專利名稱：地面拼接云圖觀測設備的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明屬于氣象領域，是一種從地面觀測云的設備，實際使用時架設多個設備，形成觀測網(wǎng)，拼接后獲得連續(xù)云的觀測場。
背景技術(shù)：
很多災害性天氣預報的實際需求大多屬于中小尺度的天氣范疇，現(xiàn)有的常規(guī)觀測站網(wǎng)，基本上按照常規(guī)短期天氣預報所需要的氣象資料的時空分辨率要求設置的，但它不能滿足對中小尺度天氣系統(tǒng)監(jiān)測和甚短期預報的需要。監(jiān)視中尺度天氣的觀測網(wǎng)，應能提供足以描述中尺度天氣系統(tǒng)和災害性天氣過程演變的實況資料，還應能提供制作甚短期預報的中尺度概念模式等預報方法所需的氣象信息，以及中尺度數(shù)值模式所需的初始資料。因此，中尺度天氣監(jiān)測系統(tǒng)的時空分辨率要求與常規(guī)觀測網(wǎng)有很大不同，其探測儀器和設備必須是自動化、遙測化。
“風暴尺度業(yè)務和研究氣象學計劃”(STORM)是美國擬于九十年代執(zhí)行的風暴尺度業(yè)務和研究計劃。為了在美國中部2000×2000(km)2區(qū)域中進行α尺度中分析，并在其中800×800(km)2區(qū)域中進行β尺度中分析，提出了監(jiān)測站網(wǎng)時空分辨率的要求(見表1)。

表1 STORM中尺度觀測網(wǎng)時空分辨率對不同大小的中尺度天氣系統(tǒng)進行觀測的資料更新時間間隔(時間分辨率)也是不同的。對α尺應系統(tǒng)，地面觀測須1小時一次，高空探測是3小時一次。而對β尺度系統(tǒng)，地面觀測要求每5？分鐘一次觀測，高空探測每1小時一次。這種觀測資料的時間間隔的確定，主要考慮所觀測的小尺度天氣系統(tǒng)的生命期長短，同時也考慮與測站水平空間分辨率相匹配，以及資料實時通訊傳遞的能力。
除了常規(guī)氣象觀測設備外，中尺度大氣監(jiān)測網(wǎng)主要是用各種遙感探測設備為甚短期預報員提供高分辨的氣象信息。甚至可以說.甚短期預報的發(fā)展，取決于氣象遙感探測技術(shù)的進步。這里，以美國PROFS在1983年夏季實時預報試驗為例，對各類氣象信息調(diào)取使用的記錄加以說明。
盡管示范區(qū)觀測和預報服務(PROFS)為預報員提供了各種尺度(包括國家尺度、美國中部區(qū)域尺度、東科羅拉多州尺度及局地尺度)的氣象資料和國家產(chǎn)品有108種，但對于丹佛眾氣象臺所關(guān)心的區(qū)域、時效為02小時的強風暴臨近預報(nowcasting)來講，預報員在圖形工作站上實時調(diào)用的產(chǎn)品主要是多普勒大氣雷達產(chǎn)品、靜止氣象衛(wèi)星產(chǎn)品和中尺度地面自動站網(wǎng)產(chǎn)品共17種。這17種產(chǎn)品被調(diào)用次數(shù)占所有產(chǎn)品總調(diào)用次數(shù)的77.5％。表2給出了在同樣尺度的產(chǎn)品中，調(diào)用頻數(shù)超過10％的產(chǎn)品清單。表明預報員在制作臨近預報時，調(diào)用最多的是通過雷達、衛(wèi)星、地基遙感和自氣象信息。而且產(chǎn)品的空間尺度越小，其被調(diào)用的次數(shù)越多。國家尺度的常規(guī)等壓面天氣圖和氣象業(yè)務和服務自動化(AFOS)系統(tǒng)提供的數(shù)值預報產(chǎn)品及診斷分析產(chǎn)品被調(diào)用次數(shù)很少，只有1％和5％。這不是說這類產(chǎn)品不重要，而是因為常規(guī)探空記錄一天只有二次，其時空分辨率都遠不能滿足臨近預報的需要。
