梅　林，吳　翔，周作超

(1. 深圳市國家氣候觀象臺 (深圳市天文臺)，廣東 深圳　518040；2. 深圳市一思佛科技有限公司，廣東 深圳　518040)

1　全天云圖監(jiān)測的現(xiàn)狀與不足

全天云圖觀測面臨一個關鍵問題，如何在復雜變化的環(huán)境以及光線變化較大的情況下進行正確曝光。目前相機自帶的自動測光程序無法較好解決該問題。以佳能單反相機為例，它提供了一款控制軟件EOS Utility*http://gdlp01.c-wss.com/gds/7/0300026207/01/eu-3-6-0-w-im-zh.pdf，支持通過計算機對相機進行快門速度、光圈、感光度、白平衡等曝光參數(shù)的控制，可進行等間隔連續(xù)拍攝，并對拍攝的圖片按順序存儲到指定目錄。當相機設置為自動拍攝模式時，控制軟件可根據(jù)相機自帶的測光模式對曝光參數(shù)進行自動調(diào)整，一般光線充足的白天能獲得正確曝光的圖片，但是在日落、日出、天氣突變等天空亮度變化較大的環(huán)境下，導致曝光過度或曝光不足，尤其在夜晚，控制程序更不能獲得正確的曝光圖像。圖1、圖2為使用相機自帶測光程序拍攝的曝光過度和曝光不足的云圖序列。

為彌補相機自動測光程序的不足，目前國內(nèi)各天文臺主要采用以下3種修正方法。

(1)預設固定曝光參數(shù)法，即采用預先設定好的曝光參數(shù)，分別用于白天和夜晚。該方法可以獲得白天和夜晚的正確曝光，但是在黎明日出以及黃昏日落的時間段不能獲得正確的曝光。中國科學院國家天文臺興隆觀測站的全天云圖監(jiān)測相機*http://www.xinglong-naoc.org/weather/yuntu.jhtml就采用該方法。

(2)預測天光法，即根據(jù)地理經(jīng)緯度、海拔、日期時間推算太陽月亮的位置，得到一個天光亮度值，設定一條曝光曲線。這個方法只對晴朗的天空有效，如果陰天有云或者有其他光害情況，則無法正確曝光。

(3)外部測光法，即使用測光儀，根據(jù)環(huán)境亮度的變化，測量天空亮度值，自動調(diào)整相機的曝光參數(shù)，準確曝光。云南天文臺麗江天文觀測站自行開發(fā)了一款控制程序，采用實時天光亮度設置拍攝參數(shù)，解決了全天24小時正確曝光拍攝的問題[1]。

圖1使用相機自帶的自動測光程序，拍攝得到的2015年12月29日黎明日出階段的云圖序列，出現(xiàn)曝光過度現(xiàn)象
Fig.1Overexposured images captured by the camera built-in program in the dawn of December 29, 2015

圖2使用相機自帶的自動測光程序，拍攝得到的2015年12月29日黃昏日落階段的云圖序列，出現(xiàn)曝光不足現(xiàn)象
Fig.2Underexposured images captured by the camera built-in program in the evening of December 29, 2015

2　深圳市天文臺全天云圖監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

深圳市天文臺自行開發(fā)了一套拍攝控制系統(tǒng)，根據(jù)相機可用的拍攝參數(shù)，計算得到曝光值索引曲線，采用0.3作為曝光值誤差，在亮度變化較大的環(huán)境下進行正確曝光拍攝全天云圖，并采用最大類

間方差自適應閾值算法，對云進行有效識別。

2.1　系統(tǒng)構成

深圳市天文臺全天云圖監(jiān)測系統(tǒng)(圖3)由全天相機、拍攝控制系統(tǒng)、云識別系統(tǒng)3部分構成。其中，全天相機負責對全天云圖進行實時拍攝，拍攝控制系統(tǒng)對全天相機的拍攝參數(shù)進行自動調(diào)整，云識別系統(tǒng)對拍攝得到的全天云圖進行云判別，最終監(jiān)測結(jié)果通過深圳市天文臺網(wǎng)站*http://www.szmb.gov.cn/yljc/、深圳市綜合氣象監(jiān)測業(yè)務平臺、深圳天文微信以及移動APP等服務渠道對外發(fā)布。圖3為深圳市天文臺全天云圖監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構圖。

