全天候监测长江山区河段能见度的装置、系统和方法

摘要

本发明提供全天候监测长江山区河段能见度的系统，包括模式切换单元，用于根据控制电路的判断结果及当时的时间点切换白天或夜晚；图像能见度对比标准的标定单元；图片数据处理单元；目标区域识别单元；目标区域亮度对比度特征值提取单元；能见度计算单元；评价单元。本发明能够实现全天候的实时监测能见度，对于白天和夜间的两种监测方式可以自动切换，可以直接安装在航标船上，对雾情的监测更及时，接近航道中船舶的航行条件，测量的数据更准确更具实际意义；整套设备的成本较低，可以提高架设的密度，增大监测的范围，获得更多的能见度信息，使航道雾情监测更贴近实况。

说明书

技术领域

本发明属于监控领域，具体涉及一种全天候监测长江山区河段能见度的系统和方法。

背景技术

在长江山区航道，受水体和特殊地形环境影响，江面上经常浓雾弥漫。最常见的是辐射雾，危害最大的是团雾，还有少量平流雾。团雾单体比较小，一般范围为数十米到数百米，团雾外视线良好，团雾内朦胧一片，能见度极低。由于团雾局地性、突发性强，会使船员措手不及，容易造成重大交通事故，对航船造成严重威胁。因此，在长江山区河段布设较高密度的能见度仪对于通航安全至关重要。

目前使用的能见度仪有透射型能见度仪、散射型能见度仪、摄像型能见度仪和激光雷达。根据长江山区雾情特点，以及长江船舶航行特点，要求能见度仪针对 1Km 以下的低能见度监测具有较高精度。而且为了便于在长江边安装，要求仪器的体积小、低功耗，并且无辐射污染。另外，为了保证高密度组网，要求价格低廉。根据上述原则和能见度仪的原理，分析各种类型的能见度仪的优缺点，适用于长江山区航道专用的能见度仪器类型有：单光路前向散射能见度仪、摄像型能见度仪、后向散射能见度仪。

采用摄像机测量能见度，作为自动监测方法，可以代替人眼的观测，将气象观测人员从长时间观测的疲劳中解脱出来，而且可以避免主观因素的影响。相对于其他自动检测仪器，比如透射型能见度仪、散射型能见度仪，摄像型能见度仪观测原理类似于人眼方式，测得的是综合能见度，更具实际意义。因为不要求高精度即可满足测量要求，可以使用低成本的普通日夜两用型摄像机。另外，数据处理设备可以采用已有设备，进一步降低成本。因此，相对于其他方案，低成本是该方案的突出特点之一，特别是可以大幅度降低高密度架设的成本。综上，如何利用该类型摄像机为长江航务部门提供实时的能见度信息，是该发明所要解决的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种全天候监测长江山区河段能见度的系统和方法，利用低成本的普通日夜两用型摄像机，实现全天候的测量。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种全天候监测长江山区河段能见度的装置，其特征在于：它包括在航标船上相对设置的日夜两用型摄像机和目标板，日夜两用型摄像机将采集到的包含目标板的图像传输给航标船自带的工控机，温湿度传感器采集实时的温度和湿度信息发送给所述的工控机；

所述日夜两用型摄像机自带红外光源，镜头与CCD之间设有可移动的红外滤光镜和全光谱光学玻璃，红外滤光镜和全光谱光学玻璃的移入和移出通过摄像机控制电路控制，摄像机控制电路通过光敏传感器采集到的数据判断是白天还是夜晚，从而相应控制移入全光谱光学玻璃或红外滤光镜、以及关闭或打开红外光源，同时控制电路将判断结果发送至航标船自带的工控机；

工控机依据白天或夜晚采用对应的标准进行数据处理、计算能见度。

按上述装置，所述的目标板由黑白两色构成。

按上述装置，所述的光敏传感器与摄像机控制电路之间设有延时电路。

按上述装置，所述的工控机的输出端与显示屏和/或报警装置连接。

按上述装置，所述的工控机与长江航务部门的监控中心通信。

一种利用上述全天候监测长江山区河段能见度的装置实现的全天候监测长江山区河段能见度的系统，其特征在于：它包括：

模式切换单元，用于根据控制电路的判断结果及当时的时间点切换白天或夜晚；

图像能见度对比标准的标定单元，用于对于夜晚和白天两种模式，分别将能见度匹配日夜两用型摄像机测得的目标区域的亮度对比度，利用拟合的方法得到两者的函数关系；其中白天模式下采用可见光，夜晚模式下采用红外线；

