本發(fā)明涉及氣象數(shù)據(jù)處理，尤其涉及一種基于全天空云圖組網(wǎng)的云位置及云速度測量方法、系統(tǒng)、可讀存儲(chǔ)介質(zhì)和計(jì)算機(jī)設(shè)備。

背景技術(shù)：

1、云遮擋是影響光伏發(fā)電出力效率的重要因素，光伏功率預(yù)測的難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)也就在于對(duì)局地云的移動(dòng)速度和方向的預(yù)測。在云的預(yù)測業(yè)務(wù)中，往往需要當(dāng)前的云的移動(dòng)速度的真實(shí)值或者觀測值作為輸入，才能獲得較為準(zhǔn)確的局地云移動(dòng)速度的預(yù)測結(jié)果。但由于觀測手段的限制，目前云的移動(dòng)速度的觀測數(shù)據(jù)非常稀少，這也是影響云的移動(dòng)預(yù)測準(zhǔn)確性的重要限制因素之一。

2、對(duì)云的觀測手段包括星載遙感、地基雷達(dá)遙感和地基全天空成像儀三種方式。

3、在獲取大范圍、大尺度云的移動(dòng)速度和方向觀測數(shù)據(jù)，最常用的方法為利用衛(wèi)星遙感圖像計(jì)算云導(dǎo)風(fēng)，但衛(wèi)星觀測方法的空間分辨率往往在1km以上，分辨率較粗，且局地觀測時(shí)間往往大于1小時(shí)，無法滿足具體單個(gè)光伏電站對(duì)短期光伏功率預(yù)測的要求，尤其是在臨近時(shí)間內(nèi)的預(yù)測需求。

4、地基雷達(dá)遙感的觀測主要是通過毫米波云雷達(dá)或者激光雷達(dá)，自下而上對(duì)天觀測掃描，該觀測方法通過主動(dòng)發(fā)射毫米波或者激光的方式，測量信號(hào)返回時(shí)間及相位信息，來獲得云的高度及分層信息，同時(shí)也可以根據(jù)云的移動(dòng)遮擋情況估算云量信息。但是這類設(shè)備也有明顯缺點(diǎn)，首先該設(shè)備掃描角度往往很小，無法快速地獲得全天空云量信息；其次這類設(shè)備無法獲得云的水平移動(dòng)速度，而云的移動(dòng)往往是準(zhǔn)水平的；最后主動(dòng)式遙感雷達(dá)設(shè)備的購置、維護(hù)成本往往較高，限制了此類設(shè)備的方法。

