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基本信息
- 項目名稱：
- 新型地基全天空自動成像儀
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 該儀器是一種用于云圖獲取、拼接、處理和云的定量分析與云狀分類識別的重要氣象儀器。該設(shè)備通過實測數(shù)據(jù)實時識別天空中云的狀態(tài)和趨勢，自動避光連續(xù)拍攝將圖片進行無縫拼接并自動編號歸類，實現(xiàn)全天空云圖觀測自動化，代替目前的人工觀測。克服了鏡像法鏡頭和太陽遮擋對圖像的損傷，魚眼鏡頭產(chǎn)生的圖像畸變和無法單獨保存重點圖像的缺陷。儀器主要包括云臺、圖像采集裝置、圖像處理與拼接軟件、圖像識別軟件和通信系統(tǒng)等5部分。
- 詳細介紹：
- 一、總體設(shè)計方案 (1)云臺 單片機(PIC)控制兩個步進電機，經(jīng)機械傳動實現(xiàn)相機按照預(yù)設(shè)的范圍定時定方位拍攝。通過對采集的圖片運用特殊的圖像處理方法進行拼接，實現(xiàn)對全天空云圖的準備描述。 (2)圖像采集裝置 在單片機控制下按照規(guī)定方位進行拍攝云圖，一次連續(xù)拍攝12幅圖，通過控制發(fā)給步進電機分配器的頻率脈沖實現(xiàn)。 (3)圖像處理與拼接軟件：對拍攝的云圖進行預(yù)處理和拼接 (4)圖像識別軟件：云圖拼接完成以后，通過與圖庫中云的樣圖進行比對，根據(jù)特征識別出云狀等信息并進行歸類。 (5)通信系統(tǒng)：負責(zé)把采集的圖像傳輸給計算機共處理、拼接和模式識別，目前采用的是有線連接。 地基全天空自動成像儀的硬件部分主要分為機械部分和電氣部分。 二、技術(shù)要點與計算關(guān)鍵 (1) 圖像采集及拼接【附加材料 圖二-拼接算法】 ①理論基礎(chǔ)與實現(xiàn)步驟(圖5) 規(guī)定一個相機的初始掃描位置，并在此基礎(chǔ)上使相機繞坐標(biāo)原點轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)對各區(qū)域天空的掃描拍照。 ②算法實現(xiàn)：求圖像上的任意一點(Po)的方位角和仰角， 然后以圖像中心為基準實現(xiàn)每個像素的映射。 第一步：求Po點的坐標(biāo)：Pox=0,Poy=OPoxcos∠PoOEo，Poz=Opoxsin∠PoOEo 得到平面AoBoCoDo方程： Pox?x(x-Pox)+Poy(x- Poy)+Poz(x- Poz)=0 第二步：求圖像上任意像元 P的坐標(biāo) Px=Pox+Opo?tan∠MOP Py=Poy+Opo?tan∠NOPo?cos∠GoEoO Pz=(OP?OP-Pox?Px-Poy?Py)/Poz 第三步：實現(xiàn)映射(圖27) ③采集路徑規(guī)劃【附加材料 圖三-采集路徑規(guī)劃】 為了讓相機避開正對太陽，我們準備通過相機所在區(qū)域的太陽運行軌跡和時間關(guān)系，計算出拍攝時的太陽方位，實現(xiàn)自動避讓。在做避讓路徑規(guī)劃中，需對太陽的運動軌跡、地球的自轉(zhuǎn)與時差、太陽高度角隨著地方時和太陽的緯度的變化規(guī)律等進行討論。 (2) 圖像識別 ①地基云圖的紋理特征參數(shù)提取 ②基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和基于最小分類器的兩種不同分類方法，并對兩種分類識別方法做了對比。 (3)多特征融合分類 ①多特征提取 ②分類器選擇。 ③基于投票系統(tǒng)的多特征融合方法。 ④上位機程序界面【附加材料 圖四-界面程序】
