一種基于圖像增強的毛毛雨觀測方法研究

陳侯宇 李卓陶 周佳 劉宜萱

摘要：毛毛雨氣象對光散射作用強，常伴隨著較低的能見度，對航空、交通影響巨大。就現階段而言，自動觀測天氣現象儀存在觀測毛毛雨報空率較高的問題。文章基于這樣的現實背景，以“實現更精確的毛毛雨觀測技術”為主要研究目的，提出一種基于圖像增強的毛毛雨觀測法。本觀測法利用毛毛雨對光的反射現象，通過一種新的圖像處理方法，測量雨滴掉落在觀測板上的雨滴大小，實現了對毛毛雨氣象的準確觀測。該方法一定程度上彌補了現有觀測技術的缺陷。

關鍵詞：觀測技術;地面氣象;毛毛雨;圖像處理

1.引言

大氣降水測量是地球水循環監測的重要環節，是水資源利用的重要組成部分，也是洪水災害預警和環境評估的重要影響因素。因此，降雨量和降雨強度的準確監測，對生產實踐具有重要意義[1]。其中毛毛雨是大氣降水中一種常見的現象，通常是由大量直徑小于0.5?mm雨滴組成，細小稠密且十分均勻。其對光散射作用強，常伴有霧和低云，能見度較差，對航空、交通影響巨大。同時毛毛雨是導致云中積冰和降水積冰的主要原因之一[2]。因此若能精準觀測毛毛雨，則能提前預測到該氣象帶來的可能危害。

但是，目前對毛毛雨的觀測研究相對較少，且觀測方法較單一。人工觀測是一種常見的毛毛雨觀測方式。但人工觀測方式存在人力成本高和準確度的問題[3]。還存在很難24小時持續觀測和很多地區不適用人工觀測的問題。還有采用雨滴譜儀的自動觀測法，該儀器是一種采用現代激光技術進行測量的光學測量系統，并且根據文獻[4]，對比現階段的雨滴儀與人工觀測，雖然雨滴譜儀對雨的捕獲率較高，空報率、錯報率、漏報率均較低，自動觀測記錄準確性最好，但其存在觀測毛毛雨空報率較高的缺陷。

在此，本文提出一種基于圖像增強的毛毛雨自動觀測方法。在雨滴滴落到觀測板后，通過附著在觀測板上的毛毛雨雨滴對進入雨滴的光線在雨滴內部的存在多次反射和透射現象，并利用圖像處理的相關方法，進而測量出觀測板上的雨滴大小，實現了對毛毛雨主要特征要素的準確觀測。有望解決雨滴譜儀觀測毛毛雨空報率較高的問題。

2.基于圖像增強的毛毛雨觀測方法

2.1?一種用于毛毛雨圖像增強的補光裝置

若采用一般的圖像觀測裝置對毛毛雨圖像進行直接處理，由于毛毛雨自身無色透明的特性，導致在圖像處理過程中存在毛毛雨與背景板較難分割的問題。本文充分利用毛毛雨雨滴對光的反射和折射現象，設計了一種用于毛毛雨圖像增強的補光觀測裝置，如圖1所示，提高了圖像處理的準確性。

該裝置底板作為雨滴的承載板，采用黑色半透光的防水材料制成，側面安裝環形燈帶和遮光板。這樣可以使得燈帶的燈光受外界的影響較小，均勻的照射在雨滴上面。由于雨滴對光的反射和內部折射作用，此時用攝像頭捕捉圖像，會觀測到雨滴比較清晰的輪廓。此方法較好的解決了圖像處理過程中毛毛雨與背景板較難分割的問題。

2.2一種新的毛毛雨圖像處理方法

文獻[5]所提出的色斑法，是利用人工測量雨滴落在濾紙上形成的色斑圖樣，判斷降雨情況。此方法說明，用圖像法來觀測毛毛雨是可能和可行的。色斑法雖然能觀測到毛毛雨氣象，然而該存在過程繁瑣、人工參與度高、準確性不足的缺陷。由此，在前述提出的補光觀測裝置獲得雨滴圖像的基礎上，本文提出一種新的毛毛雨圖像處理方法，如圖2所示。本方法的關鍵流程由以下七方面組成：

