基本信息
- 项目名称：
- 新型地基全天空自动成像仪
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 该仪器是一种用于云图获取、拼接、处理和云的定量分析与云状分类识别的重要气象仪器。该设备通过实测数据实时识别天空中云的状态和趋势，自动避光连续拍摄将图片进行无缝拼接并自动编号归类，实现全天空云图观测自动化，代替目前的人工观测。克服了镜像法镜头和太阳遮挡对图像的损伤，鱼眼镜头产生的图像畸变和无法单独保存重点图像的缺陷。仪器主要包括云台、图像采集装置、图像处理与拼接软件、图像识别软件和通信系统等5部分。
- 详细介绍：
- 一、总体设计方案 (1)云台 单片机(PIC)控制两个步进电机，经机械传动实现相机按照预设的范围定时定方位拍摄。通过对采集的图片运用特殊的图像处理方法进行拼接，实现对全天空云图的准备描述。 (2)图像采集装置 在单片机控制下按照规定方位进行拍摄云图，一次连续拍摄12幅图，通过控制发给步进电机分配器的频率脉冲实现。 (3)图像处理与拼接软件：对拍摄的云图进行预处理和拼接 (4)图像识别软件：云图拼接完成以后，通过与图库中云的样图进行比对，根据特征识别出云状等信息并进行归类。 (5)通信系统：负责把采集的图像传输给计算机共处理、拼接和模式识别，目前采用的是有线连接。 地基全天空自动成像仪的硬件部分主要分为机械部分和电气部分。 二、技术要点与计算关键 (1) 图像采集及拼接【附加材料 图二-拼接算法】 ①理论基础与实现步骤(图5) 规定一个相机的初始扫描位置，并在此基础上使相机绕坐标原点转动，从而实现对各区域天空的扫描拍照。 ②算法实现：求图像上的任意一点(Po)的方位角和仰角， 然后以图像中心为基准实现每个像素的映射。 第一步：求Po点的坐标：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：求图像上任意像元 P的坐标 Px=Pox+Opo•tan∠MOP Py=Poy+Opo•tan∠NOPo•cos∠GoEoO Pz=(OP•OP-Pox•Px-Poy•Py)/Poz 第三步：实现映射(图27) ③采集路径规划【附加材料 图三-采集路径规划】 为了让相机避开正对太阳，我们准备通过相机所在区域的太阳运行轨迹和时间关系，计算出拍摄时的太阳方位，实现自动避让。在做避让路径规划中，需对太阳的运动轨迹、地球的自转与时差、太阳高度角随着地方时和太阳的纬度的变化规律等进行讨论。 (2) 图像识别 ①地基云图的纹理特征参数提取 ②基于BP神经网络和基于最小分类器的两种不同分类方法，并对两种分类识别方法做了对比。 (3)多特征融合分类 ①多特征提取 ②分类器选择。 ③基于投票系统的多特征融合方法。 ④上位机程序界面【附加材料 图四-界面程序】
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 一、研发目的 研制具有自主知识产权的地基全天空自动成像仪，希望能进入气象业务替代人工观测，并形成批量生产能力，从而实现云的地基观测完全仪器化、自动化，获取云的全面可靠客观的观测信息，为减轻恶劣环境对观测人员的伤害提供可能。 二、基本思路 首先展开对国内及国际上该领域相关信息的查询，确定需求并摸清研究现状、技术特点和存在的问题，在此基础上确定研究思路和技术路线。再根据研究目标找准技术难点，确定五个部分分步实现的攻关思路。 三、创新点 ①采用云图拼接技术获取全天象云图，既减轻了鱼眼镜头所产生的畸变对云图质量的影响，又能实现对重点云图的单独存储和分析。 ②拼接技术与太阳避让相结合，获取无遮挡全天象图。 ③拍摄顺序优化、减少图像冗余、无缝拼接。 ④探索云图分类方法，实现云图自动分类。 四、技术关键和主要技术指标 ①云台装置的位置控制 为了实现定位的准确稳定，要求云台传动和控制装置的精确定位。本作品通过0.9℃步进电机配合机械传动和优化算法来实现。 ②拍摄轨迹规划的完整性与周密性 避让太阳且保证正常拍摄；保证无缝拼接且尽量减少图像冗余。 ③全天空图像无损无缝拼接的实现 必须根据图像序列设计拼接算法以生成高质量的可靠云图资料，实现序列云图的精确拼接。 ④云图的自动分类识别效果 除特征明显的典型云类外，存在大量特征较为模糊的云系，其灰度和纹理特征非常复杂。因此要求有适合于地基云图的图像分割和云图云状的分类方法。目前本作品对典型云图的识别率已达80%
科学性、先进性