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 一、研發(fā)目的 研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)的地基全天空自動成像儀，希望能進入氣象業(yè)務(wù)替代人工觀測，并形成批量生產(chǎn)能力，從而實現(xiàn)云的地基觀測完全儀器化、自動化，獲取云的全面可靠客觀的觀測信息，為減輕惡劣環(huán)境對觀測人員的傷害提供可能。 二、基本思路 首先展開對國內(nèi)及國際上該領(lǐng)域相關(guān)信息的查詢，確定需求并摸清研究現(xiàn)狀、技術(shù)特點和存在的問題，在此基礎(chǔ)上確定研究思路和技術(shù)路線。再根據(jù)研究目標(biāo)找準技術(shù)難點，確定五個部分分步實現(xiàn)的攻關(guān)思路。 三、創(chuàng)新點 ①采用云圖拼接技術(shù)獲取全天象云圖，既減輕了魚眼鏡頭所產(chǎn)生的畸變對云圖質(zhì)量的影響，又能實現(xiàn)對重點云圖的單獨存儲和分析。 ②拼接技術(shù)與太陽避讓相結(jié)合，獲取無遮擋全天象圖。 ③拍攝順序優(yōu)化、減少圖像冗余、無縫拼接。 ④探索云圖分類方法，實現(xiàn)云圖自動分類。 四、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo) ①云臺裝置的位置控制 為了實現(xiàn)定位的準確穩(wěn)定，要求云臺傳動和控制裝置的精確定位。本作品通過0.9℃步進電機配合機械傳動和優(yōu)化算法來實現(xiàn)。 ②拍攝軌跡規(guī)劃的完整性與周密性 避讓太陽且保證正常拍攝；保證無縫拼接且盡量減少圖像冗余。 ③全天空圖像無損無縫拼接的實現(xiàn) 必須根據(jù)圖像序列設(shè)計拼接算法以生成高質(zhì)量的可靠云圖資料，實現(xiàn)序列云圖的精確拼接。 ④云圖的自動分類識別效果 除特征明顯的典型云類外，存在大量特征較為模糊的云系，其灰度和紋理特征非常復(fù)雜。因此要求有適合于地基云圖的圖像分割和云圖云狀的分類方法。目前本作品對典型云圖的識別率已達80%
科學(xué)性、先進性
- ①采取多次成像法獲取原始圖像資料 通過無損無縫拼接獲取更真實的全天象云圖，不僅減輕了一次成像帶來的圖像畸變，同時為局部重點云圖的研究提供了基礎(chǔ)。 ②利用軌跡規(guī)劃直接避開太陽影響，避免太陽跟蹤遮擋器對圖像的影響 以拼接技術(shù)為基礎(chǔ)，根據(jù)拍攝日期、時間和當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度計算太陽天頂角和方位角，控制相機的拍攝位置，避開太陽直射光。利用邊緣融合技術(shù)實現(xiàn)無縫拼接，保證圖像的完整性與真實性。 ③優(yōu)化控制策略在保證無縫拼接的基礎(chǔ)上減少圖像冗余 通過最優(yōu)化算法規(guī)劃最優(yōu)天空圖像采集路徑，優(yōu)化控制自動獲取規(guī)定云圖，提高云圖的抓拍速度，并在同一批次圖像采集后自動復(fù)位。 ④通過模式識別技術(shù)，實現(xiàn)云圖計算機自動識別、分類、歸檔 對云圖的紋理特征的提取和分析，將云發(fā)展變化的過程用數(shù)學(xué)的形式來加以表達，通過其紋理參數(shù)的比對進行分類識別，并做歸檔處理。避免了依賴觀測員的經(jīng)驗進行人工觀測的主觀隨意性，同時解決了由于測報人員流動及觀測連續(xù)性有限造成的對云況多變的實際天空描述欠準確問題。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 一、考核應(yīng)用與鑒定證明 中國氣象局氣象探測綜合試驗基地、大氣物理與大氣環(huán)境重點開放實驗室（2011年6月4日） 二、評價證明 省氣象局觀測與網(wǎng)絡(luò)處（2011年4月10日） 三、論文 The Time-Frequency Resolution of Short Time Fourier Transform Based on Multi-window Functions；Advanced Materials Research Vol. 214 (2011) pp 122-127?（EI）。
