1. Fallbeispiel für städtische Wetterüberwachung und Frühwarnung
(I) Projekthintergrund
Bei der Wetterüberwachung in australischen Großstädten stoßen herkömmliche Wetterbeobachtungsgeräte bei der Überwachung von Wolkenveränderungen, Niederschlagsgebieten und -intensitäten an gewisse Grenzen und können den anspruchsvollen Wetterdienstanforderungen der Stadt kaum gerecht werden. Insbesondere bei plötzlich auftretendem, schwerem konvektiven Wetter ist eine rechtzeitige und präzise Frühwarnung nicht möglich, was ein großes Risiko für das Leben der Stadtbewohner, den Verkehr und die öffentliche Sicherheit darstellt. Um die Wetterüberwachung und Frühwarnung zu verbessern, haben die zuständigen Behörden Himmelskameras eingesetzt.
(II) Lösung
In verschiedenen Bereichen der Stadt, beispielsweise an Wetterstationen, auf Hochhausdächern und an anderen offenen Standorten, sind mehrere Himmelskameras installiert. Diese Kameras erfassen mit Weitwinkelobjektiven in Echtzeit Himmelsbilder und analysieren mithilfe von Bilderkennungs- und -verarbeitungstechnologie Dichte, Bewegungsgeschwindigkeit und Entwicklungstrend der Wolken. Diese Daten werden mit Daten von Wetterradaren und Satellitenbildern der Wolken kombiniert. Die Daten werden mit dem städtischen Wetterüberwachungs- und Frühwarnsystem verknüpft, um eine 24-Stunden-Überwachung zu gewährleisten. Sobald Anzeichen für ungewöhnliches Wetter erkannt werden, sendet das System automatisch Frühwarninformationen an die zuständigen Behörden und die Öffentlichkeit.
(III) Umsetzungswirkung
Nach der Inbetriebnahme des Himmelsbildgebers verbesserten sich die Aktualität und Genauigkeit der städtischen Wetterüberwachung und Frühwarnung deutlich. Bei schweren konvektiven Wetterereignissen wurden Wolkenbildung und -zugbahn zwei Stunden im Voraus präzise überwacht, was dem städtischen Hochwasserschutz, der Verkehrsumleitung und anderen Abteilungen ausreichend Reaktionszeit gab. Im Vergleich zur Vergangenheit hat sich die Genauigkeit der Wetterwarnungen um 30 % verbessert, und die Zufriedenheit der Bevölkerung mit den Wetterdiensten stieg von 70 % auf 85 %, wodurch die wirtschaftlichen Verluste und die Zahl der Opfer durch Wetterkatastrophen effektiv reduziert wurden.
2. Fall zur Gewährleistung der Flugsicherheit am Flughafen
(I) Projekthintergrund
Während Start und Landung von Flügen auf einem Flughafen im Osten der USA haben niedrige Wolken, die Sicht und andere meteorologische Bedingungen großen Einfluss. Die herkömmlichen Wetterüberwachungsgeräte sind nicht präzise genug, um die meteorologischen Veränderungen in einem kleinen Gebiet rund um den Flughafen zu überwachen. Bei niedrigen Wolken, Nebel und anderen Wetterbedingungen ist es schwierig, die Sicht auf der Landebahn genau einzuschätzen, was das Risiko von Flugverspätungen, Flugausfällen und sogar Sicherheitsvorfällen erhöht und die Betriebseffizienz und Flugsicherheit des Flughafens beeinträchtigt. Um diese Situation zu verbessern, setzte der Flughafen einen Himmelskamera-Sensor ein.
