Desenvolvimento e primeiras aplicaçÕes de uma interface gráfica para acesso ao banco de imagens do radar meteorológico dwsr-92X



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DESENVOLVIMENTO E PRIMEIRAS APLICAÇÕES DE UMA INTERFACE GRÁFICA PARA ACESSO AO BANCO DE IMAGENS DO RADAR METEOROLÓGICO DWSR-92X

Rafael Castelo Guedes Martins1

Francisco Geraldo de Melo Pinheiro2

Marcony Silva Cunha3



ABSTRACT

In this work we develop a graphical interface for access to the bank of images generated by the weather radar. The original program of the radar (RADSYS 2000) isn’t a system multi-task. Being thus, it isn’t possible to control the radar generating images in real time and to visualize the images stored in a data base at the same time. Without also counting on the fact of that it programs original needs a plate of picture processing, that is installed inside of a computer type IBM-PC, and an exclusive monitor RGB. This implies that only those computers that possess this plate and a visualization monitor can have access to the bank of images. Our program was developed in programming language DELPHI and works in Windows environment, without the necessity of the plate and monitor RGB. The development of this product opens way for the elaboration of systems of exclusive picture processing for the weather radar. As one of the first applications was made a qualitative analysis of the signal of return of the radar using a comparison enters the amount of rain measured for the terrestrial rain gauges catalogued by the FUNCEME and the measure for the system radar.



Keywords: Radar, graphical interface, Radsys.

RESUMO

Neste trabalho desenvolvemos uma interface gráfica para acesso ao banco de imagens gerado pelo radar meteorológico. O programa original do radar (RADSYS 2000) não é um sistema multi-tarefa. Sendo assim, não é possível controlar o radar gerando imagens em tempo real e visualizar as imagens armazenadas em um banco de dados ao mesmo tempo. Sem contar também com o fato de que programa original necessita de uma placa de processamento de imagens, que é instalada dentro de um computador tipo IBM-PC, e de um monitor exclusivo RGB. Isto implica que apenas aqueles computadores que possuem esta placa e um monitor de visualização podem ter acesso ao banco de imagens. Nosso programa foi desenvolvido em linguagem de programação DELPHI e trabalha em ambiente Windows, sem a necessidade da placa e do monitor RGB. O desenvolvimento deste produto abre caminho para a elaboração de sistemas de processamento de imagens exclusivos para o radar meteorológico. Como uma das primeiras aplicações foi feita uma análise qualitativa do sinal de retorno do radar utilizando uma comparação entre a quantidade de chuva medida pelos pluviômetros terrestres catalogados pela FUNCEME e a medida pelo sistema radar.



Palavras-chave: Radar, interface gráfica, Radsys.


INTRODUÇÃO


O radar (radio detection and ranging) foi desenvolvido, inicialmente, para detectar aviões e determinar suas distâncias por técnicas de radio. Com a evolução da tecnologia eles se tornaram mais potentes, seu feixe mais direcional, seus receptores mais sensíveis e seus transmissores mais coerentes, o que possibilitou outras aplicações. Atualmente, o radar, além de detectar aviões, mapeia a superfície de planetas, auxilia na previsão e análise do tempo, sendo, portanto, uma ferramenta muito útil para meteorologistas e hidrólogos.

A Fundação Cearense de Meteorologia e Recursos Hídricos (FUNCEME), instalou um radar meteorológico no Campus do Itaperí, a partir de um convênio de cooperação técnico-científico com a Universidade Estadual do Ceará (UECE). Trata-se de um radar meteorológico doppler banda X com um alcance máximo de 120 km de raio. Este equipamento vem sendo utilizado, atualmente, apenas para acompanhamento qualitativo das chuvas para ajudar nas previsões meteorológicas de curta duração. Entretanto, a partir de seus dados é possível se obter informações estratégicas como, por exemplo, a quantidade de água precipitada em uma região em um determinado período. A quantidade de água precipitada é uma informação estratégica, pois pode orientar gestores dos recursos hídricos do Estado do Ceará no melhor uso da água.