图片数据处理单元，用于将日夜两用型摄像机采集的图像保存为固定格式的图片，并顺序编号；

目标区域识别单元，用于将处理好的固定格式的图片，利用图像分割法，得到目标板在图片中的区域，作为目标区域，计算目标区域的像素在整幅图像像素坐标系中的坐标范围；

目标区域亮度对比度特征值提取单元，用于将目标区域分色块的亮度值转化为灰度值，并分别求取各色块灰度值的平均值，最终得到目标区域的亮度对比度；

能见度计算单元，用于将得到的当前的目标区域的亮度对比度代入图像能见度对比标准中，计算得到当前的能见度值V；

评价单元，用于利用D-S证据理论，将测得的能见度、当前的环境温度和当前的湿度分别作为证据，计算得到信任度最大的能见度分布区间。

按上述系统，还包括报警单元，用于根据评价单元得到的能见度可信度最大的区间，根据长江航道部门制定的雾情划分标准，按照以下标准进行报警：

当V>1000时，不做报警；

当1000>V>500时，做中雾报警；

当V<500时，做大雾报警。

按上述系统，还包括能见度记录单元，用于将得到的能见度值根据图片的编号存入对应的数据库表的对应行中。

一种利用上述全天候监测长江山区河段能见度的装置实现的全天候监测长江山区河段能见度的方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1、根据控制电路的判断结果及当时的时间点切换白天或夜晚；

S2、将日夜两用型摄像机采集的图像保存为固定格式的图片，并顺序编号；

S3、将处理好的固定格式的图片，利用图像分割法，得到目标板在图片中的区域，作为目标区域，计算目标区域的像素在整幅图像像素坐标系中的坐标范围；

S4、用于将目标区域分色块的亮度值转化为灰度值，并分别求取各色块灰度值的平均值，最终得到目标区域的亮度对比度； 

S5、将得到的当前的目标区域的亮度对比度代入图像能见度对比标准中，计算得到当前的能见度值V；

对于夜晚和白天两种模式，分别将能见度匹配日夜两用型摄像机测得的目标区域的亮度对比度，利用拟合的方法得到两者的函数关系，构成所述的图像能见度对比标准；其中白天模式下采用可见光，夜晚模式下采用红外线；

S6、利用D-S证据理论，将测得的能见度、当前的环境温度和当前的湿度分别作为证据，计算得到信任度最大的能见度分布区间。

按上述方法，还包括S7、根据评价单元得到的能见度可信度最大的区间，根据长江航道部门制定的雾情划分标准，按照以下标准进行报警：

当V>1000时，不做报警；

当1000>V>500时，做中雾报警；

当V<500时，做大雾报警。

按上述方法，还包括S8、在白天模式下，周期性的打开红外光源，维持一段时间再关闭红外光源，此时间为预设值。

本发明的有益效果为：

1、利用低成本的日夜两用型摄像机进行改装，从而自动测量能见度，可以代替人眼的观测，将气象观测人员从长时间观测的疲劳中解脱出来，而且可以避免主观因素的影响；使用本发明装置、系统和方法，能够实现全天候的实时监测能见度，对于白天和夜间的两种监测方式可以自动切换，可以直接安装在航标船上，对雾情的监测更及时，接近航道中船舶的航行条件，测量的数据更准确更具实际意义；利用航标船自带的工控机进一步节约成本；整套设备的成本较低，可以提高架设的密度，增大监测的范围，获得更多的能见度信息，使航道雾情监测更贴近实况。

2、利用黑白色的目标板，在处理图像时更为方便。

3、通过增加报警或显示或存储的单元，使得本系统得到更好的应用。

4、通过增加延时电路，能够避免在傍晚或者环境明暗变化波动时滤光镜的频繁移动、红外光源的频繁开关，提高设备寿命。

5、在白天模式下，通过周期性的打开红外光源，利用红外线的加热作用，给镜头增温，让镜头上的水雾蒸发，从而避免镜头有水雾、干扰拍摄精度。

附图说明

图1为摄像机与目标物的安装示意图正视图。

图2为摄像机与目标物的安装示意图俯视图。

图3为本发明一实施例的目标板图案。

图4为白天摄像机内设置示意图。

图5为夜晚摄像机内设置示意图。

图6为具体实施流程图。

图7为能见度计算流程图。

图8为评价单元流程图。

具体实施方式

下面结合具体实例对本发明做进一步说明。

本发明提供的一种全天候监测长江山区河段能见度的装置如图1和图2所示，包括在航标船上相对设置的日夜两用型摄像机和目标板（本实施例中，目标板由黑白两色构成，其中外圈为黑色，中心为白色，如图3所示），日夜两用型摄像机将采集到的目标板的图像传输给航标船自带的工控机；所述日夜两用型摄像机自带红外光源，镜头与CCD之间设有可移动的红外滤光镜和全光谱光学玻璃，如图4和图5所示，红外滤光镜和全光谱光学玻璃的移入和移出通过摄像机控制电路控制，摄像机控制电路通过光敏传感器采集到的数据判断是白天还是夜晚，从而相应控制移入全光谱光学玻璃或红外滤光镜、以及关闭或打开红外光源，同时控制电路将判断结果发送至航标船自带的工控机；温湿度传感器采集实时的温度和湿度信息发送给所述的工控机；工控机依据白天或夜晚采用对应的标准进行数据处理、计算能见度。

