1. Caso di monitoraggio meteorologico urbano e di allerta precoce
(I) Contesto del progetto
Nel monitoraggio meteorologico di una grande città australiana, le tradizionali apparecchiature di osservazione meteorologica presentano alcune limitazioni nel monitoraggio delle variazioni del sistema nuvoloso, delle aree di precipitazione e dell'intensità, ed è difficile soddisfare le esigenze di servizi meteorologici avanzati della città. Soprattutto in caso di improvvisi e violenti fenomeni convettivi, è impossibile emettere allerte precoci in modo tempestivo e accurato, il che rappresenta un grave rischio per la vita dei residenti urbani, i trasporti e la sicurezza pubblica. Per migliorare la capacità di monitoraggio meteorologico e di allerta precoce, i dipartimenti competenti hanno introdotto delle telecamere celesti.
(II) Soluzione
In diverse aree della città, come stazioni di osservazione meteorologica, tetti di grattacieli e altri luoghi aperti, sono installati diversi sensori per la visione del cielo. Questi sensori utilizzano obiettivi grandangolari per catturare immagini del cielo in tempo reale, utilizzano tecnologie di riconoscimento ed elaborazione delle immagini per analizzare lo spessore, la velocità di movimento, l'andamento dello sviluppo delle nuvole, ecc. e combinarli con dati come radar meteorologici e immagini satellitari delle nuvole. I dati sono collegati al sistema di monitoraggio meteorologico urbano e di allerta precoce per garantire un monitoraggio ininterrotto 24 ore su 24. Una volta rilevati segnali di condizioni meteorologiche anomale, il sistema invia automaticamente informazioni di allerta precoce ai dipartimenti competenti e al pubblico.
(III) Effetto dell'attuazione
Dopo l'entrata in funzione del sistema di imaging del cielo, la tempestività e l'accuratezza del monitoraggio meteorologico urbano e dell'allerta precoce sono notevolmente migliorate. Durante un evento meteorologico convettivo intenso, lo sviluppo e il movimento delle nubi sono stati monitorati con precisione con 2 ore di anticipo, il che ha consentito ai dipartimenti di controllo delle inondazioni, di deviazione del traffico e ad altri dipartimenti cittadini di disporre di un tempo di risposta sufficiente. Rispetto al passato, l'accuratezza degli avvisi meteorologici è aumentata del 30% e la soddisfazione del pubblico nei confronti dei servizi meteorologici è aumentata dal 70% all'85%, riducendo efficacemente le perdite economiche e le vittime causate da disastri meteorologici.
2. Caso di garanzia della sicurezza aerea aeroportuale
(I) Contesto del progetto
Durante il decollo e l'atterraggio dei voli in un aeroporto degli Stati Uniti orientali, le nubi a bassa quota, la visibilità e altre condizioni meteorologiche hanno un impatto notevole. L'attrezzatura di monitoraggio meteorologico originale non è sufficientemente precisa per monitorare i cambiamenti meteorologici in una piccola area intorno all'aeroporto. In caso di nubi basse, nebbia e altre condizioni meteorologiche, è difficile valutare con precisione la visibilità della pista, il che aumenta il rischio di ritardi, cancellazioni e persino incidenti, compromettendo l'efficienza operativa dell'aeroporto e la sicurezza aerea. Per migliorare questa situazione, l'aeroporto ha installato un imager del cielo.
(II) Soluzione
Sistemi di imaging ad alta precisione sono installati a entrambe le estremità della pista dell'aeroporto e in punti chiave circostanti per monitorare e analizzare in tempo reale elementi meteorologici come nuvolosità, visibilità e precipitazioni sopra e intorno all'aeroporto. Le immagini acquisite dal sistema di imaging vengono trasmesse al centro meteorologico dell'aeroporto tramite una rete dedicata e combinate con i dati provenienti da altre apparecchiature meteorologiche per generare una mappa della situazione meteorologica dell'area aeroportuale. Quando le condizioni meteorologiche si avvicinano o raggiungono il valore critico degli standard di decollo e atterraggio, il sistema invia tempestivamente informazioni di allerta al dipartimento di controllo del traffico aereo, alle compagnie aeree, ecc., fornendo una base decisionale per il comando del controllo del traffico aereo e la programmazione dei voli.
(III) Effetto di attuazione
Dopo l'installazione del sistema di imaging del cielo, la capacità di monitoraggio dell'aeroporto in condizioni meteorologiche complesse è stata notevolmente migliorata. In condizioni di bassa nuvolosità e nebbia, la distanza visiva della pista può essere valutata con maggiore precisione, rendendo le decisioni di decollo e atterraggio dei voli più scientifiche e ragionevoli. Il tasso di ritardo dei voli è stato ridotto del 25% e il numero di cancellazioni dei voli per motivi meteorologici è diminuito del 20%. Allo stesso tempo, il livello di sicurezza aerea è stato effettivamente migliorato, garantendo la sicurezza dei passeggeri e il normale funzionamento dell'aeroporto.
3. Caso di ricerca ausiliaria sull'osservazione astronomica
(I) Contesto del progetto
Le osservazioni astronomiche condotte presso un osservatorio astronomico in Islanda sono fortemente influenzate da fattori meteorologici, in particolare dalla copertura nuvolosa, che interferiscono seriamente con il piano di osservazione. Le previsioni meteorologiche tradizionali sono difficili da prevedere con precisione i cambiamenti meteorologici a breve termine nel punto di osservazione, con il risultato che le apparecchiature di osservazione rimangono spesso inattive e in attesa, riducendo l'efficienza delle osservazioni e influenzando il progresso della ricerca scientifica. Per migliorare l'efficacia dell'osservazione astronomica, l'osservatorio utilizza un imager del cielo per assistere le osservazioni.