(II) Lösung
An beiden Enden der Start- und Landebahn sowie an wichtigen Stellen in der Umgebung sind hochpräzise Himmelskameras installiert, um meteorologische Elemente wie Bewölkung, 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 das Wetterzentrum des Flughafens übermittelt und mit Daten anderer Wettergeräte kombiniert, um eine Wetterlagekarte des Flughafengeländes zu erstellen. Wenn die meteorologischen Bedingungen den kritischen Wert der Start- und Landebedingungen erreichen oder diesen erreichen, sendet das System umgehend Warninformationen an die Flugsicherung, Fluggesellschaften usw. und liefert so eine Entscheidungsgrundlage für die Flugsicherung und die Flugplanung.
(III) Implementierungseffekt
Durch die Installation des Himmelsbildgebers konnte die Überwachung komplexer Wetterbedingungen am Flughafen deutlich verbessert werden. Bei tief hängenden Wolken und Nebel lässt sich die Sichtweite der Start- und Landebahn genauer einschätzen, wodurch Start- und Landeentscheidungen wissenschaftlicher und sinnvoller gestaltet werden können. Die Flugverspätungsrate konnte um 25 % und die Zahl der Flugausfälle aus meteorologischen Gründen um 20 % gesenkt werden. Gleichzeitig wurde die Flugsicherheit effektiv verbessert, wodurch die Reisesicherheit der Passagiere und der normale Flughafenbetrieb gewährleistet werden.
3. Fallstudie zur astronomischen Beobachtung
(I) Projekthintergrund
Bei astronomischen Beobachtungen an einem astronomischen Observatorium in Island wirken sich Wetterfaktoren, insbesondere die Bewölkung, stark auf den Beobachtungsplan aus. Herkömmliche Wettervorhersagen können kurzfristige Wetteränderungen am Beobachtungspunkt nur schwer genau vorhersagen. Dies führt dazu, dass Beobachtungsgeräte oft ungenutzt bleiben und warten müssen. Dies verringert die Beobachtungseffizienz und beeinträchtigt den Fortschritt der wissenschaftlichen Forschungsarbeit. Um die Effektivität astronomischer Beobachtungen zu verbessern, verwendet das Observatorium einen Himmelsbildgeber zur Unterstützung der Beobachtung.
(II) Lösung
Der Himmelsbildgeber wird in einem offenen Bereich des astronomischen Observatoriums installiert, um Himmelsbilder in Echtzeit aufzunehmen und die Wolkenbedeckung zu analysieren. Durch die Verbindung mit astronomischen Beobachtungsgeräten wird die astronomische Beobachtungsausrüstung automatisch zur Beobachtung gestartet, sobald der Himmelsbildgeber erkennt, dass sich im Beobachtungsgebiet weniger Wolken befinden und die Wetterbedingungen geeignet sind. Bei zunehmender Wolkendecke oder anderen widrigen Wetterbedingungen wird die Beobachtung rechtzeitig unterbrochen und eine Frühwarnung ausgegeben. Gleichzeitig werden die Langzeitdaten der Himmelsbilder gespeichert und analysiert. Die Wetteränderungsmuster der Beobachtungspunkte werden zusammengefasst, um eine Referenz für die Ausarbeitung von Beobachtungsplänen zu liefern.
(III) Implementierungseffekt
Nach der Inbetriebnahme des Himmelsbildgebers erhöhte sich die effektive Beobachtungszeit des astronomischen Observatoriums um 35 %, und die Auslastung der Beobachtungsgeräte verbesserte sich deutlich. Forscher können geeignete Beobachtungsmöglichkeiten schneller nutzen, mehr hochwertige astronomische Beobachtungsdaten gewinnen und neue wissenschaftliche Forschungsergebnisse in den Bereichen Sternentwicklung und Galaxienforschung erzielen, was die Entwicklung der astronomischen Forschung nachhaltig fördert.
Der Himmelsbildgeber erfüllt seine Funktion durch das Sammeln, Verarbeiten und Analysieren von Himmelsbildern. Ich werde im Detail analysieren, wie man Bilder erhält, meteorologische Elemente analysiert und Ergebnisse aus den beiden Aspekten der Hardwarezusammensetzung und des Softwarealgorithmus ausgibt, und Ihnen das Funktionsprinzip erklären.