使用的摄像机自带红外光源，摄像机镜头与CCD之间有一个红外滤光镜，滤除可见光和紫外线，还有一个全光谱光学玻璃，贴了红外截止滤光片，滤除红外线避免色偏，更接近人眼的观测。白天时自动移开红外滤光镜，移入全光谱光学玻璃，晚上让红外滤光镜回到CCD和镜头之间，移出全光谱光学玻璃，并打开红外光源。这里的全光谱光学玻璃、红外滤光镜的移动、红外光源的开闭都是依靠感受环境光的光敏传感器（通常为光敏电阻，也可采用其它光敏器件）的通断来控制。

优选的，为了避免在傍晚或者环境明暗变化波动时滤光镜的频繁移动、红外光源的频繁开关，可以在光敏传感器与摄像机控制电路之间设置一个延时电路。

所述的工控机的输出端与显示屏和/或报警装置连接，工控机与长江航务部门的监控中心通信。

一种利用上述全天候监测长江山区河段能见度的装置实现的全天候监测长江山区河段能见度的系统，包括：

模式切换单元，用于根据控制电路的判断结果及当时的时间点切换白天或夜晚。

图像能见度对比标准的标定单元，用于对于夜晚和白天两种模式，分别将能见度匹配日夜两用型摄像机测得的目标区域的亮度对比度，利用拟合的方法得到两者的函数关系；其中白天模式下采用可见光，夜晚模式下采用红外线；该标定单元只是在制定图像能见度对比标准时使用，一旦完成标定的任务，这个单元就暂停工作，属于系统软件工作的前提条件。

图片数据处理单元，用于将日夜两用型摄像机采集的图像保存为固定格式的图片，并顺序编号；为后续处理提供图片。

目标区域识别单元，用于将处理好的固定格式的图片，利用图像分割法，得到目标板在图片中的区域，作为目标区域，计算目标区域的像素在整幅图像像素坐标系中的坐标范围。

目标区域亮度对比度特征值提取单元，用于将目标区域分色块的亮度值转化为灰度值，并分别求取各色块灰度值的平均值，最终得到目标区域的亮度对比度。

能见度计算单元，用于将得到的当前的目标区域的亮度对比度代入图像能见度对比标准中，计算得到当前的能见度值V；

评价单元，用于利用D-S证据理论，将测得的能见度、当前的环境温度和当前的湿度分别作为证据，计算得到信任度最大的能见度分布区间。

优选的，还包括报警单元，用于根据评价单元得到的能见度可信度最大的区间，根据长江航道部门制定的雾情划分标准，按照以下标准进行报警：

当V>1000时，不做报警；

当1000>V>500时，做中雾报警；

当V<500时，做大雾报警。

优选的，将信任度最大的能见度分布区间发送给长江航务部门的监控中心，在接收到报警单元的报警信号时，将报警信号发送给监控中心；另外还能够接收监控中心软件下传的日期和时间值，对系统进行日期和时间校准，并反馈校准信息，实现同步。

优选的，还包括能见度记录单元，用于将得到的能见度值根据图片的编号存入对应的数据库表的对应行中，还可以按照程序的规定，定期清理数据库，节约内存。

一种利用上述全天候监测长江山区河段能见度的装置实现的全天候监测长江山区河段能见度的方法，包括以下步骤：

S1、根据控制电路的判断结果及当时的时间点切换白天或夜晚；

S2、将日夜两用型摄像机采集的图像保存为固定格式的图片，并顺序编号；

S3、将处理好的固定格式的图片，利用图像分割法，得到目标板在图片中的区域，作为目标区域，计算目标区域的像素在整幅图像像素坐标系中的坐标范围；

S4、用于将目标区域分色块的亮度值转化为灰度值，并分别求取各色块灰度值的平均值，最终得到目标区域的亮度对比度；本实施例中：

                             (1)，

                             (2)，

式(1)中Gi(x,y)代表图片目标区域黑色圆环部分的任一点像素的灰度值，N1代表该黑色圆环部分像素的总数，f1(x,y)代表该黑色圆环部分的平均灰度值；式(2)中gi(x,y)代表图片目标区域中心白色部分的一点像素的灰度值，N2代表该中心白色部分像素的总数，f2(x,y)代表该中心白色部分的平均灰度值；那么亮度对比度c可以由下面的公式得到：

