畢業(yè)答辯：雪龍?zhí)枠O地科考船全天相機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計與研究

1、雪龍?zhí)枠O地科考船全天相機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計與研究畢業(yè)答辯答辯人：崔 順校內(nèi)導(dǎo)師：蘇麗穎 副教授校外導(dǎo)師：崔辰州；許允飛 答辯日期：2019年5月23日目 錄CONTENT01 / 緒論02 / 全天相機(jī)系統(tǒng)硬件設(shè)計03 /全天相機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計04 / 全天空地基云圖數(shù)據(jù)處理05 / 雪龍?zhí)柸煜鄼C(jī)數(shù)據(jù)發(fā)布平臺06 / 總結(jié)與成果 緒 論研究目的及意義全天相機(jī)研究現(xiàn)狀國外研究現(xiàn)狀國內(nèi)研究現(xiàn)狀研究內(nèi)容北京工業(yè)大學(xué)Beijing University of Technology研究目的及意義全天相機(jī)研究現(xiàn)狀國外研究現(xiàn)狀國內(nèi)研究現(xiàn)狀研究內(nèi)容1緒論云量是天文選址需要首先考慮的因素之一。全天相機(jī)是目前國際上測量云

2、量的通行做法，具有自動化觀測、成本低等特點。全天空地基云圖樣例全天觀測設(shè)備1緒論極地科考船雪龍?zhí)栻炞C平臺天文觀測選址一般在高原、極地、沙漠等極端環(huán)境地區(qū)開展，人員的長期值守極其辛苦。目前，還沒有一款能適應(yīng)高寒、高溫、高濕度等極端環(huán)境的無人值守全天相機(jī)系統(tǒng)。研究目的及意義全天相機(jī)研究現(xiàn)狀國外研究現(xiàn)狀國內(nèi)研究現(xiàn)狀研究內(nèi)容設(shè)計搭建一套魯棒性高、適應(yīng)性強(qiáng)、可在惡劣環(huán)境下實現(xiàn)無人值守的全天相機(jī)系統(tǒng)。1緒論CCD相機(jī)和魚眼鏡頭組合如：中國科學(xué)院研制的可見光全天空成像儀（All Sky Imager，ASI）。球面鏡獲取天空鏡像后，使用相機(jī)向下拍攝球面鏡獲取全天空圖像如：美國YANKEE公司研制的全天空成像

3、儀（Total Sky Imager，TSI）。CCD鏡頭旋轉(zhuǎn)掃描拍攝天空并通過拼接得到全天空圖像如：全天紅外云測量系統(tǒng)（WholeSkyInfraredcloudMeasuringSystem，WSIRCMS）。研究目的及意義全天相機(jī)研究現(xiàn)狀國外研究現(xiàn)狀國內(nèi)研究現(xiàn)狀研究內(nèi)容1緒論010203智利阿塔卡瑪?shù)睦箍才良{斯天文臺(Las Campanas Observatory)美國亞利桑那州圖森市霍普金斯山頂?shù)母ダ椎聞趥愃够萜諣柼煳呐_(Fred Lawrence Whipple Observatory)美國亞利桑那州基特峰的基特峰國家天文臺(Kitt Peak National Observat

4、ory)歐洲南方天文臺(European Southern Observatory ，ESO)04研究目的及意義全天相機(jī)研究現(xiàn)狀國外研究現(xiàn)狀國內(nèi)研究現(xiàn)狀研究內(nèi)容硬件細(xì)節(jié)不公開，軟件代碼沒有開放共享。1緒論010203麗江天文觀測站佳能EOS 600D，適馬魚眼鏡頭青海觀測站佳能EOS 600D，適馬魚眼鏡頭，ARM單片機(jī)進(jìn)行控制深圳市天文臺EOS 5D Mark II單反相機(jī)，佳能EF 8mm-15mm F4.0變焦魚眼鏡頭，基于最大類間方差的自適應(yīng)閾值算法研究目的及意義全天相機(jī)研究現(xiàn)狀國外研究現(xiàn)狀國內(nèi)研究現(xiàn)狀研究內(nèi)容功能較為簡單、適應(yīng)性較差，不能快速適應(yīng)新的工作環(huán)境。1緒論研究目的及意義全天

