普通数码相机在大气能见度测量中的应用方法研究.pdf

气象科技进展 Letter 短论
普通数码相机在大气能见度测量中的应用方法研究
苏子牧
(清华大学,北京 100084)
引言 2 误差分析
大气能见度是重要的气象参数之一,也是表征近 来源于数码相机的误差
地大气污染程度的一个重要物理量,精确能见度测量相机方面,作者推导了相片单像素灰度与对应区
能提前避免飞机起落和汽车通行在低能见度状况下的域亮度(单位:J•sr-1•s-1•m-2)的理论关系式(3),在
事故隐患,在阴霾天气的监测中也发挥着很大的作此公式基础上解决了因为镜头分辨率不足导致的亮度
用。现行测量能见度的专业仪器主要为透射式能见度偏差,由亮度过高、底片品质导致的光电非线性响应
仪和前向散射式能见度仪等,精度高且探测范围宽, 问题等。
但多为固定安装,限制了能见度测量的地域范围和灵
活性。小巧灵便的普通数码相机弥补了这一缺点,在(3)
保证一定精度的前提下可以以较快速度移动测量,故
可对突发情况或大范围内的能见度情况做出评定。此式中,相机通光口径为D (单位:mm),排除暗电流
外,由于数码相机的高普及率,缺少专业仪器的气象后的目标图像灰度为G ,通光时间为t (单位:s),灰
爱好者也可使用这种方法对周围地区的能见度有进一
度、焦耳转换系数为ξ,底片尺寸为l d(单位:mm),
步了解。
对应边的最大像素长为l p(单位:像素长),焦距为F
1 适用于数码相机的能见度测量理论(单位:mm),目标图片尺寸为p ×q (单位:像素
在Koschmieder公式和Lambert-Beer定律的基础上长),f为光圈(F/D)。
可以得到目标亮度、距离、能见度等参数的理论关系 因镜头分辨率不足导致的亮度偏差
对于前者,有以下判断方法:在目标亮度与所呈
(式1):
立体角一定的情况下,使用相异焦距值拍摄目标得到

单位像素灰度值相同,在该焦距范围内拍摄的图像没
(1)
有亮度偏差,反则失真。失真情况下,需要调大焦距
其中, 为零距离反射亮度, 为目标视线方向天光
B r-0 B 0 值或增加目标在拍摄点立体角。
亮度, 为目标与拍摄点间距(单位: ), 为能见
R m V 由亮度过高、底片品质导致的光电非线性
-1 -1 -2
度(单位:m)。以上亮度单位均为J•sr •s •m 。响应现象
通过调整、增减拍摄点和目标性质、数量和顺为排除光电非线性响应现象,本文分别对相机的
序,约去B r-0、B 0等难以精确测量的物理量,获得四种感光度、曝光时间、光圈提出了约束及操作要求。提
测量方案,经分析筛选,得到如图1的拍摄点和目标高感光度(与灰度、焦耳转换系数ξ成正比)会导致
模型。过大的相片噪点和暗电流,故感光度调整至最低即
可。而为减小曝光时间、光圈真实值与标度值偏差以
及光电非线性响应的影响,测量人员需由暗至亮以十
挡曝光时间拍摄目标,后调高一档光圈并调低一档曝
图 1 拍摄点和目标模型光时间,由亮至暗再以十档曝光时间拍摄目标。该过
该模型对应的能见度、目标亮度、距离关系为:
程重复3~4遍。示例如下:
f11 1/3200 1/28