（1）圖像灰度化處理算法

（2）獲取合適的閾值

（3）圖像分割算法

（4）圖像膨脹腐蝕算法

（5）圖像填充算法

（6）圖像平滑處理算法

（7）計算雨滴近似面積與直徑

本毛毛雨觀測方法通過直接計算圖像中雨滴的像素大小，有效提高了測量精度與工作效率，從而可解決現階段色斑法過程繁瑣，與雨滴譜儀毛毛雨報空率高的問題。

3.毛毛雨圖像處理關鍵過程與技術

3.1毛毛雨圖像灰度處理

將獲取的如圖3所示的毛毛雨原始圖像進行灰度化處理，得到如圖4所示的灰度圖像。

3.2毛毛雨圖像閾值分割處理

為了區分毛毛雨與背景板，需要對圖像進行分割處理。然而直接進行圖像分割處理并不容易，需要找到合適的閾值進行圖像分割。因此首先進行閾值獲取，建立一個一行二百五十六列的矩陣，遍歷出圖像各個灰度值的像素個數。以灰度值為橫坐標，灰度值對應的像素數為縱坐標，建立一個直方圖。如果直方圖是單峰值灰度直方圖（圖5），一般采用大津法得到閾值。大津法即最大類間方差法，設定一個閾值k，將圖像分成兩組。變動k的取值使得兩組的類間方差最大，此時該值K為大津法所求分割閾值。根據文獻[6]中有關大律法在圖像處理方面的應用研究，如果直方圖是較明顯的雙峰圖，且雙峰灰度差小于80灰度值。則也可采用雙峰法得出分割閾值。隨后進行圖像分割工作，將灰度低于分割閾值的圖像部分轉換為黑色，將灰度高于分割閾值的部分轉換為白色，得到黑白二值化圖像（圖6）。

3.3毛毛雨圖像膨脹與腐蝕

黑白二值化圖像中的白色雨滴部分較多為斷開的月牙型圓，無法進行填充操作，所以需要對圖像進行修補。具體操作為先進行圖像膨脹，使得雨滴的斷點連通，然后通過圖像腐蝕使雨滴恢復原來的大小，得到膨脹后的圖像，如圖7所示。腐蝕后的圖像，如圖8所示。

3.4毛毛雨圖像的填充與圖像平滑處理

為了方便得到圖像中每個雨滴的面積，需要對圖像中的雨滴圖像進行填充操作，使雨滴圖像變為一個完整的近似圓，得到毛毛雨填充處理后的圖像，如圖9所示。為了使雨滴圖像變得更為平滑，需要去除圖像中的小顆粒和雨滴之間的粘連，構造出一個圓形元素，去匹配雨滴。利用該圓形元素對圖像實現開閉運算可使圖像變得更為平滑。得到觀測毛毛雨圓滑處理后的圖像，如圖10所示。

3.5毛毛雨圖像標注與計算

為了得到每滴毛毛雨的圖像數量及面積，需要標注圖像中所有的雨滴，使用外接矩形框框選雨滴圖像，其中雨滴的形心確定矩形框位置，為每個雨滴標上數字，以此來統計雨滴的數量，得到標記雨滴后的圖像，如圖11所示。

最后，計算出雨滴個數以及每個雨滴的面積。因為圖像中存在閾值分割和膨脹腐蝕操作時造成的大面積白色區域，所以使用面積中位數為參考，計算出當前毛毛雨的近似面積和直徑。

根據公式：

（其中S為實際雨滴面積，sp為圖像中雨滴大小，i為實際與圖像的比例系數，R為實際雨滴半徑）利用圖像中雨滴大小計算出實際雨滴大小。

4.結語

文中提出了一種基于圖像增強的毛毛雨觀測方法研究，通過用于毛毛雨圖像增強的補光裝置和一種新的圖像處理法，實現了對毛毛雨天氣現象的更準確觀測，解決了現階段雨滴譜儀觀測毛毛雨空報率較高的問題。

參考文獻：

[1]程曦，漆隨平，李志乾，崔天剛，王尼.降雨量傳感器的故障診斷方法研究[J].傳感技術學報，2021，34（01）：89-95.

[2]王天舒.基于高分辨率觀測的三類電線積冰研究：氣象要素和微結構相結合[D].南京信息工程大學，2020.

[3]陸占東.地面氣象觀測自動化正式運行后人工觀測項目探討[J].南方農機，2020，51（17）：86-87.

[4]葉華忠，李國棟，邱逸峰.降水現象自動觀測和人工觀測的對比分析[J].科學與信息化，2020，000（010）：13，19.

[5]涂曉云，王克勤，趙洋毅，王嘉維，段旭，朱夢雪.滇中高原不同林齡華山松林冠層對天然降雨雨滴能量特征的影響[J].水土保持通報，2021，41（03）：40-49.

[6]刁子健，張壽明.基于OpenCV的氣泡檢測系統設計[J].電子測量技術，2021，44（12）：6-11.

作者簡介：

陳侯宇（2000.01—），男，漢族，四川宜賓人，本科在讀，成都信息工程大學本科生，研究方向：通信工程

李卓陶（1999.12—），男，漢族，四川成都人，本科在讀，成都信息工程大學學生，研究方向：通信工程

周佳（1999.04—），女，漢族，四川資陽人，本科在讀，成都信息工程大學本科生，研究方向：通信工程

項目基金：國家級大學生創新創業訓練計劃（S202010621022）