5、相機(jī)研究現(xiàn)狀國外研究現(xiàn)狀國內(nèi)研究現(xiàn)狀研究內(nèi)容系統(tǒng)硬件設(shè)計系統(tǒng)軟件設(shè)計云圖數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)發(fā)布平臺硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計器件選型設(shè)備集成可靠性驗證觀測組件存儲組件維保組件地基云圖數(shù)據(jù)集圖像分類算法分類算法驗證云點識別算法項目展示數(shù)據(jù)展示數(shù)據(jù)下載全天相機(jī)系統(tǒng)硬件設(shè)計硬件設(shè)計方案設(shè)備選型設(shè)備集成可靠性試驗設(shè)備安裝北京工業(yè)大學(xué)Beijing University of Technology2全天相機(jī)系統(tǒng)硬件設(shè)計硬件設(shè)計方案設(shè)備選型設(shè)備集成可靠性試驗設(shè)備安裝主要組成部分： 觀測模塊：魚眼鏡頭+CMOS相機(jī) 控制模塊：工控計算機(jī) 溫控模塊：控溫系統(tǒng) 集成箱體：鋁合金外殼+亞克力防護(hù)罩2全天相機(jī)系統(tǒng)硬件設(shè)計硬件設(shè)計方案設(shè)

6、備選型設(shè)備集成可靠性試驗設(shè)備安裝富士FE185C086HA-1魚眼鏡頭QHY5III174相機(jī)CMOS2.7mm定焦光圈范圍為F1.8-F16可視角度185X185芯片尺寸1/1.2inch有效像素為1936*1216滿阱電荷數(shù)大于32 Ke具有高幀率、低讀出噪聲、高量子效率的特性關(guān)鍵器件選型（魚眼鏡頭、CMOS相機(jī)和工控計算機(jī)）小型化計算單元（NUC，Next Unit of Computing）Intel M系列低功耗CPU、16G運(yùn)行內(nèi)存、512G固態(tài)存儲、Windows 2008 R2操作系統(tǒng)具有功耗低、運(yùn)行速度快、存儲量大、工作性能穩(wěn)定等特點2全天相機(jī)系統(tǒng)硬件設(shè)計硬件設(shè)計方案設(shè)備選型

7、設(shè)備集成可靠性試驗設(shè)備安裝機(jī)體共留有設(shè)備開關(guān)、網(wǎng)絡(luò)接口、電源接口、頂部開口和底部開口5個開放處，設(shè)備開關(guān)、網(wǎng)絡(luò)接口、電源接口均采用了專業(yè)級別的防水元件；頂部開口在安裝亞克力圓頂時，使用了密封膠條進(jìn)行防水處理；底部開口也使用密封膠完全密封。實物圖防水膠圈防水元件2全天相機(jī)系統(tǒng)硬件設(shè)計硬件設(shè)計方案設(shè)備選型設(shè)備集成可靠性試驗設(shè)備安裝低溫(左、-30)，高溫（右、80）測試中全天觀測設(shè)備各項性能變化情況2全天相機(jī)系統(tǒng)硬件設(shè)計硬件設(shè)計方案設(shè)備選型設(shè)備集成可靠性試驗設(shè)備安裝船上設(shè)備模擬圖（紅色位置為安裝位置）支架結(jié)構(gòu)圖和實物圖保證設(shè)備在船上擁有一個相對較高的工作位置，減少周圍設(shè)備對相機(jī)拍攝造成影響。全天相

8、機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計設(shè)計方案觀測組件存儲組件運(yùn)行展示北京工業(yè)大學(xué)Beijing University of Technology3全天相機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計設(shè)計方案觀測組件存儲組件運(yùn)行展示全天觀測設(shè)備軟件體系設(shè)計目的：實現(xiàn)設(shè)備全自動拍攝，數(shù)據(jù)存儲，傳輸。設(shè)計方案：3全天相機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計設(shè)計方案觀測組件存儲組件運(yùn)行展示 觀測組件結(jié)構(gòu)核心算法：比例-積分控制器（PI Controller）圖像計算測光法（不需要額外添加硬件設(shè)備）3全天相機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計設(shè)計方案觀測組件存儲組件運(yùn)行展示多重備份策略的數(shù)據(jù)流向保證全天觀測設(shè)備獲取數(shù)據(jù)的完整性，采取多重備份策略。（傳輸均使用ftp傳輸服務(wù)協(xié)議）3全天相機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計設(shè)

9、計方案觀測組件存儲組件運(yùn)行展示VNC遠(yuǎn)程控制，打開服務(wù)器管理器“全天監(jiān)測服務(wù)”和“ 全天監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)”全天空地基云圖數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)及分類任務(wù)介紹解決方案分類算法模型遷移驗證云量檢測方法驗證及對比分析北京工業(yè)大學(xué)Beijing University of Technology全天空地基云圖數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)及分類任務(wù)介紹解決方案分類算法模型遷移驗證云量檢測方法驗證及對比分析4部分圖像數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)特點：類型豐富、覆蓋性強(qiáng)。存在的問題：在獲取過程，會受到時間、天氣、光照的影響，獲取圖像的內(nèi)容、質(zhì)量差異較大，不利于后期處理。全天空地基云圖數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)及分類任務(wù)介紹解決方案分類算法模型遷移驗證云量檢測方法驗證