Der Sky Imager überwacht hauptsächlich die Himmelsbedingungen und meteorologischen Elemente durch optische Bildgebung, Bilderkennung und Datenanalysetechnologie. Sein Funktionsprinzip ist wie folgt:
Bildaufnahme: Der Himmelsbildgeber ist mit einem Weitwinkelobjektiv oder einem Fischaugenobjektiv ausgestattet, das Panoramabilder des Himmels mit einem größeren Betrachtungswinkel aufnehmen kann. Der Aufnahmebereich einiger Geräte kann 360°-Ringaufnahmen erreichen, um Informationen wie Wolken und das Leuchten am Himmel 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, sodass eine Vorverarbeitung erforderlich ist. Bildrauschen wird durch einen Filteralgorithmus entfernt, und Bildkontrast und Helligkeit werden durch Histogrammausgleich und andere Methoden angepasst, um die Klarheit von Zielen wie Wolken im Bild für die anschließende Analyse zu verbessern.
Wolkenerkennung und -identifizierung: Verwenden Sie Bilderkennungsalgorithmen, um vorverarbeitete Bilder zu analysieren und Wolkenbereiche zu identifizieren. Gängige Methoden sind Algorithmen auf Basis von Schwellenwertsegmentierung, die geeignete Schwellenwerte festlegen, um Wolken anhand von Unterschieden in Graustufen, Farben und anderen Merkmalen zwischen Wolken und Himmelshintergrund vom Hintergrund zu trennen. Algorithmen auf Basis von maschinellem Lernen trainieren eine große Menge beschrifteter Himmelsbilddaten, damit das Modell die charakteristischen Muster von Wolken erlernen und so Wolken präzise identifizieren kann.
Meteorologische Elementanalyse:
Berechnung der Wolkenparameter: Nach der Identifizierung der Wolken werden Parameter wie Wolkendicke, Fläche, Bewegungsgeschwindigkeit und -richtung analysiert. Durch den Vergleich von Bildern, die zu unterschiedlichen Zeitpunkten aufgenommen wurden, wird die Veränderung der Wolkenposition berechnet und daraus Bewegungsgeschwindigkeit und -richtung abgeleitet. Die Wolkendicke wird anhand der Graustufen- oder Farbinformationen der Wolken im Bild in Kombination mit dem atmosphärischen Strahlungstransmissionsmodell geschätzt.
Sichtbeurteilung: Schätzen Sie die atmosphärische Sicht, indem Sie Klarheit, Kontrast und andere Merkmale entfernter Szenen im Bild analysieren und mit dem atmosphärischen Streumodell kombinieren. Wenn die entfernten Szenen im Bild unscharf sind und der Kontrast gering ist, bedeutet dies, dass die Sicht schlecht ist.
Beurteilung von Wetterphänomenen: Neben Wolken können Himmelsbildgeber auch andere Wetterphänomene erkennen. Durch die Analyse von Regentropfen, Schneeflocken und anderen reflektierten Lichtmerkmalen im Bild lässt sich beispielsweise feststellen, ob Niederschlagswetter vorliegt. Anhand der Farbe des Himmels und der Lichtveränderungen lässt sich feststellen, ob Wetterphänomene wie Gewitter und Nebel vorliegen.
Datenverarbeitung und -ausgabe: Die analysierten meteorologischen Elementdaten wie Wolken und Sichtweite werden integriert und in Form von visuellen Diagrammen, Datenberichten usw. ausgegeben. Einige Himmelsbildgeber 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 Einzelheiten der Funktionsweise eines bestimmten Teils des Himmelsbildgebers oder die Unterschiede in der Funktionsweise verschiedener Gerätetypen erfahren möchten, teilen Sie mir dies bitte mit.
Honde Technology Co., LTD.
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Veröffentlichungszeit: 19. Juni 2025