(II) Soluzione
Il sensore di immagini del cielo è installato in un'area aperta dell'osservatorio astronomico per acquisire immagini del cielo in tempo reale e analizzare la copertura nuvolosa. Collegandosi con l'apparecchiatura di osservazione astronomica, quando il sensore di immagini del cielo rileva che ci sono meno nuvole nell'area di osservazione e le condizioni meteorologiche sono idonee, l'apparecchiatura di osservazione astronomica si avvia automaticamente per l'osservazione; in caso di aumento dello strato di nubi o di altre condizioni meteorologiche avverse, l'osservazione viene sospesa e viene emesso un avviso di allerta precoce. Allo stesso tempo, i dati delle immagini del cielo a lungo termine vengono archiviati e analizzati e i modelli di variazione meteorologica dei punti di osservazione vengono riepilogati per fornire un riferimento per la formulazione di piani di osservazione.
(III) Effetto di attuazione
Dopo l'entrata in funzione dello strumento, il tempo di osservazione effettivo dell'osservatorio astronomico è aumentato del 35% e il tasso di utilizzo delle apparecchiature di osservazione è stato significativamente migliorato. I ricercatori possono cogliere opportunità di osservazione adeguate in modo più tempestivo, ottenere dati di osservazione astronomica di qualità superiore e ottenere nuovi risultati di ricerca scientifica nei campi dell'evoluzione stellare e della ricerca sulle galassie, promuovendo efficacemente lo sviluppo della ricerca astronomica.
Lo strumento di imaging del cielo svolge la sua funzione raccogliendo, elaborando e analizzando le immagini del cielo. Analizzerò in dettaglio come ottenere le immagini, analizzare gli elementi meteorologici e ottenere i risultati dai due aspetti della composizione hardware e dell'algoritmo software, e ne spiegherò il principio di funzionamento.
Lo strumento monitora principalmente le condizioni del cielo e gli elementi meteorologici attraverso tecnologie di imaging ottico, riconoscimento delle immagini e analisi dei dati. Il suo principio di funzionamento è il seguente:
Acquisizione delle immagini: il dispositivo di ripresa del cielo è dotato di un obiettivo grandangolare o fisheye, in grado di catturare immagini panoramiche del cielo con un angolo di visione più ampio. Il raggio di ripresa di alcune apparecchiature può raggiungere i 360°, in modo da catturare informazioni complete come nuvole e bagliori nel cielo. L'obiettivo converge la luce sul sensore di immagine (come un sensore CCD o CMOS), e il sensore converte il segnale luminoso in un segnale elettrico o digitale per completare l'acquisizione iniziale dell'immagine.
Pre-elaborazione dell'immagine: l'immagine originale acquisita potrebbe presentare problemi come rumore e luce non uniforme, pertanto è necessaria una pre-elaborazione. Il rumore dell'immagine viene rimosso tramite un algoritmo di filtraggio, mentre il contrasto e la luminosità dell'immagine vengono regolati tramite equalizzazione dell'istogramma e altri metodi per migliorare la nitidezza di oggetti come le nuvole nell'immagine per l'analisi successiva.
Rilevamento e identificazione delle nuvole: utilizzare algoritmi di riconoscimento delle immagini per analizzare immagini pre-elaborate e identificare le aree nuvolose. I metodi più comuni includono algoritmi basati sulla segmentazione a soglia, che impostano soglie appropriate per separare le nuvole dallo sfondo in base alle differenze di scala di grigi, colore e altre caratteristiche tra nuvole e sfondo del cielo; algoritmi basati sull'apprendimento automatico, che addestrano una grande quantità di dati di immagini del cielo etichettate per consentire al modello di apprendere i pattern caratteristici delle nuvole, identificandole così con precisione.
Analisi degli elementi meteorologici:
Calcolo dei parametri delle nubi: dopo aver identificato le nubi, analizza parametri quali spessore, area, velocità e direzione del movimento. Confrontando immagini scattate in momenti diversi, calcola la variazione di posizione delle nubi e quindi ricava la velocità e la direzione del movimento; stima lo spessore delle nubi in base alle informazioni in scala di grigi o a colori delle nubi nell'immagine, combinate con il modello di trasmissione della radiazione atmosferica.
Valutazione della visibilità: stimare la visibilità atmosferica analizzando la nitidezza, il contrasto e altre caratteristiche delle scene distanti nell'immagine, combinandole con il modello di scattering atmosferico. Se le scene distanti nell'immagine sono sfocate e il contrasto è basso, significa che la visibilità è scarsa.
Valutazione dei fenomeni meteorologici: oltre alle nuvole, gli operatori di imaging del cielo possono identificare anche altri fenomeni meteorologici. Ad esempio, analizzando la presenza di gocce di pioggia, fiocchi di neve e altre caratteristiche di luce riflessa nell'immagine, è possibile determinare se si sta verificando un fenomeno meteorologico da precipitazione; in base al colore del cielo e alle variazioni di luce, è possibile determinare se si stanno verificando fenomeni meteorologici come temporali e nebbia.
Elaborazione e output dei dati: i dati degli elementi meteorologici analizzati, come nuvole e visibilità, vengono integrati e output sotto forma di grafici visivi, report di dati, ecc. Alcuni imager del cielo supportano anche la fusione dei dati con altre apparecchiature di monitoraggio meteorologico (come radar meteorologici e stazioni meteorologiche) per fornire servizi di informazioni meteorologiche completi per scenari applicativi quali previsioni meteorologiche, sicurezza aerea e osservazione astronomica.
Se desiderate saperne di più sui dettagli dei principi di funzionamento di una determinata parte dell'imager del cielo o sulle differenze nei principi dei diversi tipi di apparecchiature, non esitate a contattarmi.
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Data di pubblicazione: 19-06-2025