除了表2小所列的11種產(chǎn)品外，被預報員調(diào)用次數(shù)較多的產(chǎn)品還有局地尺度(以丹佛市為中心、半徑為150km的區(qū)域)的閃電定位圖，中尺度地面流線圖，CP-2雷達中層反射率圖，中尺度地面觀測的天空狀況圖，丹佛市斯坦?jié)娙R頓機場的大氣廓線儀資料，以及東科羅拉多州尺度的紅外衛(wèi)星云圖等。這些資料和圖像產(chǎn)品中，中尺度地面觀測網(wǎng)和CP-2多普勒天氣雷達是每5分鐘觀測一次，靜止氣象衛(wèi)星GOES是每30分鐘一次。因此，離開這些產(chǎn)品，很難想象預報員是怎樣發(fā)布時效只有一個小時的強風暴警報的。


表2 美國PROFS1983年夏季試驗調(diào)用最多的產(chǎn)品可以看出局地尺度的天氣預報很需要一種比衛(wèi)星云圖分辨率高，觀測時間間隔比衛(wèi)星云圖短，同時又比雷達直觀的觀測產(chǎn)品。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出從地面設置多個攝像設備，組成觀測網(wǎng)絡，將每個攝像設備獲取的圖像實時拼接，形成地面觀測的云圖。同時研究衛(wèi)星云圖于基于地面觀測的拼接云圖研究的結(jié)合?，F(xiàn)在，由于攝像設備成本低廉，通信發(fā)達，可達偏遠地區(qū)，圖像處理技術(shù)快速發(fā)展，因而獲取大規(guī)模的地面云圖用于對衛(wèi)星云圖、雷達圖像的補充成為可能，提供短時高精度的觀測，為甚短時的中小尺度預報提供有價值的資料。
國外在很早就有利用攝像機在地面觀測云的試驗，其主要目的是驗證衛(wèi)星云圖的觀測。Goodman等人(1989年)就使用地面攝像機獲取圖像與衛(wèi)星云圖進行了比對，發(fā)現(xiàn)小尺度的云無法被衛(wèi)星看到，而地面云圖可以看到并提供高精度的云層高度和云量的數(shù)據(jù)，還認為云的短時快速運動可以對不同尺度的地面輻射產(chǎn)生影響，地面云的觀測可以很好的校正衛(wèi)星云圖的誤差。Henderson-Sellers，A.等人(1987年)做相關(guān)試驗，發(fā)現(xiàn)對于總云量，29％的衛(wèi)星云圖與地面觀測完全一致，64％的衛(wèi)星云圖有小于±1okta的誤差；衛(wèi)星云圖中64％的低云量和50％的高云量存在小于±1okta的誤差；在有多層云的情況下，地面觀測可以提供精確的云量估計，可以發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星云圖漏掉的小尺度云，同時可以很好體現(xiàn)出海陸邊界出云的特殊性。第一次國際衛(wèi)星陸面氣候計劃野外試驗(FIFE)中(20世紀90年代)，采用了2個攝像機在地面觀測云，獲取了5661幅圖像，提供云類型、總云量和區(qū)域云量的數(shù)據(jù)，目的是更好地發(fā)現(xiàn)薄卷云、積云，同時評估云對衛(wèi)星數(shù)據(jù)計算輻射通量的影響。
衛(wèi)星云圖的出現(xiàn)極大地推動了天氣預報的理論和業(yè)務的發(fā)展。從衛(wèi)星云圖上可以直觀顯示出很多天氣系統(tǒng)的變化，從而可以有力地輔助天氣預報。同時也可以驗證已有的一些氣象理論的正確性，如氣團鋒面理論。但是衛(wèi)星云圖也有很多不足，如分辨率不夠高，一些中小尺度的云團觀測不到；對低云的觀測容易漏掉、不準確；難以分辨出云和高緯冰雪覆蓋區(qū)的分別；發(fā)布云圖時間間隔長，不能滿足中小尺度系統(tǒng)預報的需求。雷達設備從一定程度上彌補了衛(wèi)星云圖的缺陷，但是雷達圖像不夠直觀。
其創(chuàng)新點是(1)在高云遮擋情況下，得到衛(wèi)星云圖觀測不到的低云；(2)增加了空間分辨率，可以達到數(shù)米以內(nèi)，可觀測到小尺度的云，可以校正衛(wèi)星云圖的誤差；(3)大大縮短了發(fā)圖時間間隔，為甚短期中小尺度預報提供很有價值的數(shù)據(jù)；(4)比較多普勒雷達數(shù)據(jù)則有直觀的優(yōu)勢。
