CN104702841A - 实时低空气象情报图片采集处理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一套实时低空气象情报图片采集处理系统，属于航空气象工作领域。该系统包括图片采集系统，图片处理系统，气象情报发布Web服务器。其中：图片采集系统主要用于自动定时拍摄周围环境的照片，并将拍摄照片及其时间和地点信息通过无线通信设备传送到布设于低空航行情报服务部门的图片处理系统；图片处理系统将采集到的图片及其相关信息进行处理，生成可发布的气象情报信息；气象情报发布Web服务器主要为通航用户提供以图片为主的相关空域的低空气象情报信息的咨询、查询和提交服务。本发明是以图片形式为通航飞行提供实时低空空域能见度、天气状况信息服务的集成了图片拍摄、传输、处理和气象情报发布功能的信息系统。

Description

实时低空气象情报图片采集处理系统

技术领域

本发明涉及一种实时低空气象情报图片采集处理系统，属于航空气象工作领域。

背景技术

低空空域具有极大的社会价值和经济价值，一直以来，各界为中国开放低空空域做出很多努力。2010年，国务院、中央军委印发了《关于深化我国低空空域管理改革的意见》，我国低空空域开始分阶段逐步开放，并在全国范围内推行低空空域改革。2013年5月工业和信息化部发布了《民用航空工业中长期发展规划(2013-2020年)》(以下简称《规划》)，这是建国以来第一部由国家发布的民用航空工业发展规划。《规划》中将“积极发展通用航空产业”和“加快发展航空设备、系统及相关产业”均作为重点领域和任务，其中“大力发展通用航空特种任务系统和设备”是“加快发展航空设备、系统”的一项重要内容。

低空空域通常是指真高3000米以下的空域。在低空空域中进行的飞行活动主要是通用航空飞行。通航飞行主要致力于在工业、农林、旅游业、娱乐业、体育赛事、救灾救援等领域发挥作用，由于这些领域所特有的性质和特殊需求，通航飞行往往不事先确定固定航线，飞行空域情况复杂。同时，通航飞行器飞行于低空空域，而这一空域的气象情况十分复杂，气象变换十分频繁，一些突发极端天气将会对通航飞行活动产生严重影响，因此通航飞行对气象情报的需求非常迫切。目前，各级民航气象中心以及机场气象站主要为机场以及已有航线、航路提供气象情报，存在服务盲区，很难满足通航飞行航线不固定，飞行空域情况复杂对低空气象情报的需求。实时低空气象情报图片采集系统是向通用航空飞行提供低空飞行气象信息的气象情报系统，其以图片形式表示的实时低空空域气象情况能够直观反映当前某低空空域的能见度、天气状况信息，减少了各级气象中心的低空气象情报服务盲区，将为通航飞行提供有力支撑。实时低空气象情报图像采集系统融合了3G、北斗、卫星通信、数传电台等先进的无线通信技术，并且具有适应复杂的地理环境，方便布设，成本可控等特点。

发明内容

本发明是为解决目前各级民航气象中心无法提供通航飞行所有可能到达低空空域的气象情报服务的技术问题，以图片形式为通航飞行提供实时低空空域能见度、天气状况信息服务的集成了图片拍摄、传输、处理和气象情报发布功能的信息系统。

实时低空气象情报图片采集处理系统，包括：图片采集系统，图片处理系统，气象情报发布Web服务器，其中：

所述的图片采集系统布设于现在没有航空气象情报服务但有气象情报服务需求的低空域，包括相机、嵌入式控制器、太阳能供电装置、360°旋转云台、无线通信设备、控制装置；

所述嵌入式控制器中安装控制装置，所述相机安装在高度可调且可360°旋转云台上；所述相机、云台、嵌入式控制器及无线通信设备由太阳能供电装置提供直流电源；

所述的控制装置包括控制模块，数据通信模块、显示模块；相机控制模块实现对相机、云台的控制及获得相机拍摄的图片和图片的基本信息，通信模块控制无线通信设备将图片、图片基本信息以及各种设备参数发送至指定低空气象情报服务部门，同时接收来自低空气象情报服务部门的各种指令；显示模块提供手操器的设备维护接口；