2.2　全天相機的安裝

深圳市天文臺位于廣東省深圳市大鵬新區(qū)南澳半島，距離市區(qū)80 km，地理坐標為北緯22°28.94′，東經(jīng)114°33.36′，海拔高度170 m，其東、南、西三面環(huán)海，周圍無遮擋，全天相機的安裝位置選擇在天文臺最高點戶外水池上。拍攝相機采用佳能EOS 5D Mark II單反相機，鏡頭采用佳能EF 8～15 mm F4.0變焦魚眼鏡頭，并將拍攝焦距固定在8 mm，可實現(xiàn)對角線180°的覆蓋。為保證相機能夠在全天候環(huán)境下工作，相機和一臺用于控制的微型電腦被安裝在一個防護箱內(nèi)。防護箱的頂部裝有一個直徑為20 cm的半球玻璃罩。玻璃罩和側(cè)面密封防水，底部留有通風口。箱體內(nèi)安裝了一個螺旋導流風扇，可對相機、微型電腦進行散熱，保證箱體內(nèi)外環(huán)境溫度一致，防止箱體過熱或玻璃罩結(jié)露。拍攝圖像通過光纖傳輸?shù)竭h端服務器。圖4為安裝于室外的全天相機。

圖3深圳市天文臺全天云圖監(jiān)測系統(tǒng)圖示

Fig.3Diagram of the all-sky cloud monitoring system at Shenzhen astronomical observatory

2.3　根據(jù)曝光值設置對應的拍攝參數(shù)

為了獲得正確的曝光全天云圖，在相機可用光圈、快門、感光度3個參數(shù)的基礎上，根據(jù)曝光值計算公式[2]，進行曝光值預計算*https://en.wikipedia.org/wiki/Exposure_value#Tabulated_exposure_values，公式為

EV=log2(F2/t)-log2(ISO/100)，

其中，EV為曝光值；F為光圈值；t為快門速度；ISO為感光度。將相機所有可用參數(shù)進行組合，計算出曝光值并按大小排序，可得到如表1的曝光參數(shù)以及圖5的曝光值索引曲線。同時，將曝光值索引曲線相鄰取值相減，即可得出曝光值的誤差索引圖，如圖6，將曝光值誤差允許范圍取值0.3。

表1曝光值索引與曝光參數(shù)

Table1Theindexofexposurevalueandcorrespondingexposureparameters

曝光索引光圈快門感光度曝光值02811002971412003241/220043561/220047

圖4安裝于室外的全天相機
Fig.4The all-sky cloud monitoring camera stands outdoors

圖5曝光值索引曲線圖
Fig.5The index curve of exposure value

圖6曝光值誤差索引圖
Fig.6The index of the exposure value errors

拍攝時，先使用預定參數(shù)拍攝一張照片，并計算這張照片的曝光值，假設參考圖片曝光值為EVref，則誤差量為

ΔEV=log2(EV/EVref).

若誤差值在允許范圍內(nèi)，則此照片直接作為拍攝結(jié)果進行保存；若誤差超出范圍，則需根據(jù)曝光值索引曲線查找正確的曝光參數(shù)進行重拍。

經(jīng)多次測試，該方法在不同環(huán)境下以及亮度變化較大較快的階段均能拍攝到正確曝光的云圖。圖7、圖8為夜晚以及白天得到的正確曝光的云圖，圖9至圖12為黎明日出、黃昏日落過渡階段以及白天、夜晚得到的正確曝光云圖序列。

圖7根據(jù)曝光值索引曲線，拍攝得到的2017年6月11日20時16分的正確曝光云圖

Fig.7Image with accurate exposure adjusted by index curve of exposure value on 20:16, June 11, 2017

圖8根據(jù)曝光值索引曲線，拍攝得到的2017年6月3日16時36分的正確曝光云圖

Fig.8Image with accurate exposure adjusted by index curve of exposure value on 16:36, June 3, 2017

