一種基于飛行器的云層高度測(cè)量系統(tǒng)及云層高度測(cè)量方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于飛行器的云層高度測(cè)量系統(tǒng)，包括空中測(cè)量裝置和地面控制裝置，所述空中測(cè)量裝置包括飛行器、以及設(shè)置在飛行器上的第一控制模塊、定位模塊、機(jī)上通訊模塊、圖像拍攝裝置；其中，圖像拍攝裝置以拍攝方向垂直向上地設(shè)置在飛行器表面；所述地面控制模塊包括第二控制模塊、以及分別與第二控制模塊相連接的地面通訊模塊、信息輸出裝置；本發(fā)明同時(shí)涉及一種云層高度測(cè)量方法，基于本發(fā)明設(shè)計(jì)基于飛行器的云層高度測(cè)量系統(tǒng)及云層高度測(cè)量方法，能夠根據(jù)測(cè)量要求，靈活準(zhǔn)確測(cè)量出云頂高度或者云底高度，有效提高了測(cè)量工作效率。
【專利說(shuō)明】—種基于飛行器的云層高度測(cè)量系統(tǒng)及云層高度測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于飛行器的云層高度測(cè)量系統(tǒng)及云層高度測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]云底高度作為重要的云物理特征參量，對(duì)包括空氣質(zhì)量、酸雨、日照率、農(nóng)業(yè)干旱、邊界層湍流都有著重要的影響。細(xì)致了解不同類型云層以及不同動(dòng)力條件下云底高度及其演變規(guī)律不僅有助于對(duì)天氣系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)，有助于對(duì)全球氣候變化的研究，更是人工影響天氣作業(yè)條件識(shí)別和效果檢驗(yàn)的重要判據(jù)。
[0003]目前為止，對(duì)云底高度的確定主要有以下五種方式。通過(guò)激光云高儀直接觀測(cè)得到云底高度；利用衛(wèi)星遙感資料反演得到云底高度；利用毫米波雷達(dá)或激光雷達(dá)探測(cè)云底高度；通過(guò)計(jì)算的抬升凝結(jié)高度近似云底高度；地面觀測(cè)系統(tǒng)中人工觀測(cè)方式獲得的云底高度。雖然獲取云底高度的方法很多，目前為止公認(rèn)的較為準(zhǔn)確的方法是用激光云高儀觀測(cè)得到的結(jié)果，可是由于激光云高儀相對(duì)昂貴的價(jià)格，以及單點(diǎn)觀測(cè)視場(chǎng)狹窄這些弊端，在地面觀測(cè)站大范圍的應(yīng)用則比較困。而現(xiàn)在較為普遍的通過(guò)衛(wèi)星遙感反演云底高度的方法，由于衛(wèi)星從上向下觀測(cè)，云頂高度反演較為準(zhǔn)確，而云底的信息則相對(duì)誤差較大。而目前大多數(shù)地面氣象站都采用人工觀測(cè)的方式，人工觀測(cè)云底高度有很大的不確定性，受到能見(jiàn)度的影響很大，尤其在夜晚，在光照不足的情況下，要借助云幕燈輔助觀測(cè)，這更加加大了觀測(cè)的誤差，因此人工觀測(cè)的云底高度值誤差很大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量方式多樣，不僅能準(zhǔn)確測(cè)量云底高度，而且能準(zhǔn)確測(cè)量云頂高度的基于飛行器的云層高度測(cè)量系統(tǒng)。
[0005]本發(fā)明為了解決上述技術(shù)問(wèn)題采用以下技術(shù)方案:本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種基于飛行器的云層高度測(cè)量系統(tǒng)，包括空中測(cè)量裝置和地面控制裝置，所述空中測(cè)量裝置包括飛行器、以及設(shè)置在飛行器上的第一控制模塊、定位模塊、機(jī)上通訊模塊、圖像拍攝裝置；其中，定位模塊、機(jī)上通訊模塊和圖像拍攝裝置分別與第一控制模塊相連接，圖像拍攝裝置以拍攝方向垂直向上地設(shè)置在飛行器表面；所述地面控制模塊包括第二控制模塊、以及分別與第二控制模塊相連接的地面通訊模塊、信息輸出裝置；空中測(cè)量裝置和地面控制裝置之間通過(guò)機(jī)上通訊模塊、地面通訊模塊進(jìn)行相互通信。
[0006]作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案:所述圖像拍攝裝置為全景圖像拍攝裝置。
[0007]作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案:所述第一控制模塊和第二控制模塊為AT91SAM9G45 處理器。
[0008]作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案:所述飛行器為無(wú)人機(jī)。
