ЭКСПРЕСС - МЕТОД НАЗЕМНОГО МОНИТОРИНГА ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ОБЛАЧНОГО ПОКРОВА


https://doi.org/10.21822/2073-6185-2019-46-3-116-128

Полный текст:


Аннотация

Цель. В работе предлагается методика, позволяющая при минимуме программно-аппаратных затрат путем наземных видеонаблюдений и контроля относительной влажности определять основные типы облаков и параметры облачного покрова (высоту нижней границы, направления и скорости перемещения облаков) без привлечения сведений о метеорологической обстановке с официальных источников,  не всегда имеющихся для конкретного места и времени наблюдения.

Метод. В основе метода лежит известная формула Ипполитова, связывающая влажность воздуха на поверхности земли с нижней границей облачности, эмпирические коэффициенты которой зависят  от типа облачного покрова. Для определения этого типа предлагается метод, в основе которого лежит аппроксимация конура облаков эллипсом.

Результат. В качестве дополнительных классификационных признаков используется количество аппроксимирующих эллипсов в кадре изображения, близость их взаимного расположения, доля общей площади, занимаемая ими в кадре, и доля площади, занимаемая самым большим эллипсом. Скорость и направление облаков определяются по смещению общих ключевых точек на кадрах изображения, полученных через небольшой фиксированный интервал времени. Каждая такая точка описывается дескриптором, вычисляемым методом SURF, представленным в открытой библиотеке обработки изображений OpenCV.

Вывод.  Не смотря на простоту программной реализации и используемого аппаратного обеспечения (web-камера, датчик влажности и OEM – одуль Arduino) метод обеспечивает погрешность определения перечисленных параметров в пределах 20%. Основная область применения систем мониторинга, реализованных с его применением – сеть частных автоматических метеостанций, подобных сети Wunderground с целью получения дополнительной информации, которую можно использовать как для повышения точности метеопрогнозов, так и при проведении научных исследований в области метеорологии и климатологии. 


Об авторе

А. Г. Якунин
Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова
Россия

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой информатики, вычислительной техники и информационной безопасности

656038,  г. Барнаул, пр. Ленина, 46г.



Список литературы

1. Крутиков, В. А., Полищук Ю. М. Геоинформационное обеспечение мониторинга окружающей среды и климата // Оптика атмосферы и океана. 2002. №1. С. 12-20

2. Васильев А.В., Мельникова И.Н. Коротковолновое солнечное излучение в атмосфере земли, расчеты, измерения, интерпретация // СПб, Изд-во НИИХ СПбГУ, 2002. 350 с.

3. Nuijens L., Siebesma A.P. Boundary Layer Clouds and Convection over Subtropical Oceans in our Current and in a Warmer Climate //Current Climate Change Reports. 2019. vol.5. No. 2, pp.80-94. DOI: 10.1007/s40641-019-00126-x

4. Yue Q., Kahn B.H., Fetzer E.J. at all. Temporal and Spatial Characteristics of Short-Term Cloud Feedback on Global and Local Interannual Climate Fluctuations from A-Train Observations // Journal of Climate. 2019. vol. 32. No. 6. pp.1875-1893 DOI: 10.1175/JCLI-D-18-0335.1

5. McCoy D.T., Eastman R., Hartmann D. L., Wood R. The change in low cloud cover in a warmed climate inferred from AIRS, MODIS, and ECMWF-Interim reanalysis// J. Climate. 2017. vol. 30, pp.3609-3620. DOI: 10.1175/JCLI-D-150734.1.

6. Абрамович К.Г. Об изменчивости высоты нижней границы облаков //Метеорология и гидрология. – 1968. - № 5. - С.З0-41.

7. Киселев, В.Н., Кузнецов А.Д. Методы зондирования окружающей среды (атмосферы):учеб. издание. - СПб: РГГМУ. - 2004. - 429 с

8. Kumar A., Kim H., Hancke G.P. Environmental Monitoring Systems: A Review// IEEE Sensors Journal.- 2013.- vol.13, № 4. - pp.1329 -1339. DOI: 10.1109/JSEN.2012.2233469

9. Artiola J.F., Pepper I.L., Brusseau M.L. Environmental Monitoring and Characterization. - Academic Press, 2004, 410pp DOI: 10.1016/B978-0-12-064477-3.X5000-0

10. MODIS. Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer URL: https://modis.gsfc.nasa.gov/

11. Yakunin M.A., Yurchenko A.V. MODTRAN5 simulations of responses from MODIS spectroradiometer channels// Technical Physics. 2015. vol. 60, No. 1. рp. 141-144

12. Yakunin M.A. A hybrid method for evaluating absorbed solar energy at the surface level using remote sensing data // Journal of Siberian Federal University. Mathematics & Physics. 2015. vol. 8. №2. pp. 224-229

13. Yakunin M.A, Yakunin A.G., Suchkova L.I., Hussein H.M. Lighting monitoring and its application in the radiation balance research// В сб.: Измерение, контроль, информатизация. Материалы XIV Международной научнотехнической конференции. Барнаул. 2013. С. 24-26.

