一種全天空成像儀地基云圖畸變校正方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種全天空成像儀地基云圖畸變校正方法，屬于光伏發(fā)配電【技術領域】。所述方法包括以下步驟：建立地基云圖中球面畸變天頂角和實際天頂角之間的轉換函數(shù)；將地基云圖轉換為球面坐標系云圖；將所述球面坐標系云圖轉換為平面直角坐標系實際云圖。該方法所需參數(shù)少，只需要全天空成像儀鏡頭到球面鏡的距離和球面鏡半徑等少數(shù)參數(shù)；輸入數(shù)據(jù)簡單，僅需輸入原始地基云圖數(shù)據(jù)即可完成校正，且轉換過程中圖像信息無損失。
【專利說明】一種全天空成像儀地基云圖畸變校正方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于光伏發(fā)配電【技術領域】，具體涉及一種全天空成像儀地基云圖畸變校正方法。
【背景技術】
[0002]近年來，太陽能科技和應用發(fā)展迅猛。截止到2010年，世界光伏累計裝機容量已接近40GW，近十年平均年增長45%，成為發(fā)展速度最快的產業(yè)之一。但由于太陽能發(fā)電具有隨機性和間歇性的特點，大規(guī)模太陽能發(fā)電的并網將對電網的安全穩(wěn)定運行帶來沖擊和挑戰(zhàn)。因此，對區(qū)域太陽能資源進行及時有效的監(jiān)測和預測成為制約光伏發(fā)電并網的關鍵因素。
[0003]目前，進行地基云量、云狀自動監(jiān)測的有效手段為地基云圖觀測。地基云圖觀測是通過安裝在地面的全天空成像儀，對局地天空進行觀測的大氣探測方式。其優(yōu)點為具有高時空分辨率，能夠獲得天空總云量、小于Ikm的云狀細節(jié)信息以及分鐘級的觀測頻率。國內外學者在基于地基云圖的云識別、輻射預測等方面已經開展了一定的研究。Calb0等通過對地基全天空云圖的特征提取實現(xiàn)了云類型的識別。Chow等人使用TSI440A全天空成像儀對美國SanDiego地區(qū)進行了觀測，并建立了基于地基云圖的小時內云預測方法。國內學者張永宏等采用小波包分解和形態(tài)學方法分別對地基云圖進行了邊緣提取，并利用圖像融合技術得到最優(yōu)邊緣圖像。但對地基云圖的畸變校正，以及水平面實際云圖的還原，還未見相關研究成果。
[0004]利用地基云圖進行云軌跡以及輻射預測，其關鍵是預測云的運動方向和速度。但由于全天空成像儀的成像方式為凸面鏡成像，以及成像視角等問題，其所攝圖像存在一定的畸變，這對云量計算、云軌跡預測都帶來了困難。本項發(fā)明通過對原始地基云圖實施球面鏡反射畸變校正和球面坐標到直角坐標變換，實現(xiàn)了地基云圖的畸變校正，為云量計算、區(qū)域太陽能監(jiān)測和預測提供了真實可靠的數(shù)據(jù)來源。

【發(fā)明內容】

[0005]為了克服上述現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提供一種全天空成像儀地基云圖畸變校正方法，所需參數(shù)少，只需要全天空成像儀鏡頭到球面鏡的距離和球面鏡半徑等少數(shù)參數(shù)；輸入數(shù)據(jù)簡單，僅需輸入原始地基云圖數(shù)據(jù)即可完成校正，且轉換過程中圖像信息無損失。
[0006]為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采取如下技術方案:
[0007]一種全天空成像儀地基云圖畸變校正方法，所述方法包括以下步驟:
[0008]步驟1:建立地基云圖中球面畸變天頂角和實際天頂角之間的轉換函數(shù)；
[0009]步驟2:將地基云圖轉換為球面坐標系云圖；
[0010]步驟3:將所述球面坐標系云圖轉換為平面直角坐標系實際云圖。
