[发明专利]一种仿人工雾霾监测系统与方法

说明书

技术领域

本发明属于空气污染防治与雾霾测量技术领域，尤其涉及一种仿人工雾霾监测系统与方法。

背景技术

传统的雾霾判别通过人工观测，并结合相对湿度等气象要素进行分析。目前已有基于气象站的空气污染监测系统，站内配备水分测试仪、烟尘浊度仪、黑碳监测仪、气溶胶监测仪、能见度监测仪、有机碳监测仪、元素碳监测仪、挥发性有机化合物监测仪、紫外辐射计、大气稳定度监测仪等仪器，可较好地实现针对PM2.5、PM10、黑碳、臭氧、二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳、硫酸盐、硝酸盐、铵盐、挥发性有机化合物、颗粒物粒径分布、颗粒物化学成分、浑浊度、能见度、气溶胶厚度、大气稳定度及其它气象参数等的指标监测，并根据造成空气污染的主要物质成分进行雾霾分析。上述设备大多通过物理、化学方法实现监测，如PM2.5监测仪，或通过摩擦静电技术测量颗粒携带的电荷变化从而记录粉尘的存在；或通过光散射技术利用气流中的颗粒反射出来的闪光频率及持续时间来测量颗粒的含量；或通过光吸收技术测量入射光强与出射光强，并基于朗伯比尔定律计算得到粉尘浓度；或通过采样器以恒速抽取定量体积空气，使空气中的PM2.5颗粒被截留在已知质量的滤膜上，再根据采样前后滤膜的质量差和采样体积，计算出PM2.5的浓度。

与人工观测雾霾相比，上述现有仪器采用了非视觉的间接测量方式。同时，因为仪器本身价格较高，只能通过分布稀疏的气象站点对整个区域进行点状的有限测量。这些零散分布的监测站点虽然可以对空气中气态污染物和颗粒物进行定点的浓度监测，但远不能全面反映大气污染的实际情况，更无法做到对污染源、污染物扩散等的定位、跟踪与分析，无法满足对空气污染形成机制、演变和输送过程等研究的需求。因此，寻找新的成本较低且容易部署的雾霾测量方法，已经成为空气污染防治的迫切需要。

相比之下，基于数字图像处理与分析的雾霾测量是一种借助颜色、形状、纹理等视觉特征的直接测量方式，非常类似于人眼观测和人对雾霾的真实感受，在原理上与人工观测最接近，因此是一种新的仿人工雾霾监测方式。数字相机、摄像机等普通成像设备的广泛应用使得视觉测量的实现非常方便，从而使得针对整个区域的网状的全面雾霾测量成为可能，为污染治理提供更加丰富的信息。基于数字图像的仿人工雾霾监测方法从一个新的角度实现对雾霾的测量，截止目前，本领域还没有这方面的研究出现。

发明内容

针对上述存在的技术问题，本发明的目的是提供一种基于数字图像处理与分析的仿人工雾霾监测系统与方法，以实现在较低成本条件下，通过易于部署的普通成像设备，借助数字图像处理与分析技术实现雾霾测量，为空气污染防治提供更加全面的信息。

为达到上述目的，本发明提供了一种仿人工雾霾监测系统，包括透气不透光的前端箱体和后台计算机，前端箱体内设目标物、恒定光源、图像采集设备和数据传输单元，目标物为红黑相间的棋盘格阵列图片，恒定光源置于前端箱体内侧顶部；图像采集设备与目标物相对设置，用来拍摄目标物；图像采集设备通过数据传输单元向后台计算机传输数据。

作为优选，前端箱体两端设有双拐角进气口，拐角间内侧贴附吸光材料。

上述恒定光源为呈矩阵的组合光源阵列。

本发明还提供了一种仿人工雾霾监测方法，该方法采用上述仿人工雾霾监测系统实现，后台计算机对目标图像做如下处理，所述的目标图像为图像采集设备拍摄的目标物的图像：

(1)获取目标图像的颜色特征、形状特征和纹理特征；

(2)获取目标图像的各特征相对于无雾霾时目标图像对应特征的变化率，这里将“各特征相对于无雾霾时目标图像对应特征的变化率”简称为“各特征变化率”；

(3)以目标图像各特征变化率的平均值为雾霾指数，基于雾霾指数获得雾霾浓度。

上述目标图像的颜色特征包括目标图像中所有像素的色彩饱和度均值和蓝色分量均值。

上述目标图像的形状特征包括目标图像的特征点个数比与边缘点个数比，其中，特征点个数比为目标图像特征点数占目标图像所有像素数的比例，边缘点个数比为目标图像边缘点数占目标图像所有像素数的比例。

上述目标图像的纹理特征包括目标图像的灰度共生矩阵参数与小波变换子带系数。

所述的目标图像的灰度共生矩阵参数包括灰度共生矩阵的能量参数、熵参数、对比度参数和逆差距参数。

所述的小波变换子带系数采用如下方法获得：

对目标图像进行小波变换获得子带图像，分别计算各子带图像的均值系数与标准差系数，即小波变换子带系数。

上述步骤(3)中所述的基于雾霾指数获得雾霾浓度具体为：