10、及對比分析4根據(jù)全天觀測設(shè)備獲取圖像的時間、質(zhì)量、天氣特征劃分后6種類別(a) rain_snow 、(b) dark 、(c) overlight 、(d) bluesky 、(e) cloudimage 、(f) overcast分類任務(wù)目的：實現(xiàn)地基云圖的自動化分類，以達(dá)到去除不可靠圖像（雨露雪、過曝光），區(qū)分圖像場景（夜晚、晴空、多云、少云）。完善全天相機(jī)對數(shù)據(jù)的后處理能力，使全天相機(jī)系統(tǒng)具備智能分類功能。數(shù)據(jù)種類：數(shù)據(jù)量：overlight（1124張）、 overcast（1128張）、rain_snow（1117張）、cloudimage（1115張）、dark（1119張）、b

11、luesky（557張）。全天空地基云圖數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)及分類任務(wù)介紹解決方案分類算法及效果模型遷移驗證云量檢測方法驗證及對比分析4方案流程：圖像特征復(fù)雜，難以人工提取特征，所以選擇使用深度學(xué)習(xí)方法，從而實現(xiàn)特征的自動提取。ROI cropData augmentationNormalization下一頁Hypothesis全天空地基云圖數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)及分類任務(wù)介紹解決方案分類算法及效果模型遷移驗證云量檢測方法驗證及對比分析4將1000625大小的圖像，以圖像中心為基準(zhǔn)進(jìn)行裁剪，去掉兩端無關(guān)信息，得到800625的輸出圖像。圖像裁剪全天空地基云圖數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)及分類任務(wù)介紹解決方案分類算法及效果模型遷

12、移驗證云量檢測方法驗證及對比分析4對訓(xùn)練集圖像做偏移處理，分別以右下、右上、中心、左下、左上為坐標(biāo)端點，裁剪大小為700*550pi區(qū)域，再通過左右翻轉(zhuǎn)操作，將數(shù)據(jù)擴(kuò)充10倍。數(shù)據(jù)增強(qiáng)全天空地基云圖數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)及分類任務(wù)介紹解決方案分類算法及效果模型遷移驗證云量檢測方法驗證及對比分析4標(biāo)準(zhǔn)化處理：可以降低輸入圖像的冗余性，去除輸入特征間的相關(guān)性，使網(wǎng)絡(luò)對圖片的動態(tài)范圍變化不敏感。公式如下：全天空地基云圖數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)及分類任務(wù)介紹解決方案分類算法模型遷移驗證云量檢測方法驗證及對比分析4卷積操作最大池化和平均池化示意圖RELU激活函數(shù)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)全天空地基云圖數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)及分類

13、任務(wù)介紹解決方案分類算法模型遷移驗證云量檢測方法驗證及對比分析4驗證集的精確率，召回率，和F1-Score全天空地基云圖數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)及分類任務(wù)介紹解決方案分類算法模型遷移驗證云量檢測方法驗證及對比分析4麗江天文觀測站全天空地基云圖拍攝時間：2016年11月26日到2016年12月26日。數(shù)據(jù)量：5807張圖像，overlight（614張）、 overcast（115張）、rain_snow（46張）、 cloudimage（321張）、dark（4257張）、 bluesky（454張）。單張圖像分辨率： 720480。全天空地基云圖數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)及分類任務(wù)介紹解決方案分類算法模型遷移驗證云量

14、檢測方法驗證及對比分析4麗江數(shù)據(jù)集的精確率，召回率，和F1-Score對圖像進(jìn)行裁剪以及標(biāo)準(zhǔn)化處理等操作，輸入之前訓(xùn)練好的模型中，獲得分類結(jié)果。全天空地基云圖數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)及分類任務(wù)介紹解決方案分類算法模型遷移驗證云量檢測方法驗證及對比分析4固定閾值法將藍(lán)色通道亮度和紅色通道亮度的比值作為判斷云的灰度特征，并使用經(jīng)驗閾值對特征值進(jìn)行判別，完成目標(biāo)（云）和背景（天空）的區(qū)分。k-means算法隨機(jī)選擇k個點作為聚類中心，k為分類數(shù)目。對整個樣本空間進(jìn)行遍歷，每個樣本值劃分給距離最近的中心點。分別計算每個聚類的均值并將計算得出的k個均值作為新的聚類中心。重復(fù)第二步到第三步，當(dāng)中心點不再發(fā)生變化或執(zhí)行