- ①采取多次成像法获取原始图像资料 通过无损无缝拼接获取更真实的全天象云图，不仅减轻了一次成像带来的图像畸变，同时为局部重点云图的研究提供了基础。 ②利用轨迹规划直接避开太阳影响，避免太阳跟踪遮挡器对图像的影响 以拼接技术为基础，根据拍摄日期、时间和当地经纬度计算太阳天顶角和方位角，控制相机的拍摄位置，避开太阳直射光。利用边缘融合技术实现无缝拼接，保证图像的完整性与真实性。 ③优化控制策略在保证无缝拼接的基础上减少图像冗余 通过最优化算法规划最优天空图像采集路径，优化控制自动获取规定云图，提高云图的抓拍速度，并在同一批次图像采集后自动复位。 ④通过模式识别技术，实现云图计算机自动识别、分类、归档 对云图的纹理特征的提取和分析，将云发展变化的过程用数学的形式来加以表达，通过其纹理参数的比对进行分类识别，并做归档处理。避免了依赖观测员的经验进行人工观测的主观随意性，同时解决了由于测报人员流动及观测连续性有限造成的对云况多变的实际天空描述欠准确问题。
获奖情况及鉴定结果
- 一、考核应用与鉴定证明 中国气象局气象探测综合试验基地、大气物理与大气环境重点开放实验室（2011年6月4日） 二、评价证明 省气象局观测与网络处（2011年4月10日） 三、论文 The Time-Frequency Resolution of Short Time Fourier Transform Based on Multi-window Functions；Advanced Materials Research Vol. 214 (2011) pp 122-127©（EI）。
作品所处阶段
- 实验室阶段（已经过中国气象局气象探测综合试验基地的考核应用，并会同中国气象局重点实验室进行了鉴定）
技术转让方式
- 合作生产，技术入股。
作品可展示的形式
- 实物；视频；图纸；图片等
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 一、技术优势 ①全天空自动成像，操作简单。且成本进口仪器售价百分之一。 ②步进电机结合限位开关及故障复位模块，真正实现准确定位。 ③全天空图像无损采集无缝拼接，明显优于会产生图像畸变的同类仪器，确保后续分析的准确性。 ④获取云图后自动分类归档,克服人工识别主观性并留下可靠资料 ⑤拼接技术结合太阳避让，避免遮挡器破坏图像完整性。 ⑥拍摄顺序优化，减少数据量且确保无缝拼接。 ⑦可对重点云图单独拍摄和分析。 二、适用范围:在航空航天、海洋、军事等领域均有重要应用价值 三、推广前景： ①市场需求大：初步估算我国目前有近5000个地基云观测点，世界范围内也只有极少数国家实现了自动观测。 ②前景广阔：虽是专用性仪器，但打破了该领域的技术垄断。相较于近80万元的进口仪器，不足万元的成本可为我国气象探测节约大量开支，并解决后期维护问题。 四、拓展应用空间：结合我们已完成的装有气象要素的遥控避障机器人，可用于危险场所环境探测和辅助决策等。
同类课题研究水平概述
- 一、国外研究现状 目前世界上地基全天空自动成像仪器比较有代表性的是被美国ARM（Atmospheric Radiation Measurement）计划采用的两种仪器:WSI（Whole Sky Imager）和TSI（Total Sky Imager）全天空自动观测系统。 马里兰大学终身教授李占清是研究云的专家，他的相关的研究成果曾发表在《Nature》和《Science》杂志上。北美《发现》电视台和加拿大《环球邮报》曾对李占清教授在《Nature》杂志发表的有关云对太阳能吸收的专论文章进行了专题报道。2004年，作为境外出生在美工作的外裔科学家代表，李占清教授的照片还被登在5月28日出版的美国《Science》杂志封面。李占清教授在谈到这个仪器时也只是从使用角度和外观说起，对其核心技术也是保密的。 一台进口仪器的价格大约需要83万元。这种仪器采用的是镜像成想法，不仅镜头在凹镜的正上方而且还有太阳遮挡器，因此会对图像产生较大遮挡。该仪器镜面加工要求非常高，工艺十分复杂，国内目前还没有采用这种技术进行研究的。 二、国内研究现状 国内进行全天空成像的研究工作开展相对较晚，中国气象局气象探测中心、中科院大气物理研究所和中国人民解放军理工大学等正在开展全天空成像观测研究。 根据我们掌握的信息，目前全天空成像仪大都采用具有超广角的鱼眼镜头或者设计类似鱼眼镜头的测云仪器，通过较大的广角镜头一次获取全天空图像，但是由于鱼眼镜头自身的局限性，其投影方式导致图像产生畸变，不能很好的反映天空云的分布、形态，具有较大的失真，与人眼观测有一定的差异，因此影响了云图的科学应用。 另外，一次成像中为了避免太阳光线对拍摄的影响，还不得不采用太阳遮挡技术，结果使得图像受损。特别是一次成像技术无法单独保存局部重点云图，对云图的分析利用带来不便。