[0009]本發(fā)明所述一種基于飛行器的云層高度測(cè)量系統(tǒng)采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果:[0010](I)本發(fā)明設(shè)計(jì)的基于飛行器的云層高度測(cè)量系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采用飛行器對(duì)云層進(jìn)行拍照，并與地面控制裝置通信獲取云層高度，能夠根據(jù)測(cè)量要求，靈活準(zhǔn)確測(cè)量出云頂高度或者云底高度，有效提高測(cè)量工作效率；
[0011](2)本發(fā)明設(shè)計(jì)的基于飛行器的云層高度測(cè)量系統(tǒng)中，針對(duì)圖像拍攝裝置采用全景圖像拍攝裝置，能夠大幅提高云層高度的測(cè)量工作效率；
[0012](3)本發(fā)明設(shè)計(jì)的基于飛行器的云層高度測(cè)量系統(tǒng)中，針對(duì)飛行器采用無(wú)人機(jī)，有效保證了云層高度測(cè)量過(guò)程中的安全性。
[0013]與此相應(yīng)，針對(duì)上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種基于本發(fā)明設(shè)計(jì)的云層高度測(cè)量系統(tǒng)，能夠方便準(zhǔn)確地測(cè)量出云頂高度或者云底高度，且有效提高測(cè)量效率的云層高度測(cè)量方法。
[0014]本發(fā)明為了解決上述技術(shù)問(wèn)題采用以下技術(shù)方案:本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種云層高度測(cè)量方法，包括云頂高度測(cè)量或云底高度測(cè)量，包括如下步驟:
[0015]步驟001.所述圖像拍攝裝置在云層之上或者云層之下，基于同一高度的不同位置，以垂直拍攝角度，拍攝兩張尺寸相同、且重合度大于零的云層圖像，并獲取圖像拍攝裝置兩次拍攝位置之間的距離山以及圖像拍攝裝置拍攝時(shí)的高度h_；
[0016]步驟002.針對(duì)兩張?jiān)茖訄D像的重合區(qū)域，至少獲得一個(gè)云層點(diǎn)分別位于兩張?jiān)茖訄D像中的位置；
[0017]步驟003.將兩張?jiān)茖訄D像沿圖像邊緣為基準(zhǔn)進(jìn)行重合，獲取步驟002中其中一個(gè)云層點(diǎn)分別位于兩張?jiān)茖訄D像中的位置之間的距離I1 ；
[0018]步驟004.根據(jù)圖像拍攝裝置的焦距f和、攝-云層./，獲得拍攝時(shí)，云層面向圖






1I
像拍攝裝置的一面與圖像拍攝裝置之間的垂直高度層；
[0019]步驟005.當(dāng)拍攝時(shí)，圖像拍攝裝置位于云層之上,根據(jù)H頂=h拍攝-h聽(tīng)-云層獲得云層頂部高度Hw ;當(dāng)拍攝時(shí)，圖像拍攝裝置位于云層之下，根據(jù)獲得云層底部聞度H底。
[0020]作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案:所述步驟001中，所述圖像拍攝裝置在云層之上或者云層之下，基于同一高度的不同位置，以垂直拍攝角度，拍攝兩張尺寸相同、重合度大于零、且包含經(jīng)緯度信息的云層圖像；
[0021]步驟002.針對(duì)兩張包含經(jīng)緯度信息的云層圖像的重合區(qū)域，根據(jù)經(jīng)緯度信息，至少獲得一個(gè)云層點(diǎn)分別位于兩張?jiān)茖訄D像中的位置。
[0022]作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案:所述步驟002中，具體包括如下步驟:
[0023]步驟00201.針對(duì)兩張?jiān)茖訄D像，分別獲得各張?jiān)茖訄D像中各像素點(diǎn)在水平和垂直方向上的梯度值，并分別求得各張?jiān)茖訄D像中各個(gè)像素點(diǎn)上兩個(gè)方向梯度
?ι) I1I1
值的乘積，得到分別與兩張?jiān)茖訄D像對(duì)應(yīng)的兩張新的云層圖像?和.Yi2] ---;
【權(quán)利要求】
1.一種基于飛行器的云層高度測(cè)量系統(tǒng)，包括空中測(cè)量裝置和地面控制裝置，其特征在于:所述空中測(cè)量裝置包括飛行器、以及設(shè)置在飛行器上的第一控制模塊、定位模塊、機(jī)上通訊模塊、圖像拍攝裝置；其中，定位模塊、機(jī)上通訊模塊和圖像拍攝裝置分別與第一控制模塊相連接，圖像拍攝裝置以拍攝方向垂直向上地設(shè)置在飛行器表面；所述地面控制模塊包括第二控制模塊、以及分別與第二控制模塊相連接的地面通訊模塊、信息輸出裝置；空中測(cè)量裝置和地面控制裝置之間通過(guò)機(jī)上通訊模塊、地面通訊模塊進(jìn)行相互通信。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于飛行器的云層高度測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于:所述圖像拍攝裝置為全景圖像拍攝裝置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于飛行器的云層高度測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于:所述第一控制模塊和第二控制模塊為AT91SAM9G45處理器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于飛行器的云層高度測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于:所述飛行器為無(wú)人機(jī)。