Para se passar de um estágio onde as informações são apenas qualitativas, e do simples acompanhamento do deslocamento das chuvas, é necessário que este radar esteja calibrado. Isto é, é necessário que se estabeleça uma relação entre a potência medida de retorno e a intensidade da chuva, esta responsável pela potência desse sinal refletido. Diversos trabalhos, neste sentido, com aplicações práticas imediatas e resultados vêm sendo apresentados nos últimos anos (Sun et al., 2000; Seo et al.,1998, Uijlenhoet et al., 1997).

Os mecanismos de análise de imagens são de fundamental importância para a calibração. Esse radar possui uma ferramenta computacional antiga e limitada para uma análise mais profunda das imagens obtidas. O atual programa de visualização de imagens e de controle do radar é o RADSYS2000. Funcionando a partir do sistema operacional DOS 6.0, este programa possui duas funções bem distintas: a primeira é o de controlar o radar e a segunda é a de visualizar as imagens do banco de dados. A visualização das imagens é feita através de um monitor de vídeo tipo RGB conectado a uma placa de circuito impresso eletrônica, específica para o processamento de imagens. Devido à necessidade desta placa eletrônica dedicada, a visualização da imagem, gerada em tempo real ou armazenada em arquivo, fica restrita aos computadores que a possuem.

Dessa forma dois problemas se apresentam no atual sistema: o primeiro diz respeito à limitação da análise de imagens e o segundo está relacionado com a impossibilidade da visualização das imagens sem um hardware dedicado. Os problemas expostos são importantes, pois trazem sérias limitações quanto à utilização do radar. Assim sendo, objetivou-se desenvolver uma interface dedicada à visualização de imagens.

Como primeira aplicação verificou-se a calibração do radar através de uma análise qualitativa do sinal de retorno do radar, comparando os dados de chuva dos pluviômetros terrestres catalogados pela FUNCEME no raio do radar com os dados de chuva obtidos pelo sistema radar a partir do software desenvolvido.

MATERIAIS E MÉTODOS


Sistema Radar



A figura 1 mostra um diagrama com os principais elementos de um radar pulsado. Um amplificador de alta potência é acionado por um modulador para transmitir um trem de pulsos de curta duração, em geral de 1µs, de alta potência (100kW ou mais) na freqüência de microondas. O trem de pulsos espaçado por um tempo em torno de 1ms é direcionado para a antena através de uma chave comutadora. Esse sinal eletrônico ilumina os alvos à medida o feixe de micro-ondas que se propaga na atmosfera. Uma pequena fração desta radiação é espalhada na direção do receptor. Por razões econômicas, geralmente o transmissor e o receptor são colocados juntos e a antena é compartilhada por ambos. Dessa forma o radar pulsado possui dois períodos bem distintos de funcionamento: o primeiro, em que ele transmite um pulso de energia, e o segundo, em que ele “escuta” o eco deste pulso produzido pelos alvos. No caso de sistemas atmosféricos precipitantes (chuva, neve ou granizo), a potência, o tempo, e a fase do sinal de retorno são codificados em taxa de precipitação, distância ao radar e velocidade radial de deslocamento, respectivamente (Doviak and Zrnic, 1984).




Figura 1 - Diagrama básico de um radar pulsado. Adaptado de Doviak and Zrnic, 1984
O sistema radar, instalado na torre meteorológica é do tipo doppler pulsado, modelo DWSR-92X fabricado pela Enterprise Eletronics Corporation (EEC) é composto pelo sistema mostrado na Figura 2.





Figura 2 - Modelo DWSR-92X fabricado pela EEC.
O microcomputador, através do programa RADASYS2000, é o responsável pela interface entre o operador e a unidade de processamento de sinais/controle do radar. Esse microcomputador recebe os comandos do operador e os transmite para unidade de processamento de sinais/controle e recebe dessa unidade a imagem processada para, em seguida, disponibilizá-la em um monitor RGB e armazená-la em disco. Outra função desse microcomputador é a de apresentar ao operador as condições de operação do radar.