5、地基全天空成像儀一般是通過魚眼投影方式的可見光攝像機(jī)對(duì)全天空進(jìn)行觀測，利用投影變換及云覆蓋區(qū)域的像素提取，可以獲得半徑2公里左右的云的分布，且空間分辨率及時(shí)間分辨率較高，因此通過時(shí)序分析可以對(duì)云的移動(dòng)做出判斷。但單個(gè)地基全天空成像儀的圖像只有方位角度信息，無法對(duì)云的高度距離進(jìn)行觀測，因此也無法對(duì)云的移動(dòng)速度進(jìn)行準(zhǔn)確的定量觀測。通過組網(wǎng)觀測可以提供不同角度的云的觀測信息，來進(jìn)一步計(jì)算云的高度和空間坐標(biāo)信息。比如陶法等(2013)提出一種基于雙目成像云底高度測量方法，該方法建立了基線長度為60米的觀測系統(tǒng)，并根據(jù)同時(shí)刻的兩張圖獲得了較為準(zhǔn)確的云底高度。但該系統(tǒng)沒有討論不同時(shí)次之間的特征匹配，而且假設(shè)了兩個(gè)攝像機(jī)在同一高度，這一點(diǎn)在遠(yuǎn)距離的兩個(gè)全天空成像儀的系統(tǒng)中較難滿足。類似地，李國勝(2011)在博士論文中系統(tǒng)討論了雙目成像云底高測量的方法和系統(tǒng)，但該系統(tǒng)使用的不是全天空成像儀，而是云臺(tái)球機(jī)。在利用雙攝像機(jī)進(jìn)行云移動(dòng)觀測的方法上，專利《一種光伏電站云追蹤預(yù)測方法及系統(tǒng)與流程，申請(qǐng)?zhí)朿n202110850460.3》從流程和概念上提出了通過兩相機(jī)分別獲取待追蹤區(qū)域內(nèi)的兩個(gè)實(shí)時(shí)視頻；將兩個(gè)所述實(shí)時(shí)視頻分別分解為對(duì)應(yīng)的兩組幀圖像，并通過訓(xùn)練好的目標(biāo)檢測分割模型識(shí)別出兩組所述幀圖像中的太陽和多個(gè)云區(qū)域；計(jì)算各個(gè)所述云區(qū)域的云高、云速和云范圍。但是該專利并未給出具體的計(jì)算方法和實(shí)施步驟，只是給出了大概的執(zhí)行流程，該專利也有較多模糊處理的地方，對(duì)攝像機(jī)的投影方式、安裝、云特征匹配方法、云高計(jì)算方法等關(guān)鍵信息只給出了模塊信息，而非計(jì)算方法，因此專利的指導(dǎo)性和具體性有限。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明旨在至少解決現(xiàn)有技術(shù)或相關(guān)技術(shù)中存在的技術(shù)問題之一。

2、為此，本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種基于全天空云圖組網(wǎng)的云位置及云速度測量方法，其利用地基云圖組網(wǎng)觀測，在對(duì)云圖中云團(tuán)上特征點(diǎn)三維空間定位的基礎(chǔ)上，對(duì)全天空云圖時(shí)間序列進(jìn)行分析建模，實(shí)現(xiàn)對(duì)云的移動(dòng)速度的定量觀測，為云的移動(dòng)預(yù)測及新能源應(yīng)用提供更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。

3、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明第一方面的技術(shù)方案提供了一種基于全天空云圖組網(wǎng)的云位置及云速度測量方法，包括以下步驟：

4、獲取每個(gè)全天空成像儀拍攝的全天空?qǐng)D像以及對(duì)應(yīng)全天空?qǐng)D像的像素坐標(biāo)與三維立體空間坐標(biāo)系中空間坐標(biāo)的坐標(biāo)點(diǎn)關(guān)系，具體為：

5、

6、其中，全天空成像儀的視角fov＝180°，n為全天空?qǐng)D像的像素個(gè)數(shù)，在全天空?qǐng)D像在水平方向上的第i個(gè)像素、垂直方向上的第j個(gè)像素的點(diǎn)對(duì)應(yīng)在三維立體空間坐標(biāo)系中點(diǎn)p的空間坐標(biāo)(x，y，z)；

7、識(shí)別成對(duì)全天空成像儀在同一時(shí)刻拍攝全天空?qǐng)D像的空間特征匹配點(diǎn)，獲得空間特征點(diǎn)對(duì)；

8、計(jì)算每個(gè)空間特征點(diǎn)對(duì)中兩點(diǎn)連接線的方向角，具體為：

9、其中，在t時(shí)刻的兩個(gè)全天空?qǐng)D像i1，t和i2，t的坐標(biāo)分別為p1，t，k(i1，t，k，j1，t，k)和p2，t，k(i2，t，k，j2，t，k)；

10、根據(jù)對(duì)應(yīng)于方向角的預(yù)設(shè)閾值對(duì)空間特征對(duì)進(jìn)行質(zhì)控，獲得匹配特征點(diǎn)集，匹配特征點(diǎn)集pf的表達(dá)式為：