圖9根據(jù)曝光值索引曲線和曝光值誤差，拍攝得到的2017年7月12日03時至09時黎明日出過渡階段的正確曝光云圖
Fig.9Images with accurate exposure adjusted by index curve of exposure value with errors from 3:00 to 9:00, July 12, 2017

圖10根據(jù)曝光值索引曲線和曝光值誤差，拍攝得到的2017年7月12日16時至21時黃昏日落過渡階段的正確曝光云圖
Fig.10Images with accurate exposure adjusted by index curve of exposure value with errors, from 16:00 to 21:00, July 12, 2017

圖11根據(jù)曝光值索引曲線和曝光值誤差，拍攝得到的2017年7月12日10時至15時之間陽光直射時間段的正確曝光云圖
Fig.11Images with accurate exposure adjusted by index curve of exposure value with errors from 10:00 to 15:00, July 12, 2017

圖12根據(jù)曝光值索引曲線和曝光值誤差，拍攝得到的2017年1月23日00時至06時之間正確曝光云圖
Fig.12Images with accurate exposure adjusted by index curve of exposure value with errors, from 0:00 to 6:00, January 23, 2017

2.4　全天云圖中云識別

已有不少文獻闡述對全天相機拍攝到的云圖進行云自動識別的方法。如文[3]介紹了一種數(shù)字云量白天觀測處理方法，選擇合適的云判別的輻射比閾值，可對全天云量進行正確判斷。文[4]提出了利用圖像直方圖理論直接計算和閾值分割兩種計算云量的方法，均可對白天云圖進行正確的云量判斷。本文采用文[5]提出的最大類間方差自適應閾值算法對白天云進行識別。

由于全天云圖為魚眼鏡頭拍攝，在執(zhí)行云判別前，需對云圖進行預處理：先將原始云圖裁剪成1 900 × 1 800像素的文件，再排除云圖中的非天空部分，排除后剩下的像素被分成若干小方格，最后對每個小方格進行云判斷，判斷流程如圖13。

圖13最大類間方差自適應閾值算法識別云流程
Fig.13Flowchart of cloud detection by maximum interclass variance adaptive threshold selection method

圖14為具體事例：

圖14(a) 將原始云圖(2 785 × 1 856)裁剪為處理圖片(1 900 × 1 800)；(b) 排除非天空部分(粉紅色區(qū)域)；(c) 通過最大類間方差法計算整個圖像的自適應閾值T；(d) 本例中計算出自適應閾值T=167，通過自適應閾值分割后，白色部分為云

Fig.14(a) The processed image (1900 × 1800) reduced from the original cloud image (2785 × 1856); (b) The image substracted non-sky parts (pink areas); (c) Calculating the adaptive thresholdTover the image with the maximum interclass variance method; (d) The adaptive threshold in this example isT=167. The white regions in the image are clouds after separating with the adaptive threshold

逐個像素判斷是否為云。先判斷藍紅波比值是否符合云標準，符合直接判斷為云。如不符合，再通過像素點灰度值與自適應閾值T進行比較，小于閾值則為云。得出為云的像素點占比例72.93%，判斷為8分云。

云判別完成后，系統(tǒng)獲取圖片信息中的拍攝時間、感光度、光圈值、曝光時間，并連同云量值以及文件名存入數(shù)據(jù)庫，每10 min執(zhí)行一次。

3　結(jié)　語

深圳市天文臺全天云圖監(jiān)測系統(tǒng)上線后運行穩(wěn)定，各時間段以及各種天氣環(huán)境下均能拍攝曝光正確的全天云圖，為天文觀測提供了有效保障，同時也為觀測數(shù)據(jù)提供了質(zhì)量控制的參考依據(jù)。在流星雨等重要天象事件期間，系統(tǒng)還可根據(jù)不同需求，設置拍攝間隔時間，以記錄重要天象信息，圖15為監(jiān)測到的火流星。此外，深圳市天文臺還裝有天空成像儀，可提供白天低分辨率云圖、云量和云高信息，未來，可將二者進行參照對比，進行數(shù)據(jù)標校。

圖152016年12月15日晚監(jiān)測到的火流星

Fig.15A meteor captured by the all-sky cloud monitoring system on December 15, 2016

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