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該儀器是一種用于云圖獲取、拼接、處理和云的定量分析與云狀分類識別的重要?dú)庀髢x器。該設(shè)備通過實(shí)測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)識別天空中云的狀態(tài)和趨勢，自動(dòng)避光連續(xù)拍攝將圖片進(jìn)行無縫拼接并自動(dòng)編號歸類，實(shí)現(xiàn)全天空云圖觀測自動(dòng)化，代替目前的人工觀測?？朔绥R像法鏡頭和太陽遮擋對圖像的損傷，魚眼鏡頭產(chǎn)生的圖像畸變和無法單獨(dú)保存重點(diǎn)圖像的缺陷。儀器主要包括云臺、圖像采集裝置、圖像處理與拼接軟件、圖像識別軟件和通信系統(tǒng)等5部分。

一、總體設(shè)計(jì)方案
(1)云臺
單片機(jī)(PIC)控制兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)，經(jīng)機(jī)械傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)相機(jī)按照預(yù)設(shè)的范圍定時(shí)定方位拍攝。通過對采集的圖片運(yùn)用特殊的圖像處理方法進(jìn)行拼接，實(shí)現(xiàn)對全天空云圖的準(zhǔn)備描述。
(2)圖像采集裝置
在單片機(jī)控制下按照規(guī)定方位進(jìn)行拍攝云圖，一次連續(xù)拍攝12幅圖，通過控制發(fā)給步進(jìn)電機(jī)分配器的頻率脈沖實(shí)現(xiàn)。
(3)圖像處理與拼接軟件：對拍攝的云圖進(jìn)行預(yù)處理和拼接
(4)圖像識別軟件：云圖拼接完成以后，通過與圖庫中云的樣圖進(jìn)行比對，根據(jù)特征識別出云狀等信息并進(jìn)行歸類。
(5)通信系統(tǒng)：負(fù)責(zé)把采集的圖像傳輸給計(jì)算機(jī)共處理、拼接和模式識別，目前采用的是有線連接。
地基全天空自動(dòng)成像儀的硬件部分主要分為機(jī)械部分和電氣部分。
二、技術(shù)要點(diǎn)與計(jì)算關(guān)鍵
(1) 圖像采集及拼接【附加材料 圖二-拼接算法】
①理論基礎(chǔ)與實(shí)現(xiàn)步驟(圖5)
規(guī)定一個(gè)相機(jī)的初始掃描位置，并在此基礎(chǔ)上使相機(jī)繞坐標(biāo)原點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對各區(qū)域天空的掃描拍照。
②算法實(shí)現(xiàn)：求圖像上的任意一點(diǎn)(Po)的方位角和仰角， 然后以圖像中心為基準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)每個(gè)像素的映射。
第一步：求Po點(diǎn)的坐標(biāo)：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：求圖像上任意像元 P的坐標(biāo)
Px=Pox+Opo?tan∠MOP
Py=Poy+Opo?tan∠NOPo?cos∠GoEoO
Pz=(OP?OP-Pox?Px-Poy?Py)/Poz
第三步：實(shí)現(xiàn)映射(圖27)
③采集路徑規(guī)劃【附加材料 圖三-采集路徑規(guī)劃】
為了讓相機(jī)避開正對太陽，我們準(zhǔn)備通過相機(jī)所在區(qū)域的太陽運(yùn)行軌跡和時(shí)間關(guān)系，計(jì)算出拍攝時(shí)的太陽方位，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避讓。在做避讓路徑規(guī)劃中，需對太陽的運(yùn)動(dòng)軌跡、地球的自轉(zhuǎn)與時(shí)差、太陽高度角隨著地方時(shí)和太陽的緯度的變化規(guī)律等進(jìn)行討論。
(2) 圖像識別
①地基云圖的紋理特征參數(shù)提取
②基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和基于最小分類器的兩種不同分類方法，并對兩種分類識別方法做了對比。
(3)多特征融合分類
①多特征提取
②分類器選擇。
③基于投票系統(tǒng)的多特征融合方法。
④上位機(jī)程序界面【附加材料 圖四-界面程序】

第十二屆“挑戰(zhàn)杯”作品 三等獎(jiǎng)
一、考核應(yīng)用與鑒定證明
中國氣象局氣象探測綜合試驗(yàn)基地、大氣物理與大氣環(huán)境重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室（2011年6月4日）
二、評價(jià)證明
省氣象局觀測與網(wǎng)絡(luò)處（2011年4月10日）
三、論文
The Time-Frequency Resolution of Short Time Fourier Transform Based on Multi-window Functions；Advanced Materials Research Vol. 214 (2011) pp 122-127?（EI）。