1. Fallbeispiel: Meteorologische Überwachung und Frühwarnung in Städten
(I) Projekthintergrund
Bei der meteorologischen Überwachung in einer australischen Großstadt stößt die herkömmliche Ausrüstung zur Beobachtung von Wolkensystemveränderungen, Niederschlagsgebieten und -intensität an ihre Grenzen und kann den hohen Anforderungen der Stadt an einen präzisen Wetterdienst nur schwer gerecht werden. Insbesondere bei plötzlich auftretenden schweren Gewittern ist es unmöglich, rechtzeitig und genau Frühwarnungen auszugeben, was ein erhebliches Risiko für die Stadtbevölkerung, den Verkehr und die öffentliche Sicherheit darstellt. Um die Leistungsfähigkeit der meteorologischen Überwachung und Frühwarnung zu verbessern, haben die zuständigen Behörden Himmelskameras eingeführt.
(II) Lösung
In verschiedenen Bereichen der Stadt, wie beispielsweise an meteorologischen Beobachtungsstationen, auf den Dächern von Hochhäusern und an anderen offenen Standorten, sind zahlreiche Himmelskameras installiert. Diese Kameras erfassen mit Weitwinkelobjektiven Himmelsbilder in Echtzeit und analysieren mithilfe von Bilderkennungs- und -verarbeitungstechnologien Dicke, Zuggeschwindigkeit und Entwicklungstrend von Wolken. Diese Daten werden mit Daten von Wetterradar und Satellitenbildern kombiniert. Die Daten werden an das städtische Wetterüberwachungs- und Frühwarnsystem angeschlossen, um eine kontinuierliche Überwachung rund um die Uhr zu gewährleisten. Sobald Anzeichen für ungewöhnliches Wetter erkannt werden, gibt das System automatisch Frühwarnungen an die zuständigen Behörden und die Öffentlichkeit aus.
(III) Umsetzungseffekt
Nach der Inbetriebnahme des Himmelskamerasystems wurden die Aktualität und Genauigkeit der städtischen Wetterüberwachung und Frühwarnung deutlich verbessert. Bei schweren Gewittern konnten Wolkenentwicklung und -zugbahn zwei Stunden im Voraus präzise überwacht werden, wodurch die städtischen Hochwasserschutz-, Verkehrsumleitungs- und andere Behörden ausreichend Zeit zum Reagieren hatten. Im Vergleich zu früher stieg die Genauigkeit der Wetterwarnungen um 30 %, und die Zufriedenheit der Bevölkerung mit den Wetterdiensten erhöhte sich von 70 % auf 85 %. Dadurch konnten wirtschaftliche Schäden und Opferzahlen durch Wetterkatastrophen wirksam reduziert werden.
2. Fallstudie zur Gewährleistung der Flugsicherheit an Flughäfen
(I) Projekthintergrund
Beim Starten und Landen von Flügen an einem Flughafen im Osten der USA haben tiefliegende Wolken, die Sichtweite und andere meteorologische Bedingungen einen großen Einfluss. Die ursprüngliche meteorologische Überwachungsausrüstung ist nicht präzise genug, um die Wetterveränderungen in einem kleinen Gebiet um den Flughafen zu erfassen. Bei tiefliegenden Wolken, Nebel und anderen Wetterbedingungen ist es schwierig, die Sicht auf der Start- und Landebahn genau einzuschätzen. Dies erhöht das Risiko von Flugverspätungen, -ausfällen und sogar Unfällen und beeinträchtigt somit die Betriebseffizienz des Flughafens und die Flugsicherheit. Um diese Situation zu verbessern, hat der Flughafen ein Himmelskamerasystem installiert.
(II) Lösung
Hochpräzise Himmelskameras sind an beiden Enden der Start- und Landebahn sowie an wichtigen Standorten in der Umgebung installiert, um meteorologische Elemente wie Wolken, Sichtweite und Niederschlag über und um den Flughafen in Echtzeit zu überwachen und zu analysieren. Die von den Kameras aufgenommenen Bilder werden über ein spezielles Netzwerk an die meteorologische Leitstelle des Flughafens übertragen und mit Daten anderer meteorologischer Geräte kombiniert, um eine Karte der Wetterlage im Flughafengebiet zu erstellen. Sobald die Wetterbedingungen die kritischen Werte für Start und Landung erreichen oder überschreiten, gibt das System umgehend Warnmeldungen an die Flugsicherung, Fluggesellschaften usw. aus und liefert so eine Entscheidungsgrundlage für die Flugleitung und die Flugplanung.
