بخشی از مقاله
چکیده
شکل ظاهري ابرها براي هواشناسان براي تفسیر پروسه هاي اتمسفر مهم است و ابرها معمولا معرف نوع آب و هواي آینده اند. ابرهاي پایه بر اساس شکل ظاهري و ارتفاعی که شکل می گیرند، مشخص می شوند. از طرف دیگر ابرها در توازن حرارتی و اثر گلخانه اي زمین نیز موثرند. لذا تعیین دقیق وضعیت ابر، یعنی پوشش ابر، ضخامت و نوع آن در هواشناسی و موارد کاربردي مثل رصد، اهمیت ویژه اي دارد. در این کار دستگاهی بنام تمام نگار آسمان طراحی و ساخته شده که می تواند مقدار زیادي از اطلاعات وضعیت ابر را بطور دقیق و عددي اندازه گیري کند و در اختیار هواشناسان قرار دهد.
مقدمه
این یک حقیقت مسلم است که تغییرات آب و هوا اثرات مخربی براي بشر بوجود می آورد. بنابراین پیش بینی و یا تخمین این تغییرات، به منظور انجام واکنش مقتضی اهمیت فوق العاده اي دارد. ابرها مهمترین عامل در بودجه تابشی اتمسفر زمین هستند. از یک سو زمین را با بازتاب تابش خورشیدي سرد نگه می دارند و از سوي دیگر با جذب تابش گرمایی زمین پدیده گلخانه اي بوجود می آورند. حضور متوسط سالانه ابرها در جو باعث شده است که زمین نسبت به جوي بدون ابر 5K خنک تر باشد.[1]
ثابت شده است که بودجه تابشی ابرها به طور قابل ملاحظه اي به نوع آنها بستگی دارد - که انواع مختلف از روي خواص فیزیکی ماکروسکوپی و میکروسکوپی تمیز داده می شوند - . ابرهاي نازك واقع در ارتفاع زیاد باعث گرم شدن زمین می شوند، در حالی که ابرهاي ارتفاع پایین باعث خنک شدن زمین می شوند.[2] از طرفی کاهش 4 درصدي در پوشش ابرهاي ارتفاع پایین، بودجه حرارتی سطح زمین را به همان اندازه تغییر می دهد که دو برابر شدن CO2 در جو.[1] بنابراین وجود خطاهایی هر چند کوچک در تشخیص درصد پوشش و نوع ابر می تواند این داده مهم را براي پیش بینی تغییرات آب و هوا عملا بی ارزش نماید؛ و یا باعث پیش بینی هاي نادرست کلیماتولوژیست ها شود.
به همین منظور اولین نسل ماهواره هاي هواشناسی که پوشش ابر را بررسی می کردند، در سال 1977 به فضا پرتاب شدند. همینطور نسل دوم این ماهواره ها MSG - Meteorological Second Generation - در آگوست 2002 به فضا پرتاب شدند. ولی تصاویر گرفته شده توسط این ماهواره ها، دقت تفکیک فضایی کمی براي ابرها دارند - در حدود - km در حالی که مشاهدات زمینی چه توسط چشم انسان و چه توسط دستگاه، ابرهاي محلی را با دقت تفکیک بالا - در حدود - m ثبت می کنند. بنابراین هم از نظر هواشناسی و هم براي منظورهاي اخترشناسی - نصب تلسکوپ - نیز این مشاهدات انجام شده از سطح زمین بسیار مهم اند.[1]
روش کار
در اینجا یک دستگاه اپتیکی طراحی کرده ایم که با پردازش تصویر می تواند مقدار پوشش و ضخامت ابر و به عبارتی نوع ابر را در اختیار قرار دهد. این دستگاه شامل دو بخش سخت افزار و نرم افزار میباشد. سخت افزار این دستگاه بسیار ساده بوده و مشتمل است بر یک آینه محدب که روي یک پایه قرار دارد و یک دوربین دیجیتالی که توسط میله هایی باریک در فاصله 32cm از آینه واقع است. دوربین رو به آینه قرار دارد و توسط پیچ هایی که به آن متصل است، می توان راستاي دقیق دید دوربین را بر روي آینه تنظیم کرد. آینه محدب دستگاه زاویه اي حدود 70 درجه را از سمت الراس خود پوشش می دهد.
این زاویه به این دلیل 90 درجه نیست که ساختمان ها و کوه ها بخشی از تصویر دوربین را نپوشانند. تکنیک هاي پردازش تصاویر دیجیتال با بیش از 30 سال سابقه در بخش نرم افزار هاي کامپیوتري ، پیشرفت بسیاري کرده اند. هدف این تکنیک ها کاهش عیوب و افزایش کیفیت ظاهري تصاویر، کم کردن حجم ذخیره سازي تصاویر و مهم تر از همه دریافت و درك اطلاعات محیطی از تصویر است. با توجه به سابقه طولانی پردازش تصویر، توابع و عملیات استانداردي به عنوان عملیات پایه بر روي تصاویر تعریف شده اند و این عملیات در زبان هاي برنامه نویسی مختلف به صورت کد هاي آماده موجود می باشند. یکی از قویترین نرم افزارها در زمینه پردازش تصویر، نرم افزار مطلب می باشد که توابع آماده زیادي در اختیار کاربر قرار می دهد که می توان با استفاده از آنها هر نوع پردازشی بر روي تصاویر دیجیتالی انجام داد.