                               (3)；

S5、将得到的当前的目标区域的亮度对比度代入图像能见度对比标准中，计算得到当前的能见度值V。

对于夜晚和白天两种模式，分别将能见度匹配日夜两用型摄像机测得的目标区域的亮度对比度，利用拟合的方法得到两者的函数关系，构成所述的图像能见度对比标准；其中白天模式下采用可见光，夜晚模式下采用红外线。

S6、利用D-S证据理论，将测得的能见度、当前的环境温度和当前的湿度分别作为证据，计算得到信任度最大的能见度分布区间。

将摄像机测得的能见度值、湿度和温度传感器的数据进行融合，共同支持同一条结论，在该单元中，不确定性知识表述如下：

If E1 then H={h1,h2,h3,h4,h5}, CF={a1,a2,a3,a4,a5}；

If E2 then 

If E3 then 

（1）E为前提条件，即证据，E1表示当前能见度值，E2表示当前湿度值，E3表示当前温度值；

（2）H是结论也是识别空间，H={h1,h2,h3,h4,h5}，h1,h2,h3,h4,h5是该子集的基本元素；其中h1={1000<V<2000}, h2={500<V<1000}, h3={200<V<500}, h4={50<V<200}, h5={V<50}；

（3）CF是可信度因子，用集合形式表示，在每条知识中ai、bi或者ci分别与hi（i=1,2,3,4,5）相对应，指出hi的可信度；

其中∑ci≤1，ci≥0，i=1,2,3,4,5；

根据经验空间可知E1、E2和E3的概率分配函数m1、m2、m3，利用D-S证据理论进行证据的复合，得到复合证据的概率分布函数m，之后得到m(h1)、m(h2)、m(h3)、m(h4)、m(h5)、m(H),进一步可以得到区间信任程度的下限Bel(h1)、Bel(h2)、Bel(h3)、Bel(h4)、Bel(h5)，以及区间信任程度的上限Pl(h1)、Pl(h2)、Pl(h3)、Pl(h4)、Pl(h5),这样就可以得到能见度在五个区间分布的信任程度区间，经过比较，可以得到信任度最大区间，将之作为报警单元的输入区间，用于判断是否进行报警。

优选的，还包括S7、根据评价单元得到的能见度可信度最大的区间，根据长江航道部门制定的雾情划分标准，按照以下标准进行报警：

当V>1000时，不做报警；

当1000>V>500时，做中雾报警；

当V<500时，做大雾报警。

优选的，还包括S8、在白天模式下，周期性的打开红外光源，维持一段时间再关闭红外光源，此时间为预设值。

优选的，可将一定时间内求取的当前能见度值进行平均化处理，再将平均能见度值作为评价单元的证据E1，从而提高评价的可靠性。 

具体实施时，如图6所示，包括以下步骤：

步骤1：系统记录当前时间T0；

步骤2：向系统输入图像数据并生成图片，并保存生成的图片，为图片编号；

步骤3：将计算亮度对比度和能见度；

步骤4：记录当前时间T1；

步骤5：判断T1-T0是否大于60s，若是则执行步骤6，否则执行步骤2； 

步骤6：将一分钟内的能见度值做平均处理，得到并保存一分钟内的能见度平均值；

步骤7：评价；

步骤8：报警； 

步骤9：执行通信单元，如果有报警，保存报警记录，回到步骤1。

所述的步骤3如图7所示，包括以下步骤：

步骤31：输入图片；

步骤32：系统对输入的图片进行目标区域的识别，因为摄像机与目标板的位置相对不变，所以目标板的图像位置在图像中的位置是不变的，只需要识别一次；

步骤33：计算图片的目标区域的亮度对比度；

步骤34：根据光敏电阻的通断信号决定采用哪一个图像能见度对比标准，如果为状态1，执行步骤35，否则执行步骤36；

步骤35：将计算得到的目标区域的亮度对比度代入白天图像能见度对比标准，计算出白天能见度；

步骤36：将计算得到的目标区域的亮度对比度代入夜晚图像能见度对比标准，计算出夜晚能见度；

步骤37：保存能见度值。

所述的步骤7如图8所示，包括以下步骤：

步骤71：输入平均能见度值、当前的温度和湿度数据；

步骤72：将平均能见度值、当前的温度和湿度数据作为证据，利用经验空间，得到证据的概率分配函数；

步骤73：利用证据理论的证据复合处理，融合摄像机数据、温度传感器和湿度传感器数据，计算出各个能见度区间的信任度；

步骤74：输出具有最大信任度的区间；

步骤75：将输出结果反馈给经验空间。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。