11、pf＝[(p1，t，k，p2，t，k)ifθt，k＜median(θt)-10|k＝1，2,...,n]；其中，

12、θt，k表示為t時(shí)刻第k個(gè)匹配的空間特征點(diǎn)對(duì)p1，t，k(i1，t，k，j1，t，k)和p2，t，k(i2，t，k，j2，t，k)的連接線方向角，median(θt)表示為t時(shí)刻所有空間特征點(diǎn)對(duì)的連接線方向角的平均值，預(yù)設(shè)閾值為t時(shí)刻第k個(gè)匹配的空間特征點(diǎn)對(duì)的連接線方向角與t時(shí)刻所有空間特征點(diǎn)對(duì)的連接線方向角的平均值的差值小于10，即θt，k＜median(θt)-10；

13、根據(jù)匹配特征點(diǎn)集在全天空?qǐng)D像的像素坐標(biāo)計(jì)算云特征點(diǎn)的仰角和方位角；

14、根據(jù)云特征點(diǎn)的仰角和方位角以及成對(duì)全天空成像儀在三維立體空間坐標(biāo)系中空間坐標(biāo)計(jì)算云特征點(diǎn)的空間坐標(biāo)；

15、根據(jù)云特征點(diǎn)的空間坐標(biāo)計(jì)算同一全天空成像儀在相鄰兩個(gè)時(shí)刻的像素坐標(biāo)變化量與空間坐標(biāo)變化量的相關(guān)關(guān)系；

16、根據(jù)像素坐標(biāo)變化量與空間坐標(biāo)變化量的相關(guān)關(guān)系計(jì)算云移動(dòng)速度。

17、在上述技術(shù)方案中，優(yōu)選地，根據(jù)匹配特征點(diǎn)集在全天空?qǐng)D像的像素坐標(biāo)計(jì)算云特征點(diǎn)的仰角和方位角，包括以下步驟：

18、根據(jù)全天空成像儀的空間坐標(biāo)以及像素坐標(biāo)與空間坐標(biāo)的坐標(biāo)點(diǎn)關(guān)系計(jì)算得到每個(gè)全天空成像儀的方位角β和仰角α，具體為：

19、

20、將匹配特征點(diǎn)集中云特征點(diǎn)的像素坐標(biāo)代入全天空成像儀的方位角和仰角獲得云特征點(diǎn)的仰角α1，t，k和α2，t，k以及方位角β1，t，k和β2，t，k。

21、在上述技術(shù)方案中，優(yōu)選地，根據(jù)云特征點(diǎn)的仰角和方位角以及成對(duì)全天空成像儀在三維立體空間坐標(biāo)系中空間坐標(biāo)計(jì)算云特征點(diǎn)的空間坐標(biāo)，包括以下步驟：

22、根據(jù)三角正切函數(shù)的定義獲得云特征點(diǎn)與成對(duì)全天空成像儀在三維立體空間坐標(biāo)系中的位置關(guān)系，表達(dá)式為：

23、

24、其中，成對(duì)天空成像儀的空間坐標(biāo)a1(x1，y1，z1)和a2(x2，y2，z2)，云特征點(diǎn)pc的空間坐標(biāo)(xc，yc，zc)，成對(duì)天空成像儀的仰角α1和α2；

25、根據(jù)三角形的余弦定理獲得云特征點(diǎn)成對(duì)全天空成像儀在三維立體空間坐標(biāo)系中的距離關(guān)系，表達(dá)式為：

26、dxy，122＝dxy，1c2+dxy，2c2-2×dxy，1c×dxy，2c×cos(β1-β2)；其中，dxy，12指的是兩個(gè)全天空成像儀之間的水平距離，dxy，1c和dxy，2c則分別是指兩個(gè)全天空成像儀與云特征點(diǎn)之間的水平距離；

27、

28、根據(jù)云特征點(diǎn)的仰角和方位角、位置關(guān)系和距離關(guān)系計(jì)算云特征點(diǎn)在三維立體空間坐標(biāo)系中的空間坐標(biāo)，表達(dá)式為：