[0011]所述步驟I包括以下步驟:
[0012]步驟1-1:建立所述全天空成像儀成像畸變模型；[0013]步驟1-2:根據(jù)所述成像畸變模型建立地基云圖中球面畸變天頂角和實際天頂角之間的轉換函數(shù)。
[0014]所述成像畸變模型中，鏡頭到球面鏡頂點的距離計為Ii1，所述球面鏡的鏡面半徑計為R，天空某點到球面鏡的入射光線在入射點處與豎直方向的夾角計為a2，經球面鏡反射到所述鏡頭的反射光線在所述鏡頭中心處與豎直方向的夾角計為％；
[0015]以球面鏡的鏡面中心為坐標原點O,以水平方向為X軸，以豎直方向為y軸，則鏡面方程為:
[0016]x2+y2 = R2 (I)
[0017]從反射光線的光線方程為:
[0018]y-Q^+R) = -Ctana1.x (2)
[0019]由方程(I)和方程(2)可得入射點(X(l，y0)的橫向坐標和縱向坐標分別為:
[0020]
【權利要求】
1.一種全天空成像儀地基云圖畸變校正方法，其特征在于:所述方法包括以下步驟: 步驟1:建立地基云圖中球面畸變天頂角和實際天頂角之間的轉換函數(shù)； 步驟2:將地基云圖轉換為球面坐標系云圖； 步驟3:將所述球面坐標系云圖轉換為平面直角坐標系實際云圖。
2.根據(jù)權利要求1所述的全天空成像儀地基云圖畸變校正方法，其特征在于:所述步驟I包括以下步驟: 步驟1-1:建立所述全天空成像儀成像畸變模型； 步驟1-2:根據(jù)所述成像畸變模型建立地基云圖中球面畸變天頂角和實際天頂角之間的轉換函數(shù)。
3.根據(jù)權利要求2所述的全天空成像儀地基云圖畸變校正方法，其特征在于:所述成像畸變模型中，鏡頭到球面鏡頂點的距離計為Ii1，所述球面鏡的鏡面半徑計為R，天空某點到球面鏡的入射光線在入射點處與豎直方向的夾角計為a2，經球面鏡反射到所述鏡頭的反射光線在所述鏡頭中心處與豎直方向的夾角計為S1 ； 以球面鏡的鏡面中心為坐標原點O，以水平方向為X軸，以豎直方向為y軸，則鏡面方程為: x2+y2 = R2 (I) 從反射光線的光線方程為: y-Q^+R) = -Ctana1.x (2) 由方程(I)和方程(2)可得入射點(?,%)的橫向坐標和縱向坐標分別為:
4.根據(jù)權利要求1所述的全天空成像儀地基云圖畸變校正方法，其特征在于:所述步驟2中，通過轉換函數(shù)將所述地基云圖中每點的球面畸變天頂角校正為該點的實際天頂角，且維持方位角不變，即可實現(xiàn)地基云圖到球面坐標系云圖的轉換。
5.根據(jù)權利要求4所述的全天空成像儀地基云圖畸變校正方法，其特征在于:所述步驟2中，設球面坐標系云圖中心處的圖像放大率Mci為LMci表示為:
6.根據(jù)權利要求1所述的全天空成像儀地基云圖畸變校正方法，其特征在于:所述步驟3中: 設天空中的云處于同一高度H，且云的厚度可以忽略，云上任一點相對于全天空成像儀的天頂角為a2，可知該點到相同高度上天頂角為零處的距離為L，L表示為: L = Htana2 (10) 即:球面坐標系云圖中任一點在平面直角坐標系下距相同高度上天頂角為零處的距離L通過該點的天頂角乘以該點距地面的高度得到。
7.根據(jù)權利要求6所述的全天空成像儀地基云圖畸變校正方法，其特征在于:所述步驟3中，設平面直角坐標系實際云圖中心處的圖像放大率Mui為I, Mui表示為:
【文檔編號】G06T5/00GK103544679SQ201210236335
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2012年7月9日 優(yōu)先權日:2012年7月9日
【發(fā)明者】丁宇宇, 丁杰, 周海, 程序, 陳穎, 崔方, 曹瀟, 王知嘉, 于炳霞, 譚志萍, 周強, 陳志寶 申請人:中國電力科學研究院, 國家電網公司