[科普中国]-全天空成像仪

全天空成像仪是白天全天空云量的持续自动监测仪器，是全自动、全色彩天空成像系统，提供实时处理和显示白天的天空状态。1

简介全天空成像仪可以实现白天全天空云量的持续自动监测，时空分辨率较高，得到的云量计算结果更精确。主要由成像部分、太阳跟踪装置、环境保护系统三部分组成，成像部分是一款高性能带鱼眼镜头的数字成像系统，定时拍摄获取全天空可见光红、绿、蓝三波段图像，采样频率最短为3秒钟，太阳跟踪装置是专门计算和跟踪太阳的位置，遮挡太阳直射的入射光，避免较强的太阳直射光破坏成像部分的感光元件，环境保护系统是根据不同的外场环境而设计的温控系统和防雨雪装置等。1

原理及构造全天空成像仪主要的部件有：照相机、带有加热装置的半球镜面、镜面上方的遮光带以及下方的电子设备系统。该仪器可以在白天自动进行全天空云量的持续监测，其工作原理是：通过仪器上方的照相机垂直向下拍摄带有加热装置的半球镜面，得到当时天空所呈现的图像，并将拍摄得到的图像自动存储到计算机上进行云量计算和处理。

大气、云粒子对可见光具有不同的散射原理：大气分子对可见光的散射与λ4成反比，如果天空为晴空，对蓝光波段的散射远远大于对红光波段的散射，因此晴空呈现蓝色；而云粒子对可见光的散射，在不同的波段散射的程度是相当的，因此云体呈现白色。根据不同的散射原理，可以从图像信息值（RGB值）中区分云与蓝天。自然界中的可见光都是按照一定的比例混合而得到，任意一种颜色都可以用红（R）、绿（G）、蓝（B）三色混合而成，图像中的每个像素点均含有RGB三个亮度值，而RGB值在一定程度上反映了红（中心波段为650nm）、绿（中心波段为570nm）、蓝（中心波段为450nm）这三个波段的辐射强度。因此，首先提取图像中的信息值（RGB值），计算每个像素点的红蓝比值（定义为：R/B），然后设定合理的阈值来判别像元点是否为云点，这种方法被称为阈值识别法。1

技术特点（1）可以自动进行全天空云量的持续性观测，时空分辨率较高，得到的云量计算结果较人工目测、卫星探测的结果更精确；

（2）采集全天24小时可见光彩色图像，当日观测拍摄结束生成当日所有图像的动画视频。

（3）设备采用高精度的太阳自动跟踪系统，防止太阳直射入射光破坏成像器。

（4）设备采用防雨和监控装置，可以在户外工作。

（5）设备的最小采集频率是3秒/幅图片。

（6）设备软件有云检测、云量和能见度数据的估算和处理。

（7）环境密封，长寿命工作。1

应用（1）云量和当前气象状态监测；

（2） 常规航空气象；

（3） 军方和航天监测；

（4）遥感和大气研究；

（5）UV-B监测；

（6）大气污染防治和研究。

本词条内容贡献者为:

郭亮 - 副教授 - 中国海洋大学