Устройство для определения общего балла облачности на основе прямых цифровых широкоугольных снимков видимой полусферы неба



Устройство для определения общего балла облачности на основе прямых цифровых широкоугольных снимков видимой полусферы неба
Устройство для определения общего балла облачности на основе прямых цифровых широкоугольных снимков видимой полусферы неба
Устройство для определения общего балла облачности на основе прямых цифровых широкоугольных снимков видимой полусферы неба
Устройство для определения общего балла облачности на основе прямых цифровых широкоугольных снимков видимой полусферы неба
Устройство для определения общего балла облачности на основе прямых цифровых широкоугольных снимков видимой полусферы неба
Устройство для определения общего балла облачности на основе прямых цифровых широкоугольных снимков видимой полусферы неба
Устройство для определения общего балла облачности на основе прямых цифровых широкоугольных снимков видимой полусферы неба
Устройство для определения общего балла облачности на основе прямых цифровых широкоугольных снимков видимой полусферы неба
Устройство для определения общего балла облачности на основе прямых цифровых широкоугольных снимков видимой полусферы неба
Устройство для определения общего балла облачности на основе прямых цифровых широкоугольных снимков видимой полусферы неба
Устройство для определения общего балла облачности на основе прямых цифровых широкоугольных снимков видимой полусферы неба
Устройство для определения общего балла облачности на основе прямых цифровых широкоугольных снимков видимой полусферы неба
Устройство для определения общего балла облачности на основе прямых цифровых широкоугольных снимков видимой полусферы неба
Устройство для определения общего балла облачности на основе прямых цифровых широкоугольных снимков видимой полусферы неба

 


Владельцы патента RU 2589463:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт океанологии им. П.П. Ширшова Российской академии наук (RU)

Изобретение относится к устройствам для распознавания количества облачности по пространственно-временной структуре излучения в видимой области и может быть использовано при морских наблюдениях общего балла облачности видимой полусферы неба. Устройство для определения общего балла облачности содержит систему регистрации данных в виде цифровой камеры с широкоугольным объективом, блока контроля положения системы регистрации, включающий трехосевой датчик ускорения свободного падения, трехосевой датчик вращения и датчик географического положения, блок управления регистрацией и обработки данных. Блок управления регистрацией данных связан цифровыми линиями связи с системой регистрации данных и с блоком контроля положения, последние жестко соединены между собой с образованием единой установки наружного монтажа. Цифровая камера закреплена на корпусе блока контроля положения системы регистрации, который выполнен в виде мини-компьютера в компактном ударопрочном пыле-влагозащищенном корпусе, а цифровые линии выполнены в виде единого кабеля. Технический результат - повышение достоверности, объективности и точности определения общего балла облачности, и возможность регистрации видимой пространственной структуры облачности в цифровом формате. 7 з.п. ф-лы, 15 ил.

 

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для распознания количества облачности по пространственно временной структуре излучения в видимой области, в частности, при морских наблюдениях общего балла облачности видимой полусферы неба.

Облачность - совокупность облаков, наблюдаемых в определенном месте (или территории) в определенный момент или период времени. Облачность - один из важных факторов, определяющих погоду и климат. Благодаря экранирующему эффекту она препятствует как охлаждению поверхности Земли за счет собственного теплового излучения, так и ее нагреву излучением Солнца, тем самым уменьшая сезонные и суточные колебания температуры воздуха.

При анализе телевизионных снимков не всегда удается точно определить формы морфологической классификации облаков из-за фотографического сходства большинства из них между собой. Поэтому при дешифрировании пользуются условной классификацией, составленной с учетом информативных возможностей фотографии. Выделяются следующие основные типы облачности, каждый из которых может включать в себя не только соответствующие формы морфологической классификации - кучевые, слоистые, перистые и др., но и всевозможные разновидности всех ярусов, создающих на снимках сходный зрительный эффект: перисто-образные, слоистообразные, кучево-образные, кучево-дождевые или мощные кучевые, слоисто-кучевообразные, различные сочетания указанных типов. Кроме основных типов облачности, при дешифрировании определяются границы однородных облачных полей и количество облачности. Границей (контуром) называется линия раздела между полями с различными характеристиками. Контурами очерчиваются районы (поля), однородные по яркости и структуре изображения облачности. Количество облачности характеризует степень (коэффициент) покрытия облаками того или иного участка земной поверхности и определяется отношением (в процентах) площади, занятой облачными элементами внутри контура, ко всей площади, ограниченной контуром.