29、其中，

30、

31、然后根據(jù)像素坐標(biāo)與空間坐標(biāo)的坐標(biāo)點(diǎn)關(guān)系，得到：

32、

33、將仰角α1，t，k和α2，t，k，以及方位角β1，t，k和β2，t，k代入上述公式，即可得云特征點(diǎn)在三維立體空間坐標(biāo)系中的空間坐標(biāo)zc，t，k，然后將zc，t，k代入像素坐標(biāo)與空間坐標(biāo)的坐標(biāo)點(diǎn)關(guān)系中，即可得到云特征點(diǎn)在三維立體空間坐標(biāo)系中的空間坐標(biāo)(xc，t，k，yc，t，k)。

34、在上述技術(shù)方案中，優(yōu)選地，像素坐標(biāo)變化量為：

35、其中，任一全天空成像儀拍攝的空間特征點(diǎn)在相鄰兩個(gè)時(shí)刻的像素坐標(biāo)點(diǎn)(i1，j1)和(i2，j2)；同理，得到第k個(gè)匹配的空間特征點(diǎn)對(duì)p1，t，k(i1，t，k，j1，t，k)和p2，t，k(i2，t，k，j2，t，k)的像素坐標(biāo)變化量δit，k和δjt，k；

36、然后根據(jù)像素坐標(biāo)與空間坐標(biāo)的坐標(biāo)點(diǎn)關(guān)系得到空間坐標(biāo)變化量為：

37、

38、將i1，t，k和j1，t，k、以及δit，k和δjt，k以及zc，t，k代入上述公式，即可得空間坐標(biāo)變化量δxc，t，k和δyc，t，k；

39、根據(jù)像素坐標(biāo)變化量與空間坐標(biāo)變化量的相關(guān)關(guān)系計(jì)算云移動(dòng)速度，具體為：

40、其中，δt為相鄰兩個(gè)時(shí)刻的時(shí)間間隔，從而得到在t時(shí)刻的第k個(gè)特征點(diǎn)的空間坐標(biāo)及云移動(dòng)速度，即vc，t，k＝(xc，t，k，yc，t，k，zc，t，k，uc，t，k，vc，t，k)，t時(shí)刻的所有觀測數(shù)據(jù)集即為vc，t＝(vc，t，1，vc，t，2，...，vc，t，m)，其中m為有效云特征點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

41、本發(fā)明第二方面的技術(shù)方案提供了一種基于全天空云圖組網(wǎng)的云位置及云速度測量系統(tǒng)，包括：

42、像素坐標(biāo)與空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊，被設(shè)置為用于獲取每個(gè)全天空成像儀拍攝的全天空?qǐng)D像以及對(duì)應(yīng)全天空?qǐng)D像的像素坐標(biāo)與三維立體空間坐標(biāo)系中空間坐標(biāo)的坐標(biāo)點(diǎn)關(guān)系，具體為：

43、

44、其中，全天空成像儀的視角fov＝180°，n為全天空?qǐng)D像的像素個(gè)數(shù)，在全天空?qǐng)D像在水平方向上的第i個(gè)像素、垂直方向上的第j個(gè)像素的點(diǎn)對(duì)應(yīng)在三維立體空間坐標(biāo)系中點(diǎn)p的空間坐標(biāo)(x，y，z)；

45、空間特征識(shí)別模塊，被設(shè)置為用于識(shí)別成對(duì)全天空成像儀在同一時(shí)刻拍攝全天空?qǐng)D像的空間特征匹配點(diǎn)，獲得空間特征點(diǎn)對(duì)；

46、連線方向角計(jì)算模塊，被設(shè)置為用于計(jì)算每個(gè)空間特征點(diǎn)對(duì)中兩點(diǎn)連接線的方向角，具體為：

47、其中，在t時(shí)刻的兩個(gè)全天空?qǐng)D像i1，t和i2，t的坐標(biāo)分別為p1，t，k(i1，t，k，j1，t，k)和p2，t，k(i2，t，k，j2，t，k)；