具體實施例方式
設計合理的監(jiān)測網(wǎng)站，選取適當?shù)臄z像設備，光學鏡頭，設計準確的無縫隙拼接數(shù)學模型，最終能夠在自建的試驗場獲取完整的云圖拼圖數(shù)據(jù)。
1、監(jiān)測站網(wǎng)的設計，要求在保證觀測大氣運動必要的時空分辨率前提下，提出經(jīng)濟合理的最佳站網(wǎng)方案。需要考慮大氣運動尺度、觀測高度范圍、地理拼接、觀測誤差、地形分布及其對各種氣象要素局地變化和氣候分布的影響、站址選擇、基建投資及維修費用等因素?，F(xiàn)在國家在各省市鄉(xiāng)鎮(zhèn)架設了很多自動氣象觀測站，本項目的觀測設備可以搭載在這些自動站上。
2、進行光學設計，保證鏡頭可以有180°水平視角的視場范圍，同時盡量減小鏡頭的畸變誤差。
3、無縫隙拼接數(shù)學模型設計，使得各個獨立的攝像機獲取的云圖準確、合理地拼接成為一張全圖或根據(jù)需要拼接的局域全圖。
4、投影設計，云的成像實際上是將球面進行二維平面投影，必須采用適當?shù)耐队胺绞郊饶芊先藢υ朴^測的傳統(tǒng)習慣，又能減少平面投影的誤差。
5、設計適當?shù)臑V波數(shù)學模型，能夠去除原始云圖的噪聲。
6、通過實驗研究硬件的系統(tǒng)誤差變化規(guī)律和修正方法，建立圖像的校正、定標操作規(guī)程。
7、機械設計，確保設備能夠在特殊環(huán)境下正常工作。
8、研制軟件，實現(xiàn)的功能包括圖像采集，去除噪聲，畸變校正，圖像無線傳輸，圖像拼接，圖像輸出和調(diào)用。
9、建立小型試驗場，設立幾臺設備獲取實際基于地面觀測的拼接云圖研究。
權(quán)利要求
1.本發(fā)明提出從地面設置多個攝像設備，組成觀測網(wǎng)絡，將每個攝像設備獲取的圖像實時拼接，形成地面觀測的云圖。同時研究衛(wèi)星云圖于基于地面觀測的拼接云圖研究的結(jié)合?，F(xiàn)在，由于攝像設備成本低廉，通信發(fā)達，可達偏遠地區(qū)，圖像處理技術(shù)快速發(fā)展，因而獲取大規(guī)模的地面云圖用于對衛(wèi)星云圖、雷達圖像的補充成為可能，提供短時高精度的觀測，為甚短時的中小尺度預報提供有價值的資料。創(chuàng)新點是(1)在高云遮擋情況下，得到衛(wèi)星云圖觀測不到的低云；(2)增加了空間分辨率，可以達到數(shù)米以內(nèi)，可觀測到小尺度的云，可以校正衛(wèi)星云圖的誤差；(3)大大縮短了發(fā)圖時間間隔，為甚短期中小尺度預報提供很有價值的數(shù)據(jù)；(4)比較多普勒雷達數(shù)據(jù)則有直觀的優(yōu)勢。
全文摘要
本發(fā)明提出從地面設置多個攝像設備，組成觀測網(wǎng)絡，將每個攝像設備獲取的圖像實時拼接，形成地面觀測的云圖。同時研究衛(wèi)星云圖于基于地面觀測的拼接云圖研究的結(jié)合。提供短時高精度的觀測，為甚短時的中小尺度預報提供有價值的資料。國外在很早就有利用攝像機在地面觀測云的試驗，其主要目的是驗證衛(wèi)星云圖的觀測。但都沒有連成網(wǎng)絡形成大范圍的觀測。本發(fā)明的創(chuàng)新點是(1)在高云遮擋情況下，得到衛(wèi)星云圖觀測不到的低云；(2)增加了空間分辨率，可以達到數(shù)米以內(nèi)，可觀測到小尺度的云，可以校正衛(wèi)星云圖的誤差；(3)大大縮短了發(fā)圖時間間隔，為甚短期中小尺度預報提供很有價值的數(shù)據(jù)；(4)比較多普勒雷達數(shù)據(jù)則有直觀的優(yōu)勢。
文檔編號G01C11/00GK101078778SQ20071020047
公開日2007年11月28日 申請日期2007年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月18日
發(fā)明者劉永祿 申請人:劉永祿