3-D Stereorekonstruktion von Wolken mit Hilfe von hemisphärischen Wolkenkameras

Hemisphärisch projizierende Wolkenkameras erlauben eine räumlich und zeitlich hochaufgelöste Beoachtung einzelner Wolken sowie des lokalen Wolkenfeldes. Während einzeln aufgestellte Kameras meist zur visuellen Einschätzung der atmosphärischen Situation oder zur Ableitung von Bedeckungsgrad oder Wolkenklassifikation eingesetzt werden, liefert ein Netzwerk aus räumlich verteilten Kameras Informationen, die zur Erfassung von Morphologie, Evolution und räumlicher Organisation von Wolken genutzt werden können [1]. Diese Informationen sind relevant für das Verständnis von Wolkendynamik unter verschiedenen atmosphärischen Bedingungen, 3-D Strahlungstransfer oder auch der Validierung von wolkenauflösenden Modellen. Darüber hinaus können solche Kameras wichtige Daten zur Kurzfristvorhersage (Nowcasting) von solarer Einstrahlung (wichtig für erneuerbare Energien und Netzstabilität) oder der Entstehung von Gewittern liefern , oder zur Synergie mit anderen Instrumenten beitragen.

Inhaltsverzeichnis

  1. Prinzip
  2. Experimenteller Aufbau in Jülich und aktuelle Daten
  3. Beispiel-Rekonstruktionen und Ergebnisse
  4. Publikationen

Prinzip

Die Stereorekonstruktion basiert auf der Triangulation, also der Dreiecksbeziehung zwischen zwei Kameras und einem 3-D Punkt X (Abb. 1). Dabei bildet die Basis - der Verbindungsvektor beider Kameras - eine Seite des Dreiecks, während die beiden Projektionsgeraden von X zur jeweiligen Kamera die beiden anderen Schenkel des Dreiecks bilden.

Prinzip der 3-D Stereorekonstruktion von Wolken mit hemisphärischen Wolkenkameras. Oben: Triangulation eines Oberflächenelementes einer Wolke mit zwei voneinander entfernt aufgestellten hemisphärischen Kameras. Unten links und rechts: Reale Beispielbilder der jeweligen Kameras und Markierung der Projektion des Punktes X. Unten Mitte:: Wolkenkamera auf einem Dach im Forschungszentrum aufgestellt. Abbildung gerendert mit Blender. Kartendaten: Land NRW (2017) Datenlizenz Deutschland - Namensnennung -Version 2.0 (www.govdata.de/dl-de/by-2-0).

Grundvoraussetzung für die Rekonstruktion von X ist eine akkurate Bestimmung der projektiven Eigenschaften jeder Kamera (innere Orientierung), damit jedem Bildpunkt eine Richtung innerhalb des jeweiligen Kamerakoordinatensystems zugeordnet werden kann. Eine anschließende Einbettung in das Weltkoordinatensystem wird dann durch Bestimmung der Rotation und Position der Kameras im Raum (äußere Orientierung) erzielt. Die innere Orientierung wird üblicherweise mit einem speziellen Kalibriermuster (z.Bsp. Schachbrettmuster) ermittelt; die äußere Orientierung kann mit Hilfe von Sternen und detektierten Punktkorrespondenzen zwischen den Bildern berechnet werden (Rotation) sowie unter Einsatz von Satellitennavigationssystemen (Lokalisierung). Die Lokalisierung der Projektion von X in jedem Bild ermittelt ein Stereomatching-Algorithmus, der korrespondierende Bildpunkte anhand von Ähnlichkeiten des Bildsignals findet. Jedes Paar korrespondierender Bildpunkte liefert dann einen 3-D Punkt im Raum. Die resultierende 3-D Punktwolke ist dann die 3-D Rekonstruktion der Wolke und kann anschließend weiterverarbeitet werden um z.Bsp. einzelne Wolken zu identifizieren, zu segmentieren und geometrische Charateristika abzuleiten.

Experimenteller Aufbau in Jülich

Gegenwärtig sind vier Kameras im Umfeld des Forschungszentrums Jülich und des Jülich Observatory for Cloud Evolution (JOYCE) aktiv Abb. 2. Die Kameras sind paarweise organisiert und jedes Paar stellt eine Stereokamera dar. Stereokamera JOYCE ist innerhalb des Forschungszentrums installiert, während Stereokamera JUL im Stadtzentrum von Jülich aufgebaut ist, ca. 4 km vom Forschungszentrum entfernt. Dieser Aufbau erlaubt es einerseits ein größeres Areal zu analysieren, aber auch einzelne Wolken von zwei verschiedenen Perspektiven zu modellieren. Dadurch können relevante geometrische Größen geschätzt werden, wie z.Bsp. Wolkenbasishöhe, Wolkenoberseitenhöhe, äquivalenter Durchmesser, Perimeter oder Neigungswinkel. Zudem kann die Entwicklung einzelner Wolken wegen des größeren Beoachtungsbereichs länger und umfassender verfolgt werden.

Aktuelle Beobachtungen und Analysen sind hier verfügbar.

Aufbau der Stereokameras in Jülich. Kartendaten: Land NRW (2017) Datenlizenz Deutschland - Namensnennung -Version 2.0 (www.govdata.de/dl-de/by-2-0).

Wichtige Parameter für ein solches Kamerasystem sind:

Beispiel-Rekonstruktionen und Ergebnisse

Cumulus-Konvektion

Kollaps eines konvektiven Wolkenturms am 11.05.2016: Oben die Auschnitte aus dem Fischaugen-Bild der Referenzkamera JOYCE und unten die korrespondierende Zeitreihe der Höhe von Wolkenbasis, -oberseite und daraus resultierend der vertikalen Dimension des Wolkenturms.

3-D Wolkenmorphologie

Rekonstruktion der Morphology eines konvektiven Wolkenturms vom 11.05.2016: Links ein Ausschnitt des Fischaugen-Bild der Referenzkamera JOYCE mit markierter Region des Querschnittsprofils und rechts eine Distanz-Höhen-Abbildung des Querschnitts durch die rekonstruierte Punktwolke des Wolkenturms.

Wolkenbewegung

Schätzung der Wolkenbewegung vom 19.08.2015 mit zwei Schichtwolken in verschiedenen Höhen. Oben links das Fischaugen-Bild der Referenzkamera JOYCE und oben rechts die korrespondierende Zuggeschwindigkeit und -richtung aktuellen Wolkenfeldes. Unten links und rechts das abgeleitete Höhenprofil der Wolkenzuggeschwindigkeit und -richtung für das aktuell rekonstruierte Wolkenfeld in einem Umkreis von 4 km.

Publikationen

[1] Beekmans, C., Schneider, J., Läbe, T., Lennefer, M., Stachniss, C., and Simmer, C.: Cloud photogrammetry with dense stereo for fisheye cameras, Atmos. Chem. Phys., 16, 14231-14248, https://doi.org/10.5194/acp-16-14231-2016, 2016. [html]