Известны правила и условия проведения наблюдений за облачностью. При этом на всех основных метеорологических станциях наблюдения производятся вединые синхронные сроки наблюдений: 0, 3, 6, 9, 12, 15, 18 и 21 ч. московского времени. Существенный недостаток этой методики состоит в том, что все наблюдения производятся визуально и, следовательно, обладают низкой точностью, связанной с субъективной оценкой наблюдателем количества облаков. Также предложенная методика подразумевает ведение наблюдений между сроками в условиях быстрого изменения облачности, что или нереально при использовании визуального подхода, или предполагает использование очень больших человеческих ресурсов. Наконец, визуальные наблюдения не дают возможности накопления архивных данных. («Наставления гидрометеорологическим станциям и постам» (выпуск 3, часть 1, Гидрометеоиздат, Ленинград, 1985 г.), глава 16 «Наблюдение за облаками»).

Существенный недостаток этого технического решения состоит в том, что все наблюдения производятся визуально с субъективной оценкой наблюдателя. Также методика подразумевает ведение наблюдений с уменьшенным периодом в условиях быстрого изменения облачности, что подразумевает нерациональное использование трудовых ресурсов. Кроме того, практика визуальных наблюдений не подразумевает возможности накопления архивных данных в виде изображений видимой полусферы неба.

Известно устройство, предназначенное для распознавания форм и количества облачности по ее пространственно-временной структуре излучения в инфракрасной области. Техническим результатом от реализации данного изобретения является повышение быстродействия устройства и возможность регистрации полусферического с перестраиваемым разрешением изображения поля излучения облачности для ее распознавания по пространственной структуре. Устройство распознавания форм облачности содержит радиометр, сканирующую систему, систему регистрации и обработки данных (блок регистрации). Сканирующая система выполнена в виде вращающегося вокруг оптической оси по образующей конуса зеркала с изменяющимся углом между оптической осью и его плоскостью (зенитным углом) и проецирующее на приемное устройство радиометра полусферическое с перестраиваемым угловым разрешением изображение поля излучения облачности, при этом зеркало выполнено с возможностью работы в следующем режиме: осуществляют полное круговое сканирование по азимутальному углу при заданном значении зенитного угла, поэтапно изменяют значение зенитного угла и проводятполное круговое сканирование по азимутальному углу при каждом из вновь установленных значений зенитного угла (RU №2331853).

Недостатками известного устройства являются недостаточные достоверность результатов и надежность в связи с наличием сканирующего устройства, включающего механически вращающиеся детали, и узость функциональных возможностей, обусловленная отсутствием возможности работы в видимом диапазоне излучений при морских наблюдениях общего балла облачности видимой полусферы неба и невозможностью ведения архивной записи облачности в момент наблюдений.

Известно техническое решение (применяемое до настоящего времени на практике) AUTOMATIC TOTAL SKY IMAGER MODEL TSI-880 («Автоматическое устройство съемки небосвода»), http://yesinc.com/products/data/tsi880/tsi-880ds.pdf), описанный, в том числе, в работе S.V. Zuev, A.A. Tikhomirov "Cloudiness monitoring for database of local weather", Proc. SPIE 6160, Twelfth Joint International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics/Atmospheric Physics, 61600U (April 21, 2006); doi:10.1117/12.675238.

Недостатками этого технического решения являются

- низкая степень автоматизации не позволяющая сократить периодичность наблюдения;

- сложность конструкции, предусматривающей наличие систем слежения за положением Солнца;

- значительная погрешность измерения, обусловленная влиянием солнечной засветки, погрешностями слежения за положением Солнца с помощью конструктивно вынесенных систем слежения за положением Солнца и затеняющих его систем, а также субъективной оценкой визуального наблюдения за баллом облачности;

- значительная, - до 25%, погрешность измерения, обусловленная недостаточной достоверностью определения тонкой облачности;

- невозможностью управления режимами съемки в зависимости от положения в пространстве: устройство предназначено для установки на стабилизированной поверхности и не имеет технических средств для отслеживания изменения своего положения в пространстве.