(III) Umsetzungseffekt
Nach der Installation des Himmelskamerasystems hat sich die Überwachungsfähigkeit des Flughafens bei komplexen Wetterbedingungen deutlich verbessert. Bei tief hängenden Wolken und Nebel lässt sich die Sichtweite der Start- und Landebahn genauer einschätzen, wodurch Start- und Landeentscheidungen fundierter und besser durchdacht werden können. Die Flugverspätungsrate sank um 25 % und die Anzahl der wetterbedingten Flugausfälle um 20 %. Gleichzeitig wurde die Flugsicherheit effektiv erhöht, wodurch die Sicherheit der Passagiere und der reibungslose Flughafenbetrieb gewährleistet werden.
3. Fallstudie zur Unterstützung astronomischer Beobachtungen
(I) Projekthintergrund
Bei astronomischen Beobachtungen an einer Sternwarte in Island wird die Durchführung stark von Wetterfaktoren, insbesondere von der Bewölkung, beeinflusst, was den Beobachtungsplan erheblich beeinträchtigt. Traditionelle Wettervorhersagen sind schwierig, kurzfristige Wetteränderungen am Beobachtungsort präzise vorherzusagen. Dies führt dazu, dass die Beobachtungsausrüstung oft ungenutzt bleibt, die Effizienz der Beobachtungen sinkt und der Fortschritt der wissenschaftlichen Forschung behindert wird. Um die Effektivität der astronomischen Beobachtungen zu verbessern, verwendet die Sternwarte ein Himmelsbildgerät.
(II) Lösung
Die Himmelskamera ist im Freien der Sternwarte installiert, um Himmelsbilder in Echtzeit aufzunehmen und die Wolkenbedeckung zu analysieren. Durch die Anbindung an die astronomischen Beobachtungsgeräte startet diese automatisch, sobald die Kamera eine geringe Wolkendichte im Beobachtungsgebiet und geeignete Wetterbedingungen feststellt. Bei zunehmender Wolkenbildung oder anderen ungünstigen Wetterbedingungen wird die Beobachtung umgehend abgebrochen und eine Frühwarnung ausgegeben. Gleichzeitig werden die Himmelsbilddaten langfristig gespeichert und analysiert. Die Wetterveränderungen an den Beobachtungspunkten werden zusammengefasst und dienen als Grundlage für die Erstellung von Beobachtungsplänen.
(III) Umsetzungseffekt
Nach der Inbetriebnahme des Himmelskamerasystems erhöhte sich die effektive Beobachtungszeit der Sternwarte um 35 %, und die Auslastung der Beobachtungsausrüstung verbesserte sich deutlich. Forscher können nun geeignete Beobachtungsmöglichkeiten zeitnaher nutzen, qualitativ hochwertigere astronomische Beobachtungsdaten gewinnen und neue wissenschaftliche Erkenntnisse in der Sternentwicklung und Galaxienforschung erzielen, was die Entwicklung der astronomischen Forschung maßgeblich gefördert hat.
Das Himmelsbildgerät erfüllt seine Funktion durch das Sammeln, Verarbeiten und Analysieren von Himmelsbildern. Ich werde Ihnen detailliert erläutern, wie Bilder aufgenommen, meteorologische Elemente analysiert und Ergebnisse ausgegeben werden – sowohl aus Sicht der Hardware als auch des Softwarealgorithmus – und Ihnen das Funktionsprinzip erklären.