所述的图片处理系统布设在低空气象情报服务部门，包括图片管理装置、数据库、无线通信设备、高分辨率显示器、图片管理服务器；图片管理服务器中安装图片管理装置并连接无线通信设备，连接高分辨率显示器，提供人机交互设备接口；所述数据库用于存储图片及其相关信息，是图片处理系统与web服务器的共用数据库；

所述的图片管理装置包括图片处理模块、中心相机控制模块、通信模块、数据库管理模块以及显示模块；所述通信模块连接无线通信设备，接收来自无人图片采集系统的图片及其相关信息，并发送控制相机、云台及其他设备的指令；显示模块连接高分辨率显示器组，主要包括采集站设备监控界面、采集站空域图片显示界面和图片处理界面三个主界面；数据库管理模块提供数据库管理功能；图片处理模块包括原始图片管理单元和图片处理工具；中心相机控制模块实现远程控制无人图片采集站相机和云台；

图片管理单元向采集站空域图片显示界提供获取图片及其相关信息的接口，接收来自图片采集系统的图片及其相关信息，并将其存入数据库，图片处理工具集成了图片裁剪、编辑等图片处理功能，为图片处理界面提供功能接口。

所述的气象情报发布web服务器为通航用户提供以图片为主的相关空域的低空气象情报信息的咨询、查询、提交等服务。

所述的无线通信设备包括4G模块、3G模块、北斗模块、数传电台模块、卫星通信模块中的一种或多种通信模块构成的通信设备。

所述的图片采集系统与图片处理系统是多对一的关系，图片处理系统可以同时为多个通航用户提供服务。

本系统还包括保护设施，所述的保护设施包括相机防护罩、避雷针及野外防护建筑。

本发明设计将图片采集系统布设于通航飞行可能到达的空域的地面制高点建立无人图片采集站，由图片采集系统自动定时拍摄周围环境的照片，并将拍摄照片及其时间和地点信息通过无线通信设备传送到布设于低空航行情报服务部门的图片处理系统，低空航行情报服务部门工作人员通过图片处理系统对图片及其相关信息进行进一步处理，并将处理结果保存，这样用户就可以通过访问气象情报发布web服务器获取其所需空域的实时图片和能见度和天气状况信息。本发明的实现弥补了目前航行气象情报部门对于通航飞行气象服务能力不足的问题，为通航飞行的安全保障提供了有力支撑。

附图说明

图1本发明的系统结构图；

图2系统数据流向图；

图3图片采集子系统硬件结构图；

图4控制软件设计架构图；

图5图片管理软件设计架构图；

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

图1为本文发明的系统结构图。

如图1所示，图片采集系统将布设于现在没有航空气象情报服务的低空域建立无人图片采集站。布设的方法为：在有气象情报服务需求的空域选取视野开阔的制高点，建立支撑、保护图片采集系统永久性配套设施，在配套设施之上安装相机、云台、嵌入式控制器、无线通信设备、太阳能供电装置，嵌入式控制器中安装控制装置。

相机以适应各种复杂气象环境和天气状况的工业相机为主。工业相机的选择需参考相机放置地点的气象总体情况，根据当地气温的总体变化范围和可能发生的极端天气的恶劣程度灵活选用能够在此类总体气象环境下稳定工作且成本适当的工业相机。选择的相机通过以太网接口与嵌入式控制器进行通信，实现嵌入式控制器对该相机的控制和获取已拍摄图片。

相机安装在稳定的可调节高度且可360°旋转云台上。云台可通过以太网接口与嵌入式控制器进行通信，实现嵌入式控制器对该云台的控制。

无线通信设备包括4G模块、3G模块、北斗模块、数传电台模块、卫星通信模块。实际的无人图片采集站可根据需要和条件配置由上述一种或多种通信模块构成的通信设备。

相机、云台、嵌入式控制器及无线通信设备由太阳能供电装置提供直流电源。该太阳能供电装置主要有太阳能帆板和蓄电池构成。

控制装置由相机控制模块与通信模块组成。相机控制模块实现对相机、云台的控制及获得相机拍摄的图片和图片的基本信息，通信模块控制无线通信设备将图片、图片基本信息以及各种设备参数发送至指定低空气象情报服务部门，同时接收来自低空气象情报服务部门的各种指令。控制装置装入嵌入式控制器实现功能。

