍了TSI 云图预处理的方法，首先运用了Radon 变换检测直线和连通域填充方法，消除了遮阳杆的影响，实现了剔除原图上的亮斑部分；然后运用了模板替换的方法，去掉了TSI 云图上旋转镜面外部的地物杂波干扰。 通过对比分析表明，以上对云图的处理方法有较好的识别计算效果，对于所有的TSI 云图均适用。