Наиболее близким является известное техническое решение устройство определения общего балла облачности, содержащее широкоугольный объектив с углом поля зрения 180°, приемник излучения и блок хранения регистрации в цифровом виде, причем приемник излучения размещен со стороны, противоположной излучению облачности и выполнен в виде цифрового фотоаппарата, а в фокусе широкоугольного объектива находится матрица цифрового фотоаппарата, подключенного к цифровым входам-выходам блока хранения регистрации, выполненного в виде компьютера. Устройство установлено на судне в месте максимально свободном от затенения надстройками судна. Устройство выполнено с возможностью работы с видимым диапазоном излучения. Компьютер выполнен с установкой времени регистрации меньшей, чем стандартные сроки наблюдений. Устройство выполнено с возможностью сохранения фотографий в графическом формате для хранения фотоизображений и программной обработки пикселей изображения с получением информации о цифровой плотности синего и красного каналов для каждого пикселя (RU 2012108434, прототип).

Недостатками этого решения является значительная погрешность определения общего балла облачности, обусловленная следующими особенностями:

- регистрацией только части информации о цветовых координатах пикселей: красного и синего;

- невозможностью определения местоположения солнечного диска на снимке какми-либо технических средствами, что ведет к ошибочному завышению значения общего балла облачности за счет учета солнечного диска в качестве области, покрытой облаками;

- невозможностью фильтрации солнечной засветки, которая приводит к значительному, до 25%, ложному завышению значения общего балла облачности;

- недостаточной достоверностью определения тонкой облачности, что приводит к ложному занижению значения общего балла облачности;

- невозможностью управления режимами съемки: в условиях использования на судне устройство ведет съемку без привязки к горизонтальному положению камеры, что на этапе анализа снимков приводит к ложному снижению значения общего балла облачности.

Технической задачей изобретения является создание эффективного устройства для определения общего балла облачности на основе прямых цифровых широкоугольных снимков видимой полусферы неба и расширение арсенала устройств для определения общего балла облачности, основанных на оптическом наблюдении пространственно-временной структуры облачности в видимой области спектра.

Техническим результатом изобретения является повышение достоверности, объективности и точности определения общего балла облачного покрытия видимой полусферы неба, и возможность регистрации видимой пространственной структуры облачности в цифровом формате. Полностью исключается влияние солнечной засветки по двум параметрам:

- в плане классификации солнечного диска как области, покрытой облаками;

- в плане классификации частей снимка, засвеченной солнцем, как области,

покрытой облаками.

Кроме того, повышение достоверности, объективности и точности определения общего балла облачности обусловлено полным исключением субъективной оценка при визуальном наблюдении за баллом облачности.

Сущность изобретения состоит в том, что устройство для определения общего балла облачности на основе прямых цифровых широкоугольных снимков видимой полусферы неба содержит систему регистрации данных в виде цифровой камеры с широкоугольным объективом, выполненную с возможностью приема излучения оптического диапазона и блока контроля положения системы регистрации, включающий трехосевой датчик ускорения свободного падения, трехосевой датчик вращения и датчик географического положения, а также блок управления регистрацией и обработки данных, выполненный с возможностью обработки получаемых данных и хранения цифровых регистраций информации о закрытых и незакрытых облачностью участках видимой полусферы небосвода, при этом блок управления регистрацией данных связан цифровыми линиями связи с системой регистрации данных и с блоком контроля положения, которые жестко соединены между собой с образованием единой установки наружного монтажа.

Предпочтительно, система регистрации выполнена в виде цифровой камеры с разрешением 1920×1920рх, углом зрения около 180°, стандарта высокой четкости, с широкоугольным объективом типа «рыбий глаз», в фокусе широкоугольногообъектива размещена матрица цифровой камеры, подключенной цифровыми линиями к блоку управления регистрацией данных.

Причем установка наружного монтажа выполнена без выступающих и подвижных частей, при этом цифровая камера закреплена непосредственно на корпусе блока контроля положения системы регистрации, выполненном, например, в виде мини-компьютера в компактном ударопрочном пыле- влагозащищенном корпусе, а цифровые линии выполнены в виде единого кабеля.

Кроме того, установка наружного монтажа снабжена монтажной пластиной и средствами крепления к лееру верхней палубы морского судна в месте, максимально свободном от затенения надстройками судна.

