ICE-CAMERA: Un nuovo strumento per studiare la
Precipitazione di Ghiaccio in Antartide

Come funziona ICE CAMERA?

ICE-CAMERA e' l'equivalente di uno SCANNER daufficio, costruita per raccogliere immagini a mediarisoluzione (7 micron) di cristalli di ghiaccio in ambiente polare.

ICE-CAMERA raccoglie la precipitazione su un doppio vetro e... dopo un'ora "fotografa" come uno scanner. La descrizione completa in questo articolo .

ICE-CAMERA sul cui tetto dello shelter antartico a Dome C

L'immagine acquisita, viene immediatamente trattata con software MATLAB sviluppato all'INO. Il software individua i singoli cristallini di ghiaccio, misura ed analizza la forma di ciascun cristallino, ed infine salva le informazioni relative a ciascun cristallino in un file testo. L'immagine iniziale viene infine ridotta alle sole immagini dei cristallini individuati, automaticamente ordinati in base alle dimensioni. L'addestramento preliminare di ICE-CAMERA con forme "semplici" di cristallini consente la classificazione automatica degli stessi. Alla fine di ogni analisi oraria della precipitazione, il vetro esterno di ICE-CAMERA viene riscaldato al fine di sublimare quanto raccolto ed iniziare un nuovo ciclo. ICE-CAMERA lavora ad una temperatura interna di circa -20°C. e con una temperatura esterna fino a -80°C. E' attualmente l'unico strumento in grado di studiare automaticamente la tipologia e le dimensioni dei grani di ghiaccio in ambiente polare.

Lo schema di funzionamento dello strumento

Ogni ora l'interfaccia utente (GUI) del software di gestione dello strumento su PC (LabView NI) viene inviata in Italia per eventuali controlli sui malfunzionamenti. I dati di House-keeping ed eventuali segnalazioni di errore sono tutti presenti nel GUI. A causa della limitata banda internet, al momento non e' possibile la gestione a distanza dello strumento, cosa che auspichiamo possibile nel 2013.

Esempio di report della GUI inviata automaticamente in Italia

esempi di precipitazione registrati a Concordia

Nel primo caso ' ROSETTE', nel secondo PRISMI ESAGONALI perlopiù cavi

...........Esplora le immagini col Mouse!!

 

COSA VIENE CALCOLATO DI CIASCUN CRISTALLO ?

Una volta individuato il singolo cristallino nell'immagine originale, esso viene tradotto in una immagine binaria la cui distribuzione xy dei pixel viene analizzata per ottenere i seguenti parametri di forma:

Definiamo Momenti della distribuzione bidimensionale dei pixel del cristallo:

e per Momenti Centrali:

i Momenti centrali normalizzati si ottengono cosi':

Su questa base, Hu introdusse i seguenti 7 Momenti invarianti per rotazione, traslazione e ingrandimento dell'oggetto:

Questi 7 valori vengono calcolati per ogni cristallo di ghiaccio. Altre quantita' calcolate per ciascun cristallo sono le seguenti:

-Area proiettata- L'area in um²occupata dalla immagine del cristallo

-lunghezza e larghezza 'Feret' (caliper)
-Eccentricita'- L'eccentricita' dell'ellisse avente gli stessi momenti secondi dell'immagine (0=cerchio, 1=barretta)
-Numero di Eulero: Il numero di oggetti meno il numero di "buchi" degli oggetti
-Circularita' = 4Π*area/(perimetro²)
-Rotondita'=4*area/( Π *(maxD²))
-AspectRatio=maxD/minD
-Solidita'=area/AreaConvessa
-Compattezza=√((4/ Π) *area)/maxD;
-Fattore di Forma=4Π*area/(perimetro²)
-Numero di rami del cristallo da skeletonization
-I primi 25 coeff. di sviluppo di Fourier del perimetro del cristallo

Tutte le quantita' cosi' misurate forniscono un vettore per ciascun grano di ghiaccio. Una rete neurale CNN addestrata su 14 tipologie di cristalli (foto qua sotto) consente la classificazione automatica di ciascun cristallo (in fase di post-processing per ridurre i tempi di pre-elaborazione delle immagini)

Le classi di cristalli scelte per Dome C

La matrice di confusione del classificatore CNN . Mostra la bontà della CNN nel riconoscere le diverse classi

ESEMPI DI STATISTICHE

Alcune statistiche relative al periodo 2014-2021....

Statistica della dimensione maggiore (L Feret) delle diverse classi di cristalli

Andamento stagionale della dimensione dei cristalli per le diverse classi