作品所處階段
- 實驗室階段（已經(jīng)過中國氣象局氣象探測綜合試驗基地的考核應(yīng)用，并會同中國氣象局重點實驗室進行了鑒定）
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 合作生產(chǎn)，技術(shù)入股。
作品可展示的形式
- 實物；視頻；圖紙；圖片等
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 一、技術(shù)優(yōu)勢 ①全天空自動成像，操作簡單。且成本進口儀器售價百分之一。 ②步進電機結(jié)合限位開關(guān)及故障復(fù)位模塊，真正實現(xiàn)準確定位。 ③全天空圖像無損采集無縫拼接，明顯優(yōu)于會產(chǎn)生圖像畸變的同類儀器，確保后續(xù)分析的準確性。 ④獲取云圖后自動分類歸檔,克服人工識別主觀性并留下可靠資料 ⑤拼接技術(shù)結(jié)合太陽避讓，避免遮擋器破壞圖像完整性。 ⑥拍攝順序優(yōu)化，減少數(shù)據(jù)量且確保無縫拼接。 ⑦可對重點云圖單獨拍攝和分析。 二、適用范圍:在航空航天、海洋、軍事等領(lǐng)域均有重要應(yīng)用價值 三、推廣前景： ①市場需求大：初步估算我國目前有近5000個地基云觀測點，世界范圍內(nèi)也只有極少數(shù)國家實現(xiàn)了自動觀測。 ②前景廣闊：雖是專用性儀器，但打破了該領(lǐng)域的技術(shù)壟斷。相較于近80萬元的進口儀器，不足萬元的成本可為我國氣象探測節(jié)約大量開支，并解決后期維護問題。 四、拓展應(yīng)用空間：結(jié)合我們已完成的裝有氣象要素的遙控避障機器人，可用于危險場所環(huán)境探測和輔助決策等。
同類課題研究水平概述
- 一、國外研究現(xiàn)狀 目前世界上地基全天空自動成像儀器比較有代表性的是被美國ARM（Atmospheric Radiation Measurement）計劃采用的兩種儀器:WSI（Whole Sky Imager）和TSI（Total Sky Imager）全天空自動觀測系統(tǒng)。 馬里蘭大學(xué)終身教授李占清是研究云的專家，他的相關(guān)的研究成果曾發(fā)表在《Nature》和《Science》雜志上。北美《發(fā)現(xiàn)》電視臺和加拿大《環(huán)球郵報》曾對李占清教授在《Nature》雜志發(fā)表的有關(guān)云對太陽能吸收的專論文章進行了專題報道。2004年，作為境外出生在美工作的外裔科學(xué)家代表，李占清教授的照片還被登在5月28日出版的美國《Science》雜志封面。李占清教授在談到這個儀器時也只是從使用角度和外觀說起，對其核心技術(shù)也是保密的。 一臺進口儀器的價格大約需要83萬元。這種儀器采用的是鏡像成想法，不僅鏡頭在凹鏡的正上方而且還有太陽遮擋器，因此會對圖像產(chǎn)生較大遮擋。該儀器鏡面加工要求非常高，工藝十分復(fù)雜，國內(nèi)目前還沒有采用這種技術(shù)進行研究的。 二、國內(nèi)研究現(xiàn)狀 國內(nèi)進行全天空成像的研究工作開展相對較晚，中國氣象局氣象探測中心、中科院大氣物理研究所和中國人民解放軍理工大學(xué)等正在開展全天空成像觀測研究。 根據(jù)我們掌握的信息，目前全天空成像儀大都采用具有超廣角的魚眼鏡頭或者設(shè)計類似魚眼鏡頭的測云儀器，通過較大的廣角鏡頭一次獲取全天空圖像，但是由于魚眼鏡頭自身的局限性，其投影方式導(dǎo)致圖像產(chǎn)生畸變，不能很好的反映天空云的分布、形態(tài)，具有較大的失真，與人眼觀測有一定的差異，因此影響了云圖的科學(xué)應(yīng)用。 另外，一次成像中為了避免太陽光線對拍攝的影響，還不得不采用太陽遮擋技術(shù)，結(jié)果使得圖像受損。特別是一次成像技術(shù)無法單獨保存局部重點云圖，對云圖的分析利用帶來不便。