Предпочтительно, блок управления регистрацией и обработки данных выполнен в виде персонального компьютера, содержащего систему хранения данных и систему управления регистрацией данных.

При этом блок управления регистрацией и обработки данных выполнен с возможностью приема данных положения и пространственной ориентации системы регистрации, управления режимами работы системы регистрации данных по результатам анализа ее положения и пространственной ориентации, приема снимков видимой полусферы неба с системы регистрации данных по цифровой линии связи и подавления солнечной засветки.

Одновременно блок управления регистрацией и обработки данных выполнен с возможностью хранения цифровых фотографий, программной обработки пикселей изображения с получением информации о цветовых координатах в цветовом пространстве RGB для каждого пикселя и разделением точек полученного поля индекса степени серости на три класса: «ОТКРЫТОЕ НЕБО», «ОБЛАКО» и «НЕ УЧАСТВУЕТ» для определения общего процента облачного покрытия и структуры облачности.

На чертеже фиг. 1 изображена принципиальная схема устройства для определения общего балла облачности на основе прямых цифровых широкоугольных снимков облачности, на фиг. 2 - внешний вид установки наружного монтажа, закрепленной на леере верхней палубы исследовательского судна, на фиг. 3 - общая блок-схема алгоритма оценки общего балла облачности по изображению верхней видимой полусферы неба, на фиг. 4 - пример регистрации структуры облачности, на фиг. 5 -примеры регистрации структуры облачности, в том числе в сложных метеоусловиях.

На чертежах обозначены блок 1 - установка наружного монтажа, блок 2 контроля положения системы 3 регистрации данных (цифровая камера 3 с широкоугольным объективом типа «рыбий глаз»), цифровые линии 4, 5 связи, блок 6 управления и обработки, выполненный в виде мини-компьютера в компактном ударопрочном пыле- влагозащищенном корпусе.

Конструктивно система 3 регистрации данных (цифровая камера) и блок 2 контроля положения системы регистрации выполнены заодно - в виде единой установки 1 - установки наружного монтажа (Фиг. 2). Установка 1 наружного монтажа выполнена без выступающих движущихся или статических частей, в ударопрочном корпусе. Цифровые линии 4, 5 связи конструктивно выполнены в виде единого кабеля. Установка 1 наружного монтажа, кабель цифровых линий 4, 5 связи и соединительные элементы выполнены с соблюдением стандарта пыле- и влагозащиты IP-67.

Устройство для определения общего балла облачности на основе прямых цифровых широкоугольных снимков видимой полусферы неба функционирует следующим образом.

Цифровой камерой 3 с широкоугольным объективом осуществляется прием излучения видимого оптического диапазона.

Широкоугольный объектив камеры 3 собирая излучение с видимой полусферы неба путем системы линз, находящихся в нем, проецирует видимую картину на поверхность (матрицу) приемника (цифровой камеры 3). Управление камерой 3 производится через цифровые входы-выходы блока 6, цифровые снимки видимой (верхней) полусферы неба поступают на блок 6. Камера 3 делает обычную цветную фотографию, которую сохраняет в один из популярных графических форматов, применяемый для хранения фотоизображений - JPEG. Структура файла формата JPEG позволяет легко программно работать по отдельности с каждым пикселем изображения и получать цветовые координаты в пространстве RGB (рекомендации Международного союза электросвязи №ITU-Rec.709) для каждого пикселя.

Использование широкоугольного объектива камеры 3 позволяет отказаться от механических перемещений камеры 3, как приемника излучения, и выполнить жесткую привязку полусферической пространственной структуры к линии горизонта. Это повышает надежность устройства в плавании, в полевых условиях, так как в ней нет подвижных элементов конструкции. Используется камера 3, выдающая снимки существенно более высокого разрешения: 1920×1920рх впредлагаемом изобретении против 512×582рх и 640×480рх в различных известных аналогах. Такое существенно повышенное разрешение снимков позволяет достигнуть достаточной точности определения расположения солнечного диска на снимке.

Блок 2 контроля положения системы 3 регистрации с помощью датчиков (трехосевой датчик ускорения свободного падения, трехосевой датчик вращения и датчик географического положения) обеспечивает получение реальных данных о местоположении (данные геолокации, точное время) и ориентации в пространстве системы 3 регистрации данных и установки 1 наружного монтажа в целом.

