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1、 雪龙号极地科考船全天相机系统的设计与研究 毕业答辩 CONTENT 01 绪论 02 全天相机系统硬件设计 03 全天相机系统软件设计 04 全天空地基云图数据处理 05 雪龙号全天相机数据发布平台 06 总结与成果 研究目的及意义全天相机研究现状国外研究现状国内研究现状研究内容 研究目的及意义全天相机研究现状国外研究现状国内研究现状研究内容 1 绪论 云量是天文选址需要首先考虑的因素之一 全天相机是目前国际上测量云量的通行做法 具有自动化观测 成本低等特点 全天空地基云图样例 全天观测设备 1 绪论 极地科考船雪龙号 验证平台 天文观测选址一般在高原 极地 沙漠等极端环境地区开展 人员的长
2、期值守极其辛苦 目前 还没有一款能适应高寒 高温 高湿度等极端环境的无人值守全天相机系统 研究目的及意义全天相机研究现状国外研究现状国内研究现状研究内容 设计搭建一套鲁棒性高 适应性强 可在恶劣环境下实现无人值守的全天相机系统 1 绪论 CCD相机和鱼眼镜头组合如 中国科学院研制的可见光全天空成像仪 AllSkyImager ASI 球面镜获取天空镜像后 使用相机向下拍摄球面镜获取全天空图像如 美国YANKEE公司研制的全天空成像仪 TotalSkyImager TSI CCD镜头旋转扫描拍摄天空并通过拼接得到全天空图像如 全天红外云测量系统 WholeSkyInfraredcloudMeas
3、uringSystem WSIRCMS 研究目的及意义全天相机研究现状国外研究现状国内研究现状研究内容 1 绪论 01 02 03 智利阿塔卡玛的拉斯坎帕纳斯天文台 LasCampanasObservatory 美国亚利桑那州图森市霍普金斯山顶的弗雷德 劳伦斯 惠普尔天文台 FredLawrenceWhippleObservatory 美国亚利桑那州基特峰的基特峰国家天文台 KittPeakNationalObservatory 欧洲南方天文台 EuropeanSouthernObservatory ESO 04 研究目的及意义全天相机研究现状国外研究现状国内研究现状研究内容 硬件细节不公开
4、软件代码没有开放共享 1 绪论 01 02 03 丽江天文观测站佳能EOS600D 适马鱼眼镜头 青海观测站佳能EOS600D 适马鱼眼镜头 ARM单片机进行控制 深圳市天文台EOS5DMarkII单反相机 佳能EF8mm 15mmF4 0变焦鱼眼镜头 基于最大类间方差的自适应阈值算法 研究目的及意义全天相机研究现状国外研究现状国内研究现状研究内容 功能较为简单 适应性较差 不能快速适应新的工作环境 1 绪论 研究目的及意义全天相机研究现状国外研究现状国内研究现状研究内容 硬件结构设计器件选型设备集成可靠性验证 观测组件存储组件维保组件 地基云图数据集图像分类算法分类算法验证云点识别算法 项目
5、展示数据展示数据下载 硬件设计方案设备选型设备集成可靠性试验设备安装 2 全天相机系统硬件设计 硬件设计方案设备选型设备集成可靠性试验设备安装 主要组成部分 观测模块 鱼眼镜头 CMOS相机控制模块 工控计算机温控模块 控温系统集成箱体 铝合金外壳 亚克力防护罩 2 全天相机系统硬件设计 硬件设计方案设备选型设备集成可靠性试验设备安装 富士FE185C086HA 1鱼眼镜头 QHY5III174相机 CMOS 2 7mm定焦光圈范围为F1 8 F16可视角度185 X185 芯片尺寸1 1 2inch有效像素为1936 1216满阱电荷数大于32Ke具有高帧率 低读出噪声 高量子效率的特性 关