No monitor RGB são apresentadas as imagens processadas pelo radar. Essas imagens são mostradas em tempo real ou são as armazenadas no banco de dados. A unidade de processamento se sinais/controle é responsável pela geração do trem de pulsos (em nível eletrônico) para a unidade de transmissão/recepção, pelo envio dos sinais para acionamento dos servos motores da antena (azimute e elevação), pelo tratamento digital do sinal recebido (eco) e finalmente pelo envio do sinal tratado na forma de imagem para o microcomputador.

Na unidade de transmissão e recepção é gerado o sinal eletromagnético de alta potência e alta freqüência para a antena e também a ela cabe o envio à unidade de processamento de sinais/controle o sinal refletido pelo sistema preciptante captado pela antena.

O sistema mostrado na figura 1 tem como finalidade recriar em tempo real na tela do monitor RGB os sinais de eco codificadas em imagem bem como armazená-las em um banco de dados. Para a construção da nova interface foi necessário estudar e compreender a estrutura da imagem armazenada.



Arquivo de Imagem


O radar grava cinco tipos de imagens identificadas pela extensão do nome do arquivo: INT (intensidade), DNT (intensidade com doppler), RHI (corte vertical), VEL (velocidade) e SPL (altitude constante). Após analisar todos estes tipos de arquivos verificou-se que, apesar da extensão não convencional, todos são imagens estruturadas segundo o padrão TGA (padrão de armazenamento de imagem da Truevision, Inc). Este padrão de armazenamento de imagens possui os diversos sub-tipos mostrados na Tabela 1.


Tabela 1 – Variações do padrão de arquivo TGA

Código

Imagem

0

Sem imagem

1

Imagem sem compressão com mapa de cores

2

Imagem sem compressão com imagem RGB

3

Imagem sem compressão em preto e branco

9

Imagem com compressão com mapa de cores

10

Imagem com compressão sem mapa de cores

11

Imagem com compressão em preto e branco

Um arquivo de imagem armazenada no formato TGA possui um cabeçalho, uma tabela de cores (se o sub-tipo exigir) e um vetor de dados. No caso deste radar, a estrutura de armazenamento de imagens possui um cabeçalho que o identifica como sendo TGA do tipo 10 e um vetor de dados compactados que representa a imagem. A Tabela 2 mostra a estrutura deste arquivo de imagem.


Tabela 2 – Estrutura de um arquivo TGA

Offset

No de bytes

Valor

Significado

0

1

00

No de caracteres no campo de identificação

1

1

00

Mapa de cores ( 0 ausente 1- presente)

2

1

0A

Tipo de imagem

3

5

00-00-00-00-00

Especificação do mapa de cores (ignorado se mapa de cores ausente)

8

2

00-00

Origem do eixo X da imagem

10

2

00-00

Origem do eixo Y da imagem

12

2

F8-01

Largura da Imagem (504)

14

2

E6-01

Altura da Imagem (486)

16

1

08

No de bits que representam um pixel

17

1

00

Byte descritor de imagens

18

XX




Imagem

Por ser do tipo 10, a tabela de cores não está presente neste arquivo e desta forma nenhum outro software de tratamento de arquivos gráficos é capaz de mostrar a imagem com as cores originais. Apenas o RADSYS200 pode fazê-lo, pois possui a tabela de cores. Em cada posição do vetor de dados, do arquivo, encontra-se um número binário associado a cada pixel da tela gráfica do monitor RGB. Este número pode ser um código ou a soma de códigos. Este número será uma soma de códigos caso neste pixel exista mais de um elemento gráfico como, por exemplo, um contorno de município com alguma precipitação. Estes códigos não representam cores, mas sim objetos. Entretanto com uma tabela de cores associada aos códigos do vetor de dados é possível se reconstruir a imagem arquivada pelo sistema radar sem o auxílio do RADSYS2000. A tabela 3 mostra todos os objetos com seus códigos e significados para este radar. Nesta tabela são apresentados três tipos básicos de objetos: Camada inferior, camada superior e nível de sinal. Os objetos qualificados de camada inferior são aqueles que aparecem apenas quando não existe nada na frente deles (ecos). Em geral para camada inferior se escolhe continente, oