本發(fā)明涉及氣象監(jiān)測(cè)，尤其涉及一種監(jiān)控相機(jī)與氣象站融合的地表降水高分辨率觀測(cè)方法。

背景技術(shù)：

1、當(dāng)前，降水觀測(cè)方法可分為基于衛(wèi)星、雷達(dá)等遙感手段的降水間接觀測(cè)和基于地表氣象站的降水直接觀測(cè)兩類。

2、其中，衛(wèi)星、雷達(dá)通過(guò)獲取衛(wèi)星云圖、電磁回波等信號(hào)，間接的反演降水信息。該方式的優(yōu)點(diǎn)在于觀測(cè)區(qū)域廣、空間分辨率高，但衛(wèi)星重訪周期較長(zhǎng)（2至24小時(shí)），而雷達(dá)數(shù)據(jù)處理與解譯仍需要一段時(shí)間間隔（5至6分鐘），導(dǎo)致現(xiàn)有的衛(wèi)星雷達(dá)降水范圍的時(shí)間分辨率仍需進(jìn)一步提升，從而應(yīng)對(duì)內(nèi)澇、洪水等快速響應(yīng)的水文事件對(duì)高時(shí)空分辨率降水資料的迫切需求。

3、地表氣象站點(diǎn)包括翻斗式、稱重式、虹吸式等類型的雨量計(jì)，以及一維激光雨滴譜儀、二維視頻雨滴譜儀等降水微物理特征測(cè)量設(shè)備。這些設(shè)備可以實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的提供點(diǎn)降水信息，但現(xiàn)在城市區(qū)域的雨量站數(shù)量稀疏且維護(hù)成本高。使得雨量站獲取的降水信息空間代表性不足，無(wú)法獲取高空間分辨率的氣象信息成為地表氣象站最大的短板。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供一種監(jiān)控相機(jī)與氣象站融合的地表降水高分辨率觀測(cè)方法，用以解決現(xiàn)有技術(shù)中地表降水信息的分辨率較低的缺陷，實(shí)現(xiàn)提高地表降水信息的分辨率。

2、本發(fā)明提供一種監(jiān)控相機(jī)與氣象站融合的地表降水高分辨率觀測(cè)方法，包括：

3、從區(qū)域中的監(jiān)控相機(jī)拍攝的視頻中提取雨線，確定所述雨線對(duì)應(yīng)的雨滴的尺寸和數(shù)量；

4、根據(jù)所述雨滴的尺寸和數(shù)量，確定所述監(jiān)控相機(jī)對(duì)應(yīng)的降雨強(qiáng)度值；

5、將所述監(jiān)控相機(jī)對(duì)應(yīng)的降雨強(qiáng)度值和所述區(qū)域中的氣象站觀測(cè)的降雨強(qiáng)度值進(jìn)行融合，得到所述區(qū)域的降雨強(qiáng)度值的時(shí)空分布圖。

6、根據(jù)本發(fā)明提供的一種監(jiān)控相機(jī)與氣象站融合的地表降水高分辨率觀測(cè)方法，所述從區(qū)域中的監(jiān)控相機(jī)拍攝的視頻中提取雨線，包括：

7、使用雨線描述模型對(duì)各含雨圖像進(jìn)行描述：

8、；

9、其中，o為所述視頻對(duì)應(yīng)的無(wú)雨背景圖像與雨線組合的含雨圖像，b為所述無(wú)雨背景圖像，r為背景圖像中被雨線遮擋或影響的區(qū)域，為雨線圖像，（i,j）為對(duì)應(yīng)圖像中像素的坐標(biāo)，t為所述視頻中的幀序號(hào)；

10、使用深度學(xué)習(xí)回歸模型擬合不同監(jiān)控場(chǎng)景下的變化規(guī)律，以描述雨線與監(jiān)控背景之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)雨線與監(jiān)控背景之間的分離。

11、根據(jù)本發(fā)明提供的一種監(jiān)控相機(jī)與氣象站融合的地表降水高分辨率觀測(cè)方法，在所述從區(qū)域中的監(jiān)控相機(jī)拍攝的視頻中提取雨線之后，還包括：

12、從雨線視覺(jué)知識(shí)庫(kù)中提取雨線的視覺(jué)特征，并統(tǒng)計(jì)所述雨線的視覺(jué)特征的取值范圍；

13、在視頻中提取的雨線的視覺(jué)特征不位于所述視覺(jué)范圍內(nèi)的情況下，將所述雨線剔除。

14、根據(jù)本發(fā)明提供的一種監(jiān)控相機(jī)與氣象站融合的地表降水高分辨率觀測(cè)方法，所述視覺(jué)特征包括形狀、紋理、大小和亮度中的一種或多種。

15、根據(jù)本發(fā)明提供的一種監(jiān)控相機(jī)與氣象站融合的地表降水高分辨率觀測(cè)方法，在所述從區(qū)域中的監(jiān)控相機(jī)拍攝的視頻中提取雨線之前，還包括：

16、將所述視頻中的各含雨圖像轉(zhuǎn)換為hsv圖像。

17、根據(jù)本發(fā)明提供的一種監(jiān)控相機(jī)與氣象站融合的地表降水高分辨率觀測(cè)方法，所述確定所述雨線對(duì)應(yīng)的雨滴的尺寸和數(shù)量，包括：

18、根據(jù)相機(jī)成像原理確定所述雨線的長(zhǎng)度和寬度；

19、計(jì)算所述雨線的長(zhǎng)度和寬度之間的比值；

20、在所述比值大于預(yù)設(shè)閾值的情況下，確定所述雨線對(duì)應(yīng)的雨滴的尺寸和數(shù)量。

21、根據(jù)本發(fā)明提供的一種監(jiān)控相機(jī)與氣象站融合的地表降水高分辨率觀測(cè)方法，通過(guò)以下公式根據(jù)相機(jī)成像原理確定所述雨線的長(zhǎng)度l和寬度d：

22、

23、

24、其中，為焦距，指的是鏡頭與平行光匯聚的焦點(diǎn)之間的距離；指聚焦距離，為物體成像最清晰時(shí)距離鏡平面的距離；為雨滴的物距，即雨滴到鏡頭的距離；和?分別代表相機(jī)靶面的垂直、水平尺寸；和??分別代表所示視頻的垂直、水平尺寸；和分別代表雨線的垂直、水平尺寸。

25、根據(jù)本發(fā)明提供的一種監(jiān)控相機(jī)與氣象站融合的地表降水高分辨率觀測(cè)方法，所述確定所述雨線對(duì)應(yīng)的雨滴的尺寸和數(shù)量，包括：

26、根據(jù)相機(jī)成像原理獲知雨滴的長(zhǎng)度l和降落速度v之間的關(guān)系為：

27、

28、物理學(xué)給出所述雨滴近地面的降落速度計(jì)算公式為：

29、

30、其中，為監(jiān)控相機(jī)的曝光時(shí)間，d為所述雨線的寬度，聯(lián)立上述公式求解，得到所述雨線對(duì)應(yīng)的雨滴的尺寸，根據(jù)所述雨線的尺寸和所述雨滴的尺寸得到所述雨滴的數(shù)量。

31、根據(jù)本發(fā)明提供的一種監(jiān)控相機(jī)與氣象站融合的地表降水高分辨率觀測(cè)方法，所述將所述監(jiān)控相機(jī)對(duì)應(yīng)的降雨強(qiáng)度值和所述區(qū)域中的氣象站觀測(cè)的降雨強(qiáng)度值進(jìn)行融合，得到所述區(qū)域的降雨強(qiáng)度值的時(shí)空分布圖，包括：

32、將所述監(jiān)控相機(jī)和所述氣象站的觀測(cè)時(shí)間進(jìn)行配準(zhǔn)，并統(tǒng)一所述監(jiān)控相機(jī)和所述氣象站的觀測(cè)時(shí)間的分辨率；

33、使用克里金插值模型對(duì)所述監(jiān)控相機(jī)和所述氣象站觀測(cè)的降雨強(qiáng)度值進(jìn)行插值，獲取所述區(qū)域的降雨強(qiáng)度值的時(shí)空分布圖。

34、本發(fā)明還提供一種監(jiān)控相機(jī)與氣象站融合的地表降水高分辨率觀測(cè)裝置，包括：

35、提取模塊，用于從區(qū)域中的監(jiān)控相機(jī)拍攝的視頻中提取雨線，確定所述雨線對(duì)應(yīng)的雨滴的尺寸和數(shù)量；

36、預(yù)測(cè)模塊，用于根據(jù)所述雨滴的尺寸和數(shù)量，確定所述監(jiān)控相機(jī)對(duì)應(yīng)的降雨強(qiáng)度值；

37、融合模塊，用于將所述監(jiān)控相機(jī)對(duì)應(yīng)的降雨強(qiáng)度值和所述區(qū)域中的氣象站觀測(cè)的降雨強(qiáng)度值進(jìn)行融合，得到所述區(qū)域的降雨強(qiáng)度值的時(shí)空分布圖。

38、本發(fā)明還提供一種電子設(shè)備，包括存儲(chǔ)器、處理器及存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器上并可在處理器上運(yùn)行的計(jì)算機(jī)程序，所述處理器執(zhí)行所述程序時(shí)實(shí)現(xiàn)如上述任一種所述監(jiān)控相機(jī)與氣象站融合的地表降水高分辨率觀測(cè)方法。

39、本發(fā)明還提供一種非暫態(tài)計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，該計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)如上述任一種所述監(jiān)控相機(jī)與氣象站融合的地表降水高分辨率觀測(cè)方法。

40、本發(fā)明還提供一種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，包括計(jì)算機(jī)程序，所述計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)如上述任一種所述監(jiān)控相機(jī)與氣象站融合的地表降水高分辨率觀測(cè)方法。

41、本發(fā)明提供的監(jiān)控相機(jī)與氣象站融合的地表降水高分辨率觀測(cè)方法，通過(guò)在已有的城市監(jiān)控傳感網(wǎng)的基礎(chǔ)上，利用城市已有的城市監(jiān)控相機(jī)資源，充分發(fā)揮其數(shù)量多、密度大、數(shù)據(jù)傳輸快的觀測(cè)優(yōu)勢(shì)，建立監(jiān)控相機(jī)降水定量估計(jì)方法，并與已有的氣象站點(diǎn)觀測(cè)相融合，從而提高地表降水觀測(cè)的空間分辨率，切實(shí)提高城市降水的高分辨率觀測(cè)能力。同時(shí)，無(wú)需額外的硬件設(shè)備投入，成本較低，且提高了城市資源利用率。

技術(shù)特征：

1.一種監(jiān)控相機(jī)與氣象站融合的地表降水高分辨率觀測(cè)方法，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的監(jiān)控相機(jī)與氣象站融合的地表降水高分辨率觀測(cè)方法，其特征在于，所述從區(qū)域中的監(jiān)控相機(jī)拍攝的視頻中提取雨線，包括：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的監(jiān)控相機(jī)與氣象站融合的地表降水高分辨率觀測(cè)方法，其特征在于，在所述從區(qū)域中的監(jiān)控相機(jī)拍攝的視頻中提取雨線之后，還包括：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的監(jiān)控相機(jī)與氣象站融合的地表降水高分辨率觀測(cè)方法，其特征在于，所述視覺(jué)特征包括形狀、紋理、大小和亮度中的一種或多種。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的監(jiān)控相機(jī)與氣象站融合的地表降水高分辨率觀測(cè)方法，其特征在于，在所述從區(qū)域中的監(jiān)控相機(jī)拍攝的視頻中提取雨線之前，還包括：

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的監(jiān)控相機(jī)與氣象站融合的地表降水高分辨率觀測(cè)方法，其特征在于，所述確定所述雨線對(duì)應(yīng)的雨滴的尺寸和數(shù)量，包括：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的監(jiān)控相機(jī)與氣象站融合的地表降水高分辨率觀測(cè)方法，其特征在于，通過(guò)以下公式根據(jù)相機(jī)成像原理確定所述雨線的長(zhǎng)度l和寬度d：

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的監(jiān)控相機(jī)與氣象站融合的地表降水高分辨率觀測(cè)方法，其特征在于，所述確定所述雨線對(duì)應(yīng)的雨滴的尺寸和數(shù)量，包括：

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的監(jiān)控相機(jī)與氣象站融合的地表降水高分辨率觀測(cè)方法，其特征在于，所述將所述監(jiān)控相機(jī)對(duì)應(yīng)的降雨強(qiáng)度值和所述區(qū)域中的氣象站觀測(cè)的降雨強(qiáng)度值進(jìn)行融合，得到所述區(qū)域的降雨強(qiáng)度值的時(shí)空分布圖，包括：

10.一種監(jiān)控相機(jī)與氣象站融合的地表降水高分辨率觀測(cè)裝置，其特征在于，包括：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供一種監(jiān)控相機(jī)與氣象站融合的地表降水高分辨率觀測(cè)方法，該方法包括：從區(qū)域中的監(jiān)控相機(jī)拍攝的視頻中提取雨線，確定所述雨線對(duì)應(yīng)的雨滴的尺寸和數(shù)量；根據(jù)所述雨滴的尺寸和數(shù)量，確定所述監(jiān)控相機(jī)對(duì)應(yīng)的降雨強(qiáng)度值；將所述監(jiān)控相機(jī)對(duì)應(yīng)的降雨強(qiáng)度值和所述區(qū)域中的氣象站觀測(cè)的降雨強(qiáng)度值進(jìn)行融合，得到所述區(qū)域的降雨強(qiáng)度值的時(shí)空分布圖。本發(fā)明融合監(jiān)控相機(jī)和（氣象站）雨量計(jì)的同步觀測(cè)結(jié)果，形成監(jiān)控相機(jī)加密的地表降雨觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)；在已有的城市監(jiān)控資源和地表氣象站點(diǎn)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)，無(wú)需額外的硬件投入與添加，從而低成本、高效率的提高地表降水觀測(cè)的空間分辨率。

技術(shù)研發(fā)人員：王興,趙坤,黃浩,陳海琴,周昂
受保護(hù)的技術(shù)使用者：南京大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6