نرم افزار دستگاه تمام نگار آسمان - که با استفاده از نرم افزار مطلب نوشته شده است - اطلاعات مربوط به درصد پوشش ابر و نیز ضخامت ابر را از روي رنگ تصویر گرفته شده توسط دوربین
دیجیتالی، بدست می آورد. تصویر اولیه که نرم افزار از دوربین می گیرد، یک تصویر 24 bit color در اندازه 320x240 pixel می باشد. در مرحله اول، نرم افزار تباین رنگی - - contrast و وضوح این تصویر را افزایش می دهد.
از دیدگاه فیزیکی ایجاد رنگ به سه عامل بستگی دارد که عبارت اند از: - 1 منبع نوري که جسم را روشن می کند، - 2جسم که به وسیله ي منبع نوري روشن می شود؛ و - 3 مشاهده کننده که رنگ را دریافت می کند. در مورد دستگاه تمام نگار آسمان، عوامل اول و سوم - خورشید و - CCD عملا بدون تغییراند ولی عامل دوم - ابرها و آسمان - با توجه به شرایط جوي کاملا متغیر است؛ ولی با این وجود همواره تفاوتی بین رنگ آبی آسمان و رنگهاي سفید و خاکستري ابرها وجود دارد.
همانطور که در شکل - - 2 دیده می شود، وسیله بار جفت شده - CCD - که در دوربین دیجیتالی از آن استفاده می شود، نسبت به چشم حساسیت بسیار بیشتري به طول موج هاي بلند نور دارد. با توجه به نمودارهاي تابش براي انواع مختلف ابرها - شکل - 1 مشاهده می شود که در طول موج هاي نزدیک 1μm که CCD نیز به این ناحیه حساس است، ابرها تابش کمی دارند؛ بنابراین تصویر حاصل از دوربین دیجیتالی دستگاه با توجه به طیف الکترومغناطیسی که پوشش می دهد، تباین بسیار خوبی براي پیکسل هاي مربوط به آسمان، ابر و ابرهاي نازك - haze - دارد.
شکل.1 نمودارهاي حساسیت چشم انسان و دوربین دیجیتالی پردازش تصویر گرفته شده توسط دوربین، در فضاي رنگ RGB انجام می گیرد. همانطور که از نام این فضاي رنگ معلوم است، هر پیکسل از تصویر در این فضا از ترکیب سه شدت رنگهاي قرمز، سبز و آبی ساخته شده است. یعنی پیکسل هاي مربوط به آسمان مؤلفه آبی بیشتري دارند و در پیکسل هاي مربوط به ابرها سه مؤلفه تقریبا یکسان هستند. بنابراین تفاضل بین ارزش مؤلفه هاي آبی و قرمز هر پیکسل معیار مناسبی است براي تشخیص ناحیه هاي مختلف آسمان. از آنجایی که تصویر ارسالی توسط دوربین دیجیتالی یک تصویر مستطیل شکل است، لذا علاوه بر تصویر آینه کناره هاي نگه دارنده آینه نیز در تصویر وجود دارد.
براي جدا کردن تصویر آینه از پس زمینه باید یک تصویر باینري از تصویر اصلی بسازیم که در آن مقدار تمام پیکسل هاي خارج از دایره آینه صفر و مقدار تمام پیکسل هاي درون آینه یک باشد؛ این تصویر باینري را ماسک مینامیم. با استفاده از دو حلقه For تو در تو و یک دستور شرطی براي چک کردن ارزش پیکسل هاي ماسک، عملیات پردازشی و محاسباتی را فقط براي پیکسل هایی از تصویر اصلی انجام می دهیم که در مورد آنها ارزش پیکسل هاي ماسک 1 باشد - یعنی براي محدوده آینه - . اصلاح دیگري که باید روي تصویر انجام گیرد، عبارت است از حذف تصویر پایه ها و خود دوربین از تصویر نهایی. براي این منظور از حل معادله لاپلاس به روش عددي براي ناحیه اي که آنها وجود دارند استفاده می شود.
در این روش ابتدا تصویر رنگی را به یک تصویر gray-scaled تبدیل میکنیم طوریکه هر پیکسل تنها یک ارزش به عنوان شدت داشته باشد. سپس به حل معادله لاپلاس به روش عددي براي مقادیر پیکسل هاي مربوط به تصویر دوربین و پایه هایش و نیز پیکسل هاي مجاور آنها به عنوان شرایط مرزي، می توان به یکنواخت ترین توزیع ارزش ها در این ناحیه دست یافت؛ که این یعنی حذف تصویر دوربین و پایه ها. در واقع در این روش تصویر آن قسمت از آسمان که توسط تصویر دوربین و پایه ها پوشیده شده است را با توجه به تصویر آسمان در نقاط مجاورشان بازسازي می کنیم. نتیجه این فرایند را در شکل 2 می بینیم.
همانطور که ذکر شد با تنظیم مؤلفه هاي RGB در تصویر جدید، رنگ آبی آسمان از رنگ سفید یا تیره ابرها کاملا متمایز می شود. نتیجه این مرحله تصویري است که فقط شامل سه رنگ است: آبی براي آسمان، سفید براي ابرهاي معمولی و زرد براي قسمتهاي نیمه ابري - haze - شکل .3 با انجام این کار تقریبا به هدف خود رسیده ایم. براي محاسبه درصد پوشش ابر و نیز درصد ضخامت ابرها از دو حلقه For تو در تو استفاده می کنیم که با توجه به سایز تصویر نهایی، رنگ تک تک پیکسل هاي تصویر را چک کرده و از روي رنگ آنها تعداد پیکسل هاي سه مؤلفه - آبی، سفید، قرمز - را می شمارد که با استفاده از این اعداد درصد هاي خواسته شده بدست می آیند.