14. Федорцев Р. В., Каролик Е.П., Кудряшов А.А. Алгоритм расчета высоты нижней границы облаков // Вестник Белорусского национального технического университета: научно-технический журнал. - 2010. - №5. - С. 32-36. URL: https://rep.bntu.by/ bitstream/handle/data/1414/32-36.pdf?sequence=4&isAllowed=y

15. Демин А.В., Константинов К.В. Имитационная модель оптико-электронного измерителя высоты нижней границы облака // В сб. Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. - №2, СПб.: СПбГУ ИТМО, - 2009. - c. 33-38. https://cyberleninka.ru/article/n/imitatsionnaya-model-optiko-elektronnogo-izmeritelya-vysoty-nizhney-granitsyoblaka

16. Атлас облаков / Под ред. А. Х. Хргиана, Н. И. Новожилова. Л.: Гидрометеоиздат. - 1978. - 266 с

17. Патент РФ № 2321029 Способ определения высоты, направления и скорости движения нижней границы облачности / Зуев С. В., опубл.27.03.2008, Бюл. № 9

18. Анискин Л.В., Боровиков А.А., Персин С.М. Исследование изменчивости высоты нижней границы облаков // Труды ГГО. - 1987. - №512. - c. 92-107

19. Голицын Г.С., Руткевич Б.П., Руткевич П.Б. Нижняя граница облачности // В сб. "Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса", вып.3., Т1.- М.: ИКИ РАН. - 2006. – С. 263-269. URL: http://www.iki.rssi.ru/earth/articles06/vol1-263-269.pdf

20. Сучкова Л.И., Хуссейн Х.М., Якунин М.А., Якунин А.Г., Юрченко А.В. Многоточечная система дистанционного мониторинга пространственно-распределенных динамических процессов// Контроль. Диагностика. - 2013. - № 13. - С. 95-101

21. Yakunin A.G., Hussein H.M. Hardware-software and algorithmic provision of multipoint systems for long-term monitoring of dynamic processes // IOP Publishing IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. Series.- 2017. – vol.881. DOI: 90.1088/1742-6596/881/1/012028

22. Hussein Sh. M., Yakunin A.G. Development of a Lossless Data Compression Algorithm for Multichannel Environmental Monitoring Systems//14th International scientific-technical conference on actual problems of electronic instrument engineering (APEIE) – 44894 PROCEEDINGS: Novosibirsk, 2018. - vol.1, part 2. – pp.483-486. Publ.in IEEE Xplore 29 nov. 2018. DOI: 10.1109/APEIE.2018.8546121

23. Патент РФ № 2377612 Моностатический способ определения высоты нижней границы облачности / Зуев С. В., опубл. 27.12.2009, Бюл. № 36

24. Hirsch, E., Agassi, E., and Koren, I.: A novel technique for extracting clouds base height using ground based imaging, Atmos. Meas. Tech., 2011.- vol 4, issue 1, 117-130, DOI: 10.5194/amt-4-117-2011.

25. Сеть персональных метеостанций - https://www.wunderground.com/weatherstation/ overview.asp

26. Wu Z., Xu X., Xia M., Meifang Ma, Li L. Ground-based vision cloud image classification based on extreme learning machine//The Open Cybernetics & Systemics Journal, 2015, 9, 2877-2885DOI: 10.2174/1874110X01509012877URLhttps://pdfs.semanticscholar.org3091/db903893b1ce8edee83ec59dd4b600f4e8fc. pdf

27. Otsu N. A threshold selection method from gray-level histograms// IEEE Trans. Sys., Man., Cyber. : Journal. - 1979. vol. 9. pp. 62-66.

28. Gonzalez R.C., Woods R.E., Digital Image Processing, 4th Edition . Pearson Education Ltd,2018. 1192p

29. Открытая библиотека OpenCV. URL: http://opencv.org

30. Бакут П.А., Колмогоров Г.С., Ворновицкий И.Э. Сегментация изображений: методы выделения границ областей // Зарубежная радиоэлектроника. 1987. № 10. С.25-47.


Дополнительные файлы

Для цитирования: Якунин А.Г. ЭКСПРЕСС - МЕТОД НАЗЕМНОГО МОНИТОРИНГА ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ОБЛАЧНОГО ПОКРОВА. Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. 2019;46(3):116-128. https://doi.org/10.21822/2073-6185-2019-46-3-116-128

For citation: Yakunin A.G. EXPRESS MONITORING OF THE MAIN PARAMETERS OF CLOUDS FROM THE EARTH’S SURFACE. Herald of Dagestan State Technical University. Technical Sciences. 2019;46(3):116-128. (In Russ.) https://doi.org/10.21822/2073-6185-2019-46-3-116-128

Просмотров: 100

Обратные ссылки

  • Обратные ссылки не определены.


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2073-6185 (Print)
ISSN 2542-095X (Online)