15、了足夠多的迭代次數(shù)，停止迭代過程，得出分類結(jié)論。選取Th為目標(biāo)與背景的分割閾值后，分別計算整幅圖像前景點和背景點的個數(shù)、灰度值總和，并通過下述公式，計算得到前景和背景圖像的方差g。最大類間方差云量檢測算法全天空地基云圖數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)及分類任務(wù)介紹解決方案分類算法模型遷移驗證云量檢測方法驗證及對比分析4未處理云量適中云量較少云量較多原始圖像模板圖像添加模板后圖像模板法去除圖像中無效信息k-means聚類法固定閾值法自適應(yīng)閾值法其中白色代表云，藍(lán)色代表天空雪龍?zhí)柸煜鄼C(jī)數(shù)據(jù)發(fā)布平臺平臺總體設(shè)計技術(shù)及開發(fā)環(huán)境平臺首頁數(shù)據(jù)展示界面數(shù)據(jù)下載界面北京工業(yè)大學(xué)Beijing University of Tec

16、hnology雪龍?zhí)柸煜鄼C(jī)數(shù)據(jù)發(fā)布平臺平臺總體設(shè)計技術(shù)及開發(fā)環(huán)境平臺首頁數(shù)據(jù)展示界面數(shù)據(jù)下載界面5設(shè)計結(jié)構(gòu)：主要功能：為相關(guān)科研人員提供便捷查詢，查看，下載數(shù)據(jù)的功能。雪龍?zhí)柸煜鄼C(jī)數(shù)據(jù)發(fā)布平臺平臺總體設(shè)計技術(shù)及開發(fā)環(huán)境平臺首頁數(shù)據(jù)展示界面數(shù)據(jù)下載界面5Django開源的web開發(fā)框架，使用python語言編寫，擁有用戶多、第三方庫豐富、開發(fā)文檔詳細(xì)完善等優(yōu)點。MySQL關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。具有免費(fèi)開源、處理大型數(shù)據(jù)、支持常見的SQL語句規(guī)范、軟件小巧、安裝簡單、可移植性高、調(diào)試簡單、與Django框架實現(xiàn)無縫對接等優(yōu)點。Apache一款應(yīng)用廣泛的web服務(wù)器軟件，具有跨平臺、用戶群體廣泛

17、、安全性高等優(yōu)點。其他技術(shù)HTML5、CSS3、JavaScript、Bootstrap、jsp、jQuery、ajax等技術(shù)。開發(fā)及運(yùn)行環(huán)境Windows10操作系統(tǒng)，Inter(R) Core(TM) i5-4210U CPU 1.70GHz，8G內(nèi)存，1000G機(jī)械硬盤，200G固態(tài)硬盤。網(wǎng)站運(yùn)行服務(wù)器：Windows Server 2012 R2操作系統(tǒng)，Inter(R) Xeon(R) E5-2682 v4，4G內(nèi)存，500G機(jī)械硬盤。雪龍?zhí)柸煜鄼C(jī)數(shù)據(jù)發(fā)布平臺平臺總體設(shè)計技術(shù)及開發(fā)環(huán)境平臺首頁數(shù)據(jù)展示界面數(shù)據(jù)下載界面5可通過8:8083/publish/index/進(jìn)行訪問。首頁主

18、要包括全天相機(jī)系統(tǒng)介紹及數(shù)據(jù)介紹:雪龍?zhí)柦榻B項目介紹全天設(shè)備介紹數(shù)據(jù)及平臺介紹部分典型代表圖像展示應(yīng)用設(shè)想數(shù)據(jù)公開聲明致謝數(shù)據(jù)展示網(wǎng)頁和數(shù)據(jù)下載網(wǎng)頁的跳轉(zhuǎn)入口。雪龍?zhí)柸煜鄼C(jī)數(shù)據(jù)發(fā)布平臺平臺總體設(shè)計技術(shù)及開發(fā)環(huán)境平臺首頁數(shù)據(jù)展示界面數(shù)據(jù)下載界面5日歷插件通過jQuary技術(shù)生成點擊放大通過8:8083/publish/display/進(jìn)行訪問，或通過點擊標(biāo)題欄中的數(shù)據(jù)展示選項進(jìn)行跳轉(zhuǎn)。網(wǎng)站初始內(nèi)容：展示界面功能介紹。數(shù)據(jù)圖像。位置信息以及氣象信息。單天展示圖像數(shù)量（小于20張）。位置信息包括UTC時間、經(jīng)度、緯度、航速、航向。氣象信息包括UTC時間、溫度、濕度、氣壓、風(fēng)向、風(fēng)速。雪龍?zhí)柸煜鄼C(jī)數(shù)據(jù)發(fā)布平臺平臺總體設(shè)計技術(shù)及開發(fā)環(huán)境平臺首頁數(shù)據(jù)展示界面數(shù)據(jù)下載界面5可通過8:8083/publish/download/訪問全天