[发明专利]一种雨滴物理特性观测方法

说明书

技术领域

本发明属于雨滴观测技术领域，具体涉及一种雨滴物理特性观测方法。

背景技术

雨滴是云中宏观、微观过程矛盾的最终产物，尽管雨滴直径通常不足6mm，但由于雨滴降落过程中通常具有较大的动能，其对土壤颗粒的打击力却很大，对土壤侵蚀过程中所造成的溅蚀量是不可忽略的。研究雨滴的物理特性是研究土壤水力侵蚀动力学过程、计算陆面过程中降雨侵蚀力等工作的基本依据，亦有助于解释云内成雨机制，评估人工增雨条件与效果检验，因此雨滴物理特性的研究受到了诸多学者的广泛重视。

反映雨滴物理特性的参数主要有雨滴形状、直径、降落末速度等。现有技术中的雨滴物理特性的观测方法有色斑、面粉团法、浸入法、动能冲量法、摄影法等。

色斑法是基于“雨滴在同一材料上形成的色斑大小与雨滴的粒径大小成正比”这一假定。该方法操作简便，成本低廉，至今仍被广泛应用，但在实践中，雨滴溅落在滤纸上形成的是一群形状极不规则的带毛刺的图案，使得依据色斑形状估计雨滴粒径在很大程度上依靠主观经验。

面粉团法是指用盛有面粉的容器接盛雨滴，雨滴渗入面粉形成面粉团，然后通过测量面粉团的重量来确定雨滴的大小。面粉团法须有高精度电子天平称量的过程，不适用于测量粒径太小的雨滴。

浸入法是用盛有油料的容器接盛雨滴，通过测量油中水珠直径来确定雨 滴的大小，但是该方法仅适用于测量粒径较小的雾滴或雨滴。

随着电子测量技术的发展，采用动能冲量传感器测量降雨场中传感器截面积上雨滴动能冲量。由于冲量传感器受尺寸限制，雨滴测量截面积太小(几平方厘米)，进而影响该方法中雨滴测量的代表性和准确性；另有传感器表面积水，使得该方法无法进行连续观测。

已有的摄影法可以直接获取雨滴影像，但是存在景深效应，并且多局限于室内模拟降雨研究，而无法得到自然降雨条件下的雨滴物理特性。可见，传统的雨滴物理特性测量方法普遍存在测量精度低、劳动强度高、测量实时性差、仅能进行个例研究等问题。

近年来线阵扫描法被逐渐应用，与上述方法相比，该方法可以直接测量雨滴直径和速度，进而准确的计算雨滴动能。但是此类方法仍存在不同程度的误差，例如，基于线阵扫描法的OTT PARSIVEL激光雨滴谱仪、二维视频雨滴谱仪等可以直接获取降雨粒子的剖面信息，但是雨滴降落末速度是根据雨滴形状假设进行估计的，并且粒子穿过测量区域存在水平位移时会导致粒子影像的变形；此外，此类方法采样空间小，对小粒子的探测能力较弱。例如，二维视频雨滴谱仪采用双线阵CCD和正交电路，采样面积仅为100mm×100mm，单个CCD线阵包含512个像元，最小分辨力为0.19mm。

发明内容

针对现有技术的缺陷或不足，本发明的目的之一是提供一种雨滴物理特性观测方法。

本发明提供的雨滴物理特性观测方法包括：

(1)利用第一影像采集装置和第二影像采集装置采集同一降雨场景、同一时间段内的多帧影像，所述第一影像采集装置的曝光时间短于第二影像采 集装置的曝光时间；

(2)对第一影像采集装置和第二影像采集装置所采集的影像进行几何纠正处理，使步骤(1)所得所有影像位于同一坐标系；

(3)对步骤(2)处理后的所有影像进行统计滤波处理，使含有雨滴的影像凸显；

(4)对步骤(3)得到的影像进行滚动滤波处理：

设当前待处理影像帧R中背景像素取值为0，待判断像素取值为1；接着，

①将位于当前待处理影像帧的右侧边缘的像素列移到当前待处理影像帧的左侧边缘，得到右滚动影像帧R₁；

②将位于当前待处理影像帧的左侧边缘的像素列移到当前待处理影像帧的右侧边缘，得到左滚动影像帧R₂；

③求得R*R₁与R*R₂或运算值RES₁；

RES₁为当前待处理影像帧的滚动滤波影像，或者，对RES_(n-1)进行步骤①至③处理，得到RES_n，n为大于等于2的自然数，RES_n为当前待处理影像帧的滚动滤波影像；

(5)对步骤(4)处理后的影像进行二值化处理，得到雨滴影像；

(6)依据第一影像采集装置采集的雨滴影像计算每幅影像中每一个雨滴的雨滴直径；依据第一影像采集装置和第二影像采集装置采集的雨滴影像计算每一个雨滴的雨滴降落末速度；