图片处理系统布设在低空气象情报服务部门。图片处理系统包括图片管理服务器、数据库、无线通信设备、高分辨率显示器和图片管理装置。图片管理装置由图片处理模块、中心相机控制模块、通信模块、数据库管理模块以及显示模块构成。

图片管理服务器中安装图片管理装置，连接无线通信设备，连接高分辨率显示器组，提供人机交互设备接口。数据库存储图片及其相关信息，是图片处理系统与web服务器的共用数据库。无线通信设备接收来自无人图片采集系统的图片及其相关信息，发送控制指令。

图片管理装置的图片处理模块集成图像处理工具、工作人员信息管理功能、图片信息与工作人员信息的自动关联功能，中心相机控制模块实现远程控制无人图片采集站相机和云台，通信模块控制接收来自图片采集站的图片、图片基本信息以及各种设备参数，并发送控制相机、云台及其他设备的指令。图片管理装置装入图片管理服务器实现功能。

Web服务器为通航用户提供以图片为主的相关空域的低空气象情报信息的咨询、查询、提交等服务。“咨询”是指该web服务器提供用户与低空气象部门工作人员的交流和咨询平台，以获得更加明确的低空气象情报服务。“查询”是指用户直接查询图片处理系统中已有的图片或者文字信息。“提交”是指用户可以提交他们所掌握的气象情报。图片处理系统通过该项web服务为低空气象情报服务部门和通航用户之间搭建了一个低空气象情报交流与共享的网络平台，使用户在获得服务的同时也成为了服务的提供者。

通航用户通过PC，各种移动设备中的浏览器可以及时、方便的获得其所可能到达的低空空域的实时气象情报。

由图1可以得知，图片采集系统与图片处理系统是多对一的关系，图片处理系统可以同时为多个通航用户提供服务，既实时低空航行情报采集处理系统集成先进的通信、控制、网络等技术为低空飞行构建了一个网络化、智能化的气象情报共享空间。

图2为本发明的数据流向图。

图2中的“综合数据”包括了图片数据、图片相关信息、设备参数信息,“气象情报综合数据”包括了图片数据、图片相关信息、交流信息。控制指令包括相机控制指令、云台控制指令。指令在发送的过程中进行加密处理。

图3为图片采集系统设备结构图。

如图3所示，4G、3G模块通过USB与嵌入式控制器连接，GPS模块、数传电台模块、北斗模块通过串口与嵌入式控制器连接，相机、云台通过以太网接口与嵌入式控制器连接，太阳能供电装置为整个设备提供直流电源，并通过串口将参数信息传入嵌入式控制器。图片采集系统的维护通过手操器来完成。

图4为图片采集系统控制装置架构图

如图4所示，图片采集系统控制装置为三层结构，分别由显示模块、控制模块、通信模块组成。

显示模块提供手操器的设备维护接口。

控制模块由相机及云台控制单元、4G管理单元、3G管理单元、GPS管理单元、数传电台管理单元、北斗管理单元构成，并设有通信的缓存管理。

相机及云台控制单元完成设备参数信息、图片及其相关信息的获取，调用通信单元实现信息的收发，解析来自图片处理系统的控制指令实现对相机和云台的控制。对相机的控制主要包括拍摄模式(如全自动模式、全手动模式、光圈优先模式、快门优先模式、B门模式等)、相机光圈的大小、快门的快慢、相机镜头的焦段、单张图像文件的大小、拍摄的频率。对云台的控制主要包括拍摄方向的选取、支架高度的调节。拍摄的频率包括两个方面：第一，每完成一次360°全景拍摄的时长(T360)和拍摄照片的数量(S)，第二，不同时段连续进行360°全景拍摄的时间间隔(D)。每完成一次单张照片的拍摄时间(T1)根据公式(1)计算得出，每张照片所能记录的被摄环境的水平方向角度(α)由公式(2)计算得出。时间间隔D可灵活设置，例如6点到18点时段，时间间隔D＝15分钟,18点到次日6点时段，时间间隔D＝12小时，这样的设置既为昼间每15分钟完成一次360°全景拍摄，而夜间将不进行拍摄。对云台的控制须满足相机的拍摄要求。

T1＝T360/S          (1)