Поскольку конструктивно блок 2 контроля положения системы регистрации и цифровая камера 3 представляют собой единую установку 1 наружного монтажа, это позволяет принимать данные о местоположении и ориентации в пространстве блока 2 контроля положения системы регистрации за данные о местоположении и ориентации в пространстве всей установки 1 в целом.

Блок 6 управления и обработки работает в соответствии с блок-схемой, приведенной на фиг. 3 и выполняет функции:

- приема данных положения и пространственной ориентации системы регистрации;

- управления режимами работы системы регистрации данных по результатам анализа ее географического положения и пространственной ориентации;

- приема снимков видимой полусферы неба с системы регистрации данных по цифровой линии связи;

- обработки полученных снимков для определения общего процента облачного покрытия и структуры облачности;

- организации хранения полученных данных: цифровых снимков и результатов анализа снимков.

Оценка общего балла облачности осуществляется блоком 6 управления и обработки автоматически по набору статистических характеристик приходящего видимого излучения. Для проведения оценки разработан новый алгоритм обработки снимков верхней полусферы неба, обладающий точностью, значительно превышающей точность известных и распространенных алгоритмов.

В алгоритме оценки общего балла облачности используется индекс степени серости точки, определяемый по формуле:

где R,G,B - компоненты цифрового представления цвета точки в цветовом пространстве стандарта RGB (рекомендации Международного союза электросвязи №ITU-Rec.709), Y - общая яркость точки, а выражение StdDev(a,b,c,d,...) означает вычисление стандартного отклонения для ряда величин, передаваемых этой функции в качестве аргументов.

Блок алгоритма, определяющий наличие, местоположение и размер солнечного диска на изображении, выполнен в двух вариациях, которые выбираются автоматически:

- при наличии данных о географическом положении и ориентации системы регистрации данных;

- при отсутствии данных о географическом положении и ориентации системы регистрации данных.

Такая вариативность обеспечивает бесперебойную работу алгоритма оценки балла облачности в том числе при сбоях блока контроля положения системы регистрации.

Использование индекса степени серости позволяет повысить надежность детектирования структуры облачности, особенно в условиях тонкой облачности и низкой освещенности. Это, в свою очередь, позволяет увеличить точность оценки общего балла облачности в наиболее широком диапазоне освещенности и погодных условий как на суше, так и при применении изобретения в условиях метеостанции на борту судна.

Оценка необходимости применения подавления солнечной засветки производится исходя из наличия солнечного диска на полученном снимке и оценки искажений, вносимых влиянием солнечной засветки в поле индекса степени серости. Сама процедура подавления солнечной засветки предполагает:

- определение положения и размера солнечного диска на изображении;

- определение численных параметров влияния солнечной засветки на поле индекса степени серости;

- вычитание аддитивной составляющей искажений, вносимых солнечной засветкой в поле индекса степени серости и компенсация искажений, внесенных в значения индекса степени серости.

Применение, в случае необходимости, схемы подавления солнечной засветки позволяет увеличить точность оценки общего балла облачности как за счет исключения области расположения самого солнечного диска из числа классифицируемых как «ОБЛАКО», так и за счет компенсации влияния засветки на остальных участках снимка.

Кроме того, применение в блоке 6 схемы подавления солнечной засветки позволяет избежать использования конструктивно вынесенных систем слежения за положением Солнца и затеняющих его систем. Это позволяет значительно уменьшить габариты установки 1 наружного монтажа, а также избежать наличия выступающих и подвижных частей.

Данные, которые в режиме реального времени регистрируются блоком 2 контроля положения, передаются для обработки по цифровой линии 4 связи в блок 6 управления и обработки; управление регистрирующей системой производится по цифровой линии 5 связи с блока 6 управления и обработки.

