lidar Sei qui: Precipitazioni in Antartide             Oggi il: 18-10-2017 | sei il visitatore numero: 4619 | IFAC
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ICE-CAMERA: Un nuovo strumento per studiare la
Precipitazione di Ghiaccio
in Antartide

Per un'idea presa in prestito dalla fotografia artistica e industriale, una SCAN CAMERA nominata "ICE-CAMERA" e' installata dal 2012 presso Concordia Base (Antarctica, DOME C, 75° S 123° E).

Lo strumento opera grazie ai progetti nazionali PNRA ICE-CAMERA e PRE-REC.

Salvo inconvenienti tecnici, ICE-CAMERA opera sulle 24 ore automaticamente, con cadenza oraria, per lo studio, misura e classificazione automatica della precipitazione.

Il sistema e' installato sul tetto di un modernissimo shelter montato su palafitta.


 

ICECAMERA sul tetto dello shelter, in attesa di essere coperta con la scatola invernale

 

Gallery:

(cliccare per ingrandire)







 

Le ultime back-trajectories:

 

Come funziona ICE CAMERA?

 

ICE-CAMERA e' l'equivalente di uno SCANNER da ufficio, costruita per raccogliere immagini ad alta risoluzione (5 micron) di cristalli di ghiaccio in ambiente polare.

ICE-CAMERA raccoglie la precipitazione su un doppio vetro e dopo un'ora lo "fotografa" come uno scanner.

ICE-CAMERA in laboratorio, all'interno dello shelter antartico sul cui tetto lavorera' in automatico

 

L'immagine acquisita, di oltre 700 Mb di dimensioni, 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. Grazie alle loro piccole dimensioni, i dati cosi' compressi vengono inviati automaticamente ed in tempo reale in Italia, all' INO. 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.



Grazie alla bassissima umidita', la tipologia dei cristalli a Concordia e' ridotta a forme piuttosto semplici, soprattutto barrette esagonali e relativi aggregati, "bullets", aghi e piastrine esagonali. Un po' meno vario di quanto prevede la classificazione internazionale che qui riporto:



 

Riporto qui due begli esempi di precipitazione registrati automaticamente a Concordia nel 2012.

Nel primo caso si trattava di ROSETTE di PRISMI ESAGONALI e BULLETS, nel secondo dominavano i PRISMI ESAGONALI CAVI

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

 

COSA VIENE CALCOLATO DI CIASCUN CRISTALLO DI GHIACCIO?

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
-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, che viene confrontato con quanto ottenuto durante l'addestramento del programma mediante figure esemplificanti le diverse classi di cristallo attese a Concordia. La classificazione del singolo cristallo in una di queste classi avviene mediante il diagramma dicotomico ad albero ottenuto in fase di addestramento.

ESEMPI DI STATISTICHE SUI CRISTALLI

A titolo di esempio riporto alcune statistiche di parametri di forma di precipitazione relative all'intero mese di Marzo 2012, ottenute a partire dai parametri di forma calcolati sui singoli cristalli individuati:

DETTAGLI TECNICI

Uno dei fiori all'occhiello di ICECAMERA e' la presenza di numerosi sensori di "house-keeping" (temperatura in vari punti dello strumento, flusso, ecc. Lo strumento presenta a bordo un semplice circuito a microcontrollore PIC16F877 che sestisce i motori, i comandi della telecamera, e tutti i sensori ed attuatori a bordo. La camera comunica col PC all'interno del laboratorio mediante un cavo CAT5E per la trasmissione video GiGE delle immagini ed un cavo RS232 di comunicazione tra il microcontrollore ed il PC. L'elettronica e la meccanica a bordo di ICECAMERA e' stata appositamente preparata per il funzionamento ad una temperatura minima di -40°C, anche se la temperatura di lavoro tipica e' superiore a -20°C.

Schema di massima di ICE-CAMERA

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

 


 

 




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