α＝360°/S         (2) 

3G管理单元完成3G模块的启动、关机、重新启动、参数设置功能，获取运行参数。3G管理模块解析来自图片处理系统的控制指令。来自图片处理系统的指令仅包括启动、关机、重新启动、恢复默认参数设置，另外更加复杂的控制指令来自手操器。3G管理单元模块还将获取的3G模块运行参数定时发送到图片处理系统。

GPS管理单元、数传电台管理单元、北斗管理单元的功能同3G管理模块。

4G管理单元完成4G模块的启动、关机、重新启动、参数设置功能，获取运行参数。4G管理模块解析来自图片处理系统的控制指令。来自图片处理系统的指令仅包括启动、关机、重新启动、恢复默认参数设置，另外更加复杂的控制指令来自手操器。4G管理单元模 块还将获取的4G模块运行参数定时发送到图片处理系统。

通信缓存管理，为上述无线同管理单元提供统一的缓存管理接口。

通信模块向上层提供统一的以太网通信、USB通信、串口通信接口。

图5为图片处理系统的图片管理装置架构图

如图5所示图片管理装置为三层结构，显示模块独立工程软件结构的最上层，其下为由图片处理模块、中心相机控制模块构成中间层，最下层包含了数据库管理模块与通信模块。

显示模块主要包括采集站设备监控界面、采集站空域图片显示界面和图片处理界面三个主界面。

采集站设备监控界面包括通信设备监控界面、相机云台监控界面、太阳能供电装置监控界面。采集站设备监视界面提供站点选项，用于切换到不同的监控采集站监视界面。

采集站空域图片显示界面默认显示由某个选定图片采集站图片采集系统传送到图片处理系统的图片及图片拍摄的时间信息、位置信息、图片中内容相对于采集站的方向信息。显示的信息为：若最近一次拍摄并传送到图片处理系统还未经处理那么显示的信息为此次拍摄的原始图片及其相关信息，若最近一次拍摄的图片和信息已经过处理，那么显示经处理的此次拍摄的图片和经过编辑的完整的航行情报信息(处理过程在后文中将有详细介绍)，总之显示的最新的图片及其信息。界面可同时显示多张图片及其相关信息。采集站空域图片显示界面提供以拍摄时间段、采集站名称为关键字的图片及其相关信息查询功能。

图片处理界面为低空气象情报服务部门工作人员提供图片处理工具和气象情报编辑界面。在使用图片处理工具对图片进行处理时，界面中将同步显示该图片的标准图片，并以标准图片为参照对象对图片进行处理和将图片中展示的气象信息人工编辑成文字信息，该文字信息与原来的图片相关信息(时间信息、位置信息、图片中内容相对于采集站的方向信息)共同组成完整的航行情报。标准图片在采集站初始建成时，由工作人员使用采集站相机拍摄并经实际测量和后期处理获得。在标准图片的拍摄过程中，工作人员要拍摄相机在不同焦距和各可能角度的图片。标准图片经处理后与其相关信息(位置信息、图片中内容相对于采集站的方向信息)存入标准图片库。

图片处理模块包括原始图片管理单元和图片处理工具。

图片管理单元向采集站空域图片显示界提供获取图片及其相关信息的接口，接收来自图片采集系统的图片及其相关信息，并将其存入数据库。图片处理工具集成了图片裁剪、编辑等图片处理功能，为图片处理界面提供功能接口。

中心相机控制模块由嵌入式控制器操控单元、相机控制单元、云台控制单元构成。

嵌入式控制器操控单元实现远程对嵌入式空气器的开机、关机、重新启动功能。嵌入式控制器开机、关机、重新启动的同时，相机、云台、太阳能供电装置在嵌入式控制器的控制下也将开机、关机、重新启动。

相机控制单元实现对相机的远程控制，主要对相机的控制主要包括拍摄模式(如全自动模式、全手动模式、光圈优先模式、快门优先模式、B门模式等)、相机光圈的大小、快门的快慢、相机镜头的焦段、单张图像文件的大小、拍摄的频率。云台控制单元实现对云台的远程控制，主要对云台的控制主要包括拍摄方向的选取、支架高度的调节。在前文对采集控制软件相机与云台控制单元的描述中，已对相机与云台进行了详尽的叙述，在此不赘述。