Оценка общего балла облачности производится разделением точек полученного поля индекса степени серости на три класса: «ОТКРЫТОЕ НЕБО», «ОБЛАКО» и «НЕ УЧАСТВУЕТ». Точки, не принимаемые во внимание при оценке балла облачности, лежат за пределами области проекции видимой области на матрицу камеры и определяются геометрически на первоначальном этапе анализа изображения. Для каждого типа цифровой камеры, используемой в системе регистрации данных, проводятся предварительные исследования, которые позволяют определить значение GrIxm, используемое для классификации точек поля индекса степени серости на классы «ОТКРЫТОЕ НЕБО» и «ОБЛАКО». Значением по умолчанию, дающим наиболее точную оценку общего балла облачности для любых типов цифровых камер, является GrIxm=0.1

Точки поля, подчиняющиеся условию GrIx≥GrIxm, классифицируются как «ОБЛАКО», остальные участвующие в классификации точки классифицируются как «ОТКРЫТОЕ НЕБО». Общий балл облачности вычисляется целой частью отношения количества точек, классифицированных как «ОБЛАКО» к общему количеству точек, участвующих в оценке, умноженного на 10:

Приведение к целочисленному результату по шкале от 0 до 10 используется, поскольку согласно методике наблюдения за облаками «Количество облаков (облачность) оценивается в баллах; 1 балл составляет 0,1 часть всего небосвода».

Использование блока 2 контроля положения системы регистрации позволяет выполнить жесткую привязку регистрируемой полусферической пространственной структуры к линии горизонта, что повышает надежность системы в полевых условиях, особенно в условиях наблюдений на борту судна.

В примере регистрации структуры облачности на фиг. 4 представлен цифровой снимок верхней полусферы неба в видимой области спектра (слева).

Фиг. 4 представляет собой цветной снимок верхней видимой полусферы неба в оптическом диапазоне. Основная полезная часть снимка представляет собой цветной круг, вписанный в квадрат видимой области изображения. Область изображения, лежащая за пределами этого круга, не содержит полезной информации и заполнена черным цветом. Полезная область снимка изображает состояние небосвода на момент съемки, представляет собой голубой круг с белыми и серыми различной яркости облаками, белым пятном, представляющим солнечный диск, и некоторыми различных цветов объектами, являющимися отображением корабельных надстроек, попавших в поле зрения камеры. Изображение соответствует визуальному восприятию видимой полусферы неба наблюдателем;

- иллюстрация определения расположения и размера солнечного диска (в центре) - представляет собой затемненную копию оригинального снимка с ярко выделенным небольшим белым кругом, отмечающим положение и размер автоматически определенного диска солнца;

- иллюстрация классификации точек снимка. Представляет собой трехцветное изображение, по размеру полностью соответствующее оригинальному снимку. Основная область, содержащая полезную информацию, представляет собой круг, вписанный в квадрат видимой области изображения. Области изображения, лежащие за пределами этого круга, не имеют практического применения при анализе изображения, и обозначены черным цветом. Полезная часть изображения заполнена синим цветом в местах, идентифицированных как открытое небо, и белым цветом в местах, соответствующих наличию облаков на оригинальном изображении.

На фиг. 5 представлены изображения: оригинальное (цифровой снимок верхней полусферы неба в видимой области спектра) - слева, иллюстрация классификации точек снимка по алгоритму, используемому в предлагаемом изобретении (в центре), иллюстрация классификации точек снимка по алгоритму, используемому в применяемом до настоящего времени на практике известном устройстве AUTOMATIC TOTAL SKY IMAGER (справа). Условные цветовые обозначения классифицированных точек: черный - «НЕ УЧАСТВУЕТ», синий - «ОТКРЫТОЕ НЕБО», белый - «ОБЛАКО».

Каждый из примеров 1-11 представлен на фиг. 5 тремя изображениями:

- (слева) цветной снимок верхней видимой полусферы неба в оптическом диапазоне. Основная полезная часть снимка представляет собой цветной круг, вписанный в квадрат видимой области изображения. Область изображения, лежащая за пределами этого круга, не содержит полезной информации и заполнена черным цветом. Полезная область снимка изображает состояние небосвода на момент съемки, представляет собой голубой круг с белыми и серыми различной яркости облаками, белым пятном, представляющим солнечный диск, и некоторыми различных цветов объектами, являющимися отображением корабельных надстроек, попавших в поле зрения камеры. Изображение соответствует визуальному восприятию видимой полусферы неба наблюдателем;

- (в центре) объективная картина результата классификации точек оригинального изображения на классы: «ОБЛАКО», «ОТКРЫТОЕ НЕБО» и «НЕ УЧАСТВУЕТ», с использованием заявленного устройства. Представляет собой синий круг полезной области снимка, вписанный в черный квадрат видимой области изображения. На полезной области снимка белым цветом отмечены различного размера и формы пространственные структуры, определенные как облака;

- (справа) объективная картина результата классификации точек оригинального изображения на классы: «ОБЛАКО», «ОТКРЫТОЕ НЕБО» и «НЕ УЧАСТВУЕТ», с использованием устройства-аналога TSI-880. Представляет собой синий круг полезной области снимка, вписанный в черный квадрат видимой области изображения. На полезной области снимка белым цветом отмечены различного размера и формы пространственные структуры, определенные как облака.