6、键器件选型 鱼眼镜头 CMOS相机和工控计算机 小型化计算单元 NUC NextUnitofComputing IntelM系列低功耗CPU 16G运行内存 512G固态存储 Windows2008R2操作系统具有功耗低 运行速度快 存储量大 工作性能稳定等特点 2 全天相机系统硬件设计 硬件设计方案设备选型设备集成可靠性试验设备安装 机体共留有设备开关 网络接口 电源接口 顶部开口和底部开口5个开放处 设备开关 网络接口 电源接口均采用了专业级别的防水元件 顶部开口在安装亚克力圆顶时 使用了密封胶条进行防水处理 底部开口也使用密封胶完全密封 实物图 防水胶圈 防水元件 2 全天相机系统硬件设
7、计 硬件设计方案设备选型设备集成可靠性试验设备安装 低温 左 30 高温 右 80 测试中全天观测设备各项性能变化情况 2 全天相机系统硬件设计 硬件设计方案设备选型设备集成可靠性试验设备安装 船上设备模拟图 红色位置为安装位置 支架结构图和实物图 保证设备在船上拥有一个相对较高的工作位置 减少周围设备对相机拍摄造成影响 设计方案观测组件存储组件运行展示 3 全天相机系统软件设计 设计方案观测组件存储组件运行展示 全天观测设备软件体系 设计目的 实现设备全自动拍摄 数据存储 传输 设计方案 3 全天相机系统软件设计 设计方案观测组件存储组件运行展示 观测组件结构 核心算法 比例 积分控制器 P
8、IController 图像计算测光法 不需要额外添加硬件设备 3 全天相机系统软件设计 设计方案观测组件存储组件运行展示 多重备份策略的数据流向 保证全天观测设备获取数据的完整性 采取多重备份策略 传输均使用ftp传输服务协议 3 全天相机系统软件设计 设计方案观测组件存储组件运行展示 VNC远程控制 打开服务器管理器 全天监测服务 和 全天监测数据传输服务 数据及分类任务介绍解决方案分类算法模型迁移验证云量检测方法验证及对比分析 全天空地基云图数据处理 数据及分类任务介绍解决方案分类算法模型迁移验证云量检测方法验证及对比分析 4 部分图像数据 数据特点 类型丰富 覆盖性强 存在的问题 在获
9、取过程 会受到时间 天气 光照的影响 获取图像的内容 质量差异较大 不利于后期处理 全天空地基云图数据处理 数据及分类任务介绍解决方案分类算法模型迁移验证云量检测方法验证及对比分析 4 根据全天观测设备获取图像的时间 质量 天气特征划分后6种类别 a rain snow b dark c overlight d bluesky e cloudimage f overcast 分类任务目的 实现地基云图的自动化分类 以达到去除不可靠图像 雨露雪 过曝光 区分图像场景 夜晚 晴空 多云 少云 完善全天相机对数据的后处理能力 使全天相机系统具备智能分类功能 数据种类 数据量 overlight 11
10、24张 overcast 1128张 rain snow 1117张 cloudimage 1115张 dark 1119张 bluesky 557张 全天空地基云图数据处理 数据及分类任务介绍解决方案分类算法及效果模型迁移验证云量检测方法验证及对比分析 4 方案流程 图像特征复杂 难以人工提取特征 所以选择使用深度学习方法 从而实现特征的自动提取 ROIcrop Dataaugmentation Normalization 下一页 Hypothesis 全天空地基云图数据处理 数据及分类任务介绍解决方案分类算法及效果模型迁移验证云量检测方法验证及对比分析 4 将1000 625大小的图像 以
11、图像中心为基准进行裁剪 去掉两端无关信息 得到800 625的输出图像 图像裁剪 全天空地基云图数据处理 数据及分类任务介绍解决方案分类算法及效果模型迁移验证云量检测方法验证及对比分析 4 对训练集图像做偏移处理 分别以右下 右上 中心 左下 左上为坐标端点 裁剪大小为700 550pi区域 再通过左右翻转操作 将数据扩充10倍 数据增强 全天空地基云图数据处理 数据及分类任务介绍解决方案分类算法及效果模型迁移验证云量检测方法验证及对比分析 4 标准化处理 可以降低输入图像的冗余性 去除输入特征间的相关性 使网络对图片的动态范围变化不敏感 公式如下 全天空地基云图数据处理 数据及分类任务介绍解