Das Himmelsbildgerät überwacht hauptsächlich die Himmelsbedingungen und meteorologischen Elemente mittels optischer Bildgebung, Bilderkennung und Datenanalyse. Sein Funktionsprinzip ist wie folgt:
Bildaufnahme: Die Himmelskamera ist mit einem Weitwinkel- oder Fischaugenobjektiv ausgestattet, das Panoramaaufnahmen des Himmels mit einem größeren Sichtwinkel ermöglicht. Der Aufnahmebereich mancher Geräte erreicht sogar 360°-Ringaufnahmen, um Details wie Wolken und Himmelsleuchten vollständig zu erfassen. Das Objektiv bündelt das Licht auf den Bildsensor (z. B. CCD- oder CMOS-Sensor), der das Lichtsignal in ein elektrisches oder digitales Signal umwandelt, um die erste Bildaufnahme abzuschließen.
Bildvorverarbeitung: Das aufgenommene Originalbild kann Probleme wie Rauschen und ungleichmäßige Beleuchtung aufweisen, weshalb eine Vorverarbeitung erforderlich ist. Bildrauschen wird mittels Filteralgorithmus entfernt, und Bildkontrast und Helligkeit werden durch Histogrammausgleich und andere Methoden angepasst, um die Klarheit von Objekten wie Wolken im Bild für die nachfolgende Analyse zu verbessern.
Wolkenerkennung und -identifizierung: Bilderkennungsalgorithmen analysieren vorverarbeitete Bilder und identifizieren Wolkenbereiche. Gängige Methoden sind Schwellwertsegmentierungsalgorithmen, die geeignete Schwellenwerte festlegen, um Wolken anhand von Unterschieden in Graustufen, Farbe und anderen Merkmalen vom Hintergrund zu trennen, sowie maschinelle Lernalgorithmen, die mit einer großen Menge an annotierten Himmelsbildern trainiert werden, um dem Modell die charakteristischen Wolkenmuster beizubringen und so Wolken präzise zu identifizieren.
Meteorologische Elementanalyse:
Berechnung der Wolkenparameter: Nach der Identifizierung der Wolken werden Parameter wie Wolkendicke, Fläche, Zuggeschwindigkeit und -richtung analysiert. Durch den Vergleich von zu verschiedenen Zeitpunkten aufgenommenen Bildern wird die Positionsänderung der Wolken berechnet und daraus Zuggeschwindigkeit und -richtung abgeleitet. Die Wolkendicke wird anhand der Graustufen- oder Farbinformationen der Wolken im Bild in Kombination mit dem atmosphärischen Strahlungstransmissionsmodell geschätzt.
Sichtweitenbeurteilung: Die atmosphärische Sichtweite wird anhand der Klarheit, des Kontrasts und anderer Merkmale entfernter Szenen im Bild in Kombination mit dem atmosphärischen Streumodell geschätzt. Sind die entfernten Szenen im Bild unscharf und der Kontrast gering, ist die Sichtweite schlecht.
Beurteilung von Wetterphänomenen: Neben Wolken können Himmelskameras auch andere Wetterphänomene erkennen. Beispielsweise lässt sich durch die Analyse von Regentropfen, Schneeflocken und anderen Lichtreflexionen im Bild feststellen, ob Niederschlag zu erwarten ist. Anhand der Himmelsfarbe und der Lichtveränderungen kann zudem die Erkennung von Wetterphänomenen wie Gewittern und Nebel unterstützt werden.
Datenverarbeitung und -ausgabe: Die analysierten meteorologischen Elementdaten wie Wolken und Sichtweite werden integriert und in Form von visuellen Diagrammen, Datenberichten usw. ausgegeben. Einige Himmelsbildkameras unterstützen auch die Datenfusion mit anderen meteorologischen Überwachungsgeräten (wie Wetterradaren und Wetterstationen), um umfassende meteorologische Informationsdienste für Anwendungsszenarien wie Wettervorhersage, Flugsicherheit und astronomische Beobachtung bereitzustellen.
Wenn Sie mehr über die Funktionsweise eines bestimmten Himmelsbildgeräts oder über die Unterschiede in der Funktionsweise verschiedener Gerätetypen erfahren möchten, können Sie mich gerne kontaktieren.
Honde Technology Co., LTD.
Tel.: +86-15210548582
Email: info@hondetech.com
Unternehmenswebsite:www.hondetechco.com
Veröffentlichungsdatum: 19. Juni 2025