48、數(shù)據(jù)質(zhì)控模塊，被設(shè)置為用于根據(jù)對(duì)應(yīng)于方向角的預(yù)設(shè)閾值對(duì)空間特征對(duì)進(jìn)行質(zhì)控，獲得匹配特征點(diǎn)集，匹配特征點(diǎn)集pf的表達(dá)式為：

49、pf＝[(p1，t，k，p2，t，k)ifθt，k＜median(θt)-10|k＝1，2,...,n]；其中，

50、θt，k表示為t時(shí)刻第k個(gè)匹配的空間特征點(diǎn)對(duì)p1，t，k(i1，t，k，j1，t，k)和p2，t，k(i2，t，k，j2，t，k)的連接線方向角，median(θt)表示為t時(shí)刻所有空間特征點(diǎn)對(duì)的連接線方向角的平均值，預(yù)設(shè)閾值為t時(shí)刻第k個(gè)匹配的空間特征點(diǎn)對(duì)的連接線方向角與t時(shí)刻所有空間特征點(diǎn)對(duì)的連接線方向角的平均值的差值小于10，即θt，k＜median(θt)-10；

51、云特征角計(jì)算模塊，被設(shè)置為用于根據(jù)匹配特征點(diǎn)集在全天空?qǐng)D像的像素坐標(biāo)計(jì)算云特征點(diǎn)的仰角和方位角；

52、云特征點(diǎn)空間計(jì)算模塊，被設(shè)置為用于根據(jù)云特征點(diǎn)的仰角和方位角以及成對(duì)全天空成像儀在三維立體空間坐標(biāo)系中空間坐標(biāo)計(jì)算云特征點(diǎn)的空間坐標(biāo)；

53、云特征坐標(biāo)變化轉(zhuǎn)換模塊，被設(shè)置為用于根據(jù)云特征點(diǎn)的空間坐標(biāo)計(jì)算同一全天空成像儀在相鄰兩個(gè)時(shí)刻的像素坐標(biāo)變化量與空間坐標(biāo)變化量的相關(guān)關(guān)系；

54、云速度計(jì)算模塊，被設(shè)置為用于根據(jù)像素坐標(biāo)變化量與空間坐標(biāo)變化量的相關(guān)關(guān)系計(jì)算云移動(dòng)速度。

55、在上述技術(shù)方案中，優(yōu)選地，云特征角計(jì)算模塊包括：

56、成像儀角計(jì)算單元，被設(shè)置為用于根據(jù)全天空成像儀的空間坐標(biāo)以及像素坐標(biāo)與空間坐標(biāo)的坐標(biāo)點(diǎn)關(guān)系計(jì)算得到每個(gè)全天空成像儀的方位角β和仰角α，具體為：

57、

58、云特征角計(jì)算單元，被設(shè)置用于將匹配特征點(diǎn)集中云特征點(diǎn)的像素坐標(biāo)代入全天空成像儀的方位角和仰角獲得云特征點(diǎn)的仰角α1，t，k和α2，t，k以及方位角β1，t，k和β2，t，k。

59、在上述技術(shù)方案中，優(yōu)選地，云特征點(diǎn)空間計(jì)算模塊包括：

60、位置關(guān)系計(jì)算單元，被設(shè)置為用于根據(jù)三角正切函數(shù)的定義獲得云特征點(diǎn)與成對(duì)全天空成像儀在三維立體空間坐標(biāo)系中的位置關(guān)系，表達(dá)式為：

61、

62、其中，成對(duì)天空成像儀的空間坐標(biāo)a1(x1，y1，z1)和a2(x2，y2，z2)，云特征點(diǎn)pc的空間坐標(biāo)(xc，yc，zc)，成對(duì)天空成像儀的仰角α1和α2；

63、距離關(guān)系計(jì)算單元，被設(shè)置為用于根據(jù)三角形的余弦定理獲得云特征點(diǎn)成對(duì)全天空成像儀在三維立體空間坐標(biāo)系中的距離關(guān)系，表達(dá)式為：