Приведенные на Фиг. 5 результаты показывают очевидное превосходство предлагаемого в изобретении алгоритма оценки общего балла облачности по сравнению с используемыми в существующих системах. Для наглядности можно привести среднюю величину отклонения а также среднеквадратичное отклонение результата каждого из алгоритмов от визуальной оценки наблюдателем.

Исходя из приведенных результатов, можно установить, что:

- алгоритм, разработанный для использования в предлагаемом изобретении, представляет результаты, в подавляющем большинстве случаев отличающиеся от оценки наблюдателя не более чем на 5%;

- при этом повсеместно внедряемые алгоритмы, в базе своей имеющие аналоги используемому в AUTOMATIC TOTAL SKY IMAGER, дают оценку, статистически отличающуюся от оценки наблюдателя почти на 30%.

Исполнение установки 1 наружного монтажа в виде единого элемента без выступающих и подвижных частей позволяет значительно повысить безопасность эксплуатации изобретения в условиях наблюдений на борту судна и в полевых условиях любого типа.

В совокупности эти конструктивные особенности позволяют получать данные, необходимые для определения расположения диска солнца на снимке без использования устройства затенения солнца. Устранение влияния засветки в дальнейшем производится блоком 6 в процессе обработки изображения, с использованием данных о местоположении и ориентации в пространстве системы регистрации данных.

Устройство способно вести полностью автоматическое наблюдение и расчет общего балла облачности. В условиях быстроизменяющейся облачности устройство способно вести наблюдения с минимальными периодами (значительно меньшими, чем предписано в программе работы метеостанции). Устройство способно вести архив наблюдений пространственно-временной структуры облачности для повышения достоверности и точности определения общего балла облачности, в том числе для последующего анализа истории наблюдений. Устройство характеризуется повышенной точностью за счет гарантированного распознавания тонкой облачности как в условиях представленного на снимке солнечного диска, так и в его отсутствие; а также за счет использования схемы подавления влияния солнечной засветки.

В целом имеет место:

- автоматизация метеорологических измерений общего балла облачности по пространственно-временным и частотным характеристикам рассеяния излучения в видимой области спектра;

- повышение объективности и точности результатов измерений общего балла облачности;

- повышение уровня надежности и безопасности процедуры проведения наблюдений в полевых условиях повышенной опасности, какими является, например, наблюдения на борту исследовательского судна;

- использование полностью автоматического устройства для определения общего балла облачности.

Предлагаемое изобретение создано в действующем макете, апробировано в натурных условиях. Получены результаты, подтверждающие получение указанного технического результата.

1. Устройство для определения общего балла облачного покрытия, содержащее систему регистрации данных в виде цифровой камеры с широкоугольным объективом, выполненную с возможностью приема излучения оптического диапазона и блока контроля положения системы регистрации, включающего трехосевой датчик ускорения свободного падения, трехосевой датчик вращения и датчик географического положения, а также блок управления регистрацией и обработкой данных, выполненный с возможностью обработки получаемых данных и хранения цифровых регистрации информации о закрытых и незакрытых облачностью участках видимой полусферы небосвода, при этом блок управления регистрацией данных связан цифровыми линиями связи с системой регистрации данных и с блоком контроля положения последней, выполненным в виде мини-компьютера в ударопрочном, пыле-влагозащищенном корпусе, на котором жестко закреплена система регистрации данных с образованием тем самым единой установки наружного монтажа, снабженной средствами крепления.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что система регистрации выполнена в виде цифровой камеры с разрешением 1920×1920 рх, стандарта высокой четкости, с широкоугольным объективом типа «рыбий глаз».

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что в фокусе широкоугольного объектива размещена матрица цифровой камеры, подключенной цифровыми линиями к блоку управления регистрацией данных.

4. Устройство по любому из пп. 1-3, отличающееся тем, что установка наружного монтажа выполнена без выступающих и подвижных частей, а цифровые линии выполнены в виде единого кабеля.