数据库管理模块为其上层提供数据库操作的各类接口。

通信模块包括4G管理单元、3G管理单元、GPS管理单元、数传电台管理单元、北斗管理单元、通信的缓存管理、以太网通信、USB通信、串口通信接口。

4G管理单元、3G管理单元、GPS管理单元、数传电台管理单元、北斗管理单元提供对相应设备的远程控制功能。对设备的远程控制指令仅包括启动、关机、重新启动、恢复默认参数设置指令。缓存管理、以太网通信、USB通信、串口通信接口同采集控制软件。

配套设施主要由避雷设施、太阳能帆板支架、设备机房构成。每种配套设施需根据采集系统所在环境不同进行符合需求的设计。

系统主要功能操作流程如下：首先由无人图片采集站的相机按照设置的参数自动拍摄其所在空域的图片，无人图片采集站通过无线通信设备实时地将图片及其相关信息发送至布设图片处理系统的低空航行情报服务部门。由低空航行情报的工作人员使用图片处理系统提供的图片处理工具对需要处理的图片进行处理，经处理的图片和经编辑的低空航行情报信息存入数据库，并由web服务器向通航用户提供服务。若采集的图片不需人工处理，其将被系统自动保存至数据库，供通航用户服务访问。

Claims (4)

1.实时低空气象情报图片采集处理系统，其特征在于，该系统包括：图片采集系统，图片处理系统，气象情报发布Web服务器，其中：

所述的图片采集系统布设于现在没有航空气象情报服务但有气象情报服务需求的低空域，包括相机、嵌入式控制器、太阳能供电装置、360°旋转云台、无线通信设备、控制装置；所述嵌入式控制器中安装控制装置，所述相机安装在高度可调且可360°旋转云台上；所述相机、云台、嵌入式控制器及无线通信设备由太阳能供电装置提供直流电源；

所述的控制装置包括控制模块，数据通信模块、显示模块；相机控制模块实现对相机、云台的控制及获得相机拍摄的图片和图片的基本信息，通信模块控制无线通信设备将图片、图片基本信息以及各种设备参数发送至指定低空气象情报服务部门，同时接收来自低空气象情报服务部门的各种指令；显示模块提供手操器的设备维护接口；

所述的图片处理系统布设在低空气象情报服务部门，包括图片管理装置、数据库、无线通信设备、高分辨率显示器、图片管理服务器；图片管理服务器中安装图片管理装置并连接无线通信设备，连接高分辨率显示器，提供人机交互设备接口；所述数据库用于存储图片及其相关信息，是图片处理系统与web服务器的共用数据库；

所述的图片管理装置包括图片处理模块、中心相机控制模块、通信模块、数据库管理模块以及显示模块；所述通信模块连接无线通信设备，接收来自无人图片采集系统的图片及其相关信息，并发送控制相机、云台及其他设备的指令；显示模块连接高分辨率显示器组，主要包括采集站设备监控界面、采集站空域图片显示界面和图片处理界面三个主界面；数据库管理模块提供数据库管理功能；图片处理模块包括原始图片管理单元和图片处理工具；中心相机控制模块实现远程控制无人图片采集站相机和云台；

图片管理单元向采集站空域图片显示界提供获取图片及其相关信息的接口，接收来自图片采集系统的图片及其相关信息，并将其存入数据库，图片处理工具集成了图片裁剪、编辑等图片处理功能，为图片处理界面提供功能接口；

所述的气象情报发布web服务器为通航用户提供以图片为主的相关空域的低空气象情报信息的咨询、查询、提交等服务。

2.根据权利要求1所述的实时低空气象情报图片采集处理系统，其特征在于，所述的无线通信设备包括4G模块、3G模块、北斗模块、数传电台模块、卫星通信模块中的一种或多种通信模块构成的通信设备。

3.根据权利要求1所述的实时低空气象情报图片采集处理系统，其特征在于，所述的图片采集系统与图片处理系统是多对一的关系，图片处理系统可以同时为多个通航用户提供服务。

4.根据权利要求1所述的实时低空气象情报图片采集处理系统，其特征在于，本系统还包括保护设施，所述的保护设施包括相机防护罩、避雷针及野外防护建筑。