64、dxy，122＝dxy，1c2+dxy，2c2-2×dxy，1c×dxy，2c×cos(|β1-β2|)；其中，dxy，12指的是兩個(gè)全天空成像儀之間的水平距離，dxy，1c和dxy，2c則分別是指兩個(gè)全天空成像儀與云特征點(diǎn)之間的水平距離；

65、

66、

67、云特征點(diǎn)空間計(jì)算單元，被設(shè)置為用于根據(jù)云特征點(diǎn)的仰角和方位角、位置關(guān)系和距離關(guān)系計(jì)算云特征點(diǎn)在三維立體空間坐標(biāo)系中的空間坐標(biāo)，表達(dá)式為：

68、其中，

69、

70、然后根據(jù)像素坐標(biāo)與空間坐標(biāo)的坐標(biāo)點(diǎn)關(guān)系，得到：

71、

72、最后將仰角α1，t，k和α2，t，k，以及方位角β1，t，k和β2，t，k代入上述公式，即可得云特征點(diǎn)在三維立體空間坐標(biāo)系中的空間坐標(biāo)zc，t，k，然后將zc，t，k代入像素坐標(biāo)與空間坐標(biāo)的坐標(biāo)點(diǎn)關(guān)系中，即可得到云特征點(diǎn)在三維立體空間坐標(biāo)系中的空間坐標(biāo)(xc，t，k，yc，t，k)。

73、在上述技術(shù)方案中，優(yōu)選地，像素坐標(biāo)變化量為：

74、其中，任一全天空成像儀拍攝的空間特征點(diǎn)在相鄰兩個(gè)時(shí)刻的像素坐標(biāo)點(diǎn)(i1，j1)和(i2，j2)；同理，得到第k個(gè)匹配的空間特征點(diǎn)對(duì)p1，t，k(i1，t，k，j1，t，k)和p2，t，k(i2，t，k，j2，t，k)的像素坐標(biāo)變化量δit，k和δjt，k；

75、空間坐標(biāo)變化量為：

76、

77、i1，t，k和j1，t，k、以及δit，k和δjt，k以及zc，t，k代入上述公式，即可得空間坐標(biāo)變化量δxc，t，k和δyc，t，k；

78、云移動(dòng)速度的表達(dá)式為：

79、其中，δt為相鄰兩個(gè)時(shí)刻的時(shí)間間隔，從而得到在t時(shí)刻的第k個(gè)特征點(diǎn)的空間坐標(biāo)及云移動(dòng)速度，即vc，t，k＝(xc，t，k，yc，t，k，zc，t，k，uc，t，k，vc，t，k)，t時(shí)刻的所有觀測數(shù)據(jù)集即為vc，t＝(vc，t，1，vc，t，2，...，vc，t，m)，其中m為有效云特征點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

80、本發(fā)明第三方面的技術(shù)方案提供了一種可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，該程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)上述第一方面的技術(shù)方案提供的基于全天空云圖組網(wǎng)的云位置及云速度測量方法的步驟。

81、本發(fā)明第四方面的技術(shù)方案提供了一種計(jì)算機(jī)設(shè)備，包括存儲(chǔ)介質(zhì)和處理器；存儲(chǔ)介質(zhì)，用于存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)程序；處理器，用于執(zhí)行計(jì)算機(jī)程序以實(shí)現(xiàn)上述第一方面的技術(shù)方案提供的基于全天空云圖組網(wǎng)的云位置及云速度測量方法的步驟。

82、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的基于全天空云圖組網(wǎng)的云位置及云速度測量方法和設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)在于：利用地基云圖組網(wǎng)觀測，在對(duì)云圖中云團(tuán)上特征點(diǎn)三維空間定位的基礎(chǔ)上，對(duì)全天空云圖時(shí)間序列進(jìn)行分析建模，實(shí)現(xiàn)對(duì)云的移動(dòng)速度的定量觀測，為云的移動(dòng)預(yù)測及新能源應(yīng)用提供更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。