5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что установка наружного монтажа снабжена монтажной пластиной и выполнена со средствами крепления к лееру верхней палубы морского судна в месте, максимально свободном от затенения надстройками судна.

6. Устройство по любому из пп. 1-3, 5, отличающееся тем, что блок управления регистрацией и обработкой данных выполнен в виде персонального компьютера.

7. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что блок управления регистрацией и обработки данных выполнен с возможностью приема данных положения и пространственной ориентации системы регистрации, управления режимами работы системы регистрации данных по результатам анализа ее положения и пространственной ориентации, приема снимков видимой полусферы неба с системы регистрации данных по цифровой линии связи и подавления солнечной засветки.

8. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что блок управления регистрацией и обработки данных выполнен с возможностью хранения цифровых фотографий, программной обработки пикселей изображения с получением информации о цветовых координатах в цветовом пространстве RGB для каждого пикселя и разделением точек полученного поля на три класса: «ОТКРЫТОЕ НЕБО», «ОБЛАКО» и «НЕ УЧАСТВУЕТ» для определения общего процента облачного покрытия и структуры облачности.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области экологии, а именно к дистанционным методам мониторинга природных сред и к санитарно-эпидемиологическому контролю промышленных регионов.
Изобретение относится к сфере космических исследований. Осуществляют распыление водяного пара в атмосфере Марса.
Изобретение относится к сфере космических исследований и технологий и может быть использовано для изучения вулканического состояния Марса. На Марсе осуществляют вскрытие бурением закупоренных фумарол.
Изобретение относится к системам освещения ледовой обстановки и предотвращения воздействия ледовых образований на морские объекты хозяйственной деятельности.

Изобретение относится к области гидрометеорологии и может быть использовано для прогнозирования штормовых подъемов уровней воды или наводнений. Сущность: создают архив наводнений (дата-уровень) за максимально возможный период.

Изобретение относится к способам исследований атмосферных электрических полей. Сущность: осуществляют мониторинг характеристик рассеянного атмосферой поляризованного солнечного света в плоскости, нормальной к вектору, ориентированному от контролируемой области пространства в направлении на Солнце.

Изобретение относится к области океанографии и может быть использовано для определения характеристик поверхностных морских течений. Сущность: двухполяризационные радиолокационные изображения трансформируют в два новых изображения, которые несут информацию о спектре коротких Брэгговских волн и обрушений ветровых волн.

Изобретение относится к области физики атмосферы и атмосферного электричества и может быть использовано для обнаружения когерентных турбулентных структур приземной атмосферы и определения их пространственно-временных масштабов.

Изобретение относится к области дистанционного мониторинга природной среды и касается способа определения объема выбросов в атмосферу от природных пожаров. Способ включает синхронную съемку поверхности установленными на космическом носителе цифровой видеокамерой и гиперспектрометром, выделение методами пространственного дифференцирования функции яркости видеоизображения контура пожара, калибровку яркости пикселей внутри контура, расчет по измерениям гиперспектрометра концентрации вредных выбросов от пожара по эталонному затуханию дважды прошедшего атмосферу светового луча в полосе поглощения кислорода 761…767 нм и его затуханию в видимом диапазоне.

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для оценки интегральной влажности атмосферы над океаном. Сущность: получают значения радиояркостных температур по четырем радиометрическим каналам, имеющим частоты 18,7 ГГц и 36,5ГГц горизонтальной поляризации и 23,8 ГГц вертикальной и горизонтальной поляризаций.

Изобретение относится к области гляциологии и может быть использовано для коррекции результатов реечных снегомерных наблюдений на эффект оседания снежной толщи. Сущность: измеряют длину снегомерной рейки перед установкой ее в снежную толщу. Измеряют превышение рейки над снегом сразу после установки. Вычисляют глубину заглубления рейки. Устанавливают рядом с основной рейкой дополнительную рейку таким образом, чтобы глубина ее основания была как можно меньше. Определяют с помощью точного уровня вертикальное положение реек относительно друг друга. Повторно определяют относительное вертикальное положение реек спустя достаточно большой промежуток времени. Рассчитывают величину поправки на прирост высоты снежной толщи, равную опусканию дополнительной рейки относительно основной рейки. Технический результат: упрощение и повышение точности коррекции. 1 ил.
Наверх