12、决方案分类算法模型迁移验证云量检测方法验证及对比分析 4 卷积操作 最大池化和平均池化示意图 RELU激活函数 卷积神经网络理论 卷积神经网络结构 全天空地基云图数据处理 数据及分类任务介绍解决方案分类算法模型迁移验证云量检测方法验证及对比分析 4 验证集的精确率 召回率 和F1 Score 全天空地基云图数据处理 数据及分类任务介绍解决方案分类算法模型迁移验证云量检测方法验证及对比分析 4 丽江天文观测站全天空地基云图 拍摄时间 2016年11月26日到2016年12月26日 数据量 5807张图像 overlight 614张 overcast 115张 rain snow 46张 clo
13、udimage 321张 dark 4257张 bluesky 454张 单张图像分辨率 720 480 全天空地基云图数据处理 数据及分类任务介绍解决方案分类算法模型迁移验证云量检测方法验证及对比分析 4 丽江数据集的精确率 召回率 和F1 Score 对图像进行裁剪以及标准化处理等操作 输入之前训练好的模型中 获得分类结果 全天空地基云图数据处理 数据及分类任务介绍解决方案分类算法模型迁移验证云量检测方法验证及对比分析 4 固定阈值法 将蓝色通道亮度和红色通道亮度的比值作为判断云的灰度特征 并使用经验阈值对特征值进行判别 完成目标 云 和背景 天空 的区分 k means算法 随机选择k个
14、点作为聚类中心 k为分类数目 对整个样本空间进行遍历 每个样本值划分给距离最近的中心点 分别计算每个聚类的均值并将计算得出的k个均值作为新的聚类中心 重复第二步到第三步 当中心点不再发生变化或执行了足够多的迭代次数 停止迭代过程 得出分类结论 选取Th为目标与背景的分割阈值后 分别计算整幅图像前景点和背景点的个数 灰度值总和 并通过下述公式 计算得到前景和背景图像的方差g 最大类间方差 云量检测算法 全天空地基云图数据处理 数据及分类任务介绍解决方案分类算法模型迁移验证云量检测方法验证及对比分析 4 未处理 云量适中 云量较少 云量较多 原始图像 模板图像 添加模板后图像 模板法 去除图像中无
15、效信息 k means聚类法 固定阈值法 自适应阈值法 其中白色代表云 蓝色代表天空 平台总体设计技术及开发环境平台首页数据展示界面数据下载界面 雪龙号全天相机数据发布平台 平台总体设计技术及开发环境平台首页数据展示界面数据下载界面 5 设计结构 主要功能 为相关科研人员提供便捷查询 查看 下载数据的功能 雪龙号全天相机数据发布平台 平台总体设计技术及开发环境平台首页数据展示界面数据下载界面 5 Django开源的web开发框架 使用python语言编写 拥有用户多 第三方库丰富 开发文档详细完善等优点 MySQL关系型数据库管理系统 具有免费开源 处理大型数据 支持常见的SQL语句规范 软件
16、小巧 安装简单 可移植性高 调试简单 与Django框架实现无缝对接等优点 Apache一款应用广泛的web服务器软件 具有跨平台 用户群体广泛 安全性高等优点 其他技术HTML5 CSS3 JavaScript Bootstrap jsp jQuery ajax等技术 开发及运行环境Windows10操作系统 Inter R Core TM i5 4210UCPU 1 70GHz 8G内存 1000G机械硬盘 200G固态硬盘 网站运行服务器 WindowsServer2012R2操作系统 Inter R Xeon R E5 2682v4 4G内存 500G机械硬盘 雪龙号全天相机数据发布平台 平台总体设计技术及开发环境平台首页数据展示界面数据下载界面 5 可通过http 47 93 115 68 8083 publish index 进行访问 首页主要包括全天相机系统介绍及数据介绍 雪龙号介绍项目介绍全天设备介绍数据及平台介绍部分典型代表图像展示应用设想数据公开声明致谢数据展示网页和数据下载网页的跳转入口 雪龙号全天相机数据发布平台 平台总体设计技术及开发环境平台首页数据展示界面数