5.一種基于權(quán)利要求1至4中任意一項(xiàng)所述基于飛行器的云層高度測(cè)量系統(tǒng)的云層高度測(cè)量方法，其特征在于，包括云頂高度測(cè)量或云底高度測(cè)量，包括如下步驟: 步驟001.所述圖像拍攝裝置在云層之上或者云層之下，基于同一高度的不同位置，以垂直拍攝角度，拍攝兩張尺寸相同、且重合度大于零的云層圖像，并獲取圖像拍攝裝置兩次拍攝位置之間的距離d，以及圖像拍攝裝置拍攝時(shí)的高度h_ ； 步驟002.針對(duì)兩張?jiān)茖訄D像的重合區(qū)域，至少獲得一個(gè)云層點(diǎn)分別位于兩張?jiān)茖訄D像中的位置； 步驟003.將兩張?jiān)茖訄D像沿圖像邊緣為基準(zhǔn)進(jìn)行重合，獲取步驟002中其中一個(gè)云層點(diǎn)分別位于兩張?jiān)茖訄D像中 的位置之間的距離I1 ； 步驟004.根據(jù)圖像拍攝裝置的焦距f和Affl1-云層獲得拍攝時(shí)，云層面向圖像拍





1I攝裝置的一面與圖像拍攝裝置之間的垂直高度11拍攝_5層； 步驟005.當(dāng)拍攝時(shí)，圖像拍攝裝置位于云層之上，根據(jù)H頂=h聽(tīng)層獲得云層頂部聞度H頂；當(dāng)拍攝時(shí)，圖像拍攝裝直位于z?層之下，根據(jù)H底=h拍攝+h拍攝-云層犾得z?層底部聞度H底。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述一種云層高度測(cè)量方法，其特征在于:所述步驟001中，所述圖像拍攝裝置在云層之上或者云層之下，基于同一高度的不同位置，以垂直拍攝角度，拍攝兩張尺寸相同、重合度大于零、且包含經(jīng)緯度信息的云層圖像； 步驟002.針對(duì)兩張包含經(jīng)緯度信息的云層圖像的重合區(qū)域，根據(jù)經(jīng)緯度信息，至少獲得一個(gè)云層點(diǎn)分別位于兩張?jiān)茖訄D像中的位置。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述一種云層高度測(cè)量方法，其特征在于:所述步驟002中，具體包括如下步驟: 步驟00201.針對(duì)兩張?jiān)茖訄D像，分別獲得各張?jiān)茖訄D像中各像素點(diǎn)在水平和垂直方向上的梯度值，并分別求得各張?jiān)茖訄D像中各個(gè)像素點(diǎn)上兩個(gè)方向梯度值的乘積，得到分「d J1J1I「(/21 I1T--別與兩張?jiān)茖訄D像對(duì)應(yīng)的兩張新的云層圖像Λ<=&彳，其中，/!、/I'表示第一張?jiān)茖訄D像中像素點(diǎn)上水平和垂直方向上的梯度值；€、/表示第二張?jiān)茖訄D像中像素點(diǎn)上水平和垂直方向上的梯度值；步驟00202.根據(jù)
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述一種云層高度測(cè)量方法，其特征在于:所述步驟001和步驟00201之間包括如下步驟:根據(jù)
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述一種云層高度測(cè)量方法，其特征在于:所述步驟003中，將兩張?jiān)茖訄D像沿圖像邊緣為基準(zhǔn)進(jìn)行重合，至少針對(duì)所述步驟002中兩個(gè)云層點(diǎn)，獲取該云層點(diǎn)分別位于兩張?jiān)茖訄D像中的位置之間的距離li，其中，i=l、...、Ι，Ι≤2;所述步驟004中，根據(jù)圖像拍攝裝置的焦距f和化=#./，與步驟003中云層點(diǎn)對(duì)應(yīng)，獲得hi;并根據(jù)
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述一種云層高度測(cè)量方法，其特征在于:所述步驟001中，所述拍攝的兩張?jiān)茖訄D像的重合度大于60%。
【文檔編號(hào)】G01C5/00GK103453882SQ201310452951
【公開(kāi)日】2013年12月18日 申請(qǐng)日期:2013年9月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月27日
【發(fā)明者】王敏, 周樹(shù)道, 陳曉穎, 黃峰, 劉志華, 劉鳳, 徐四林, 文滋木, 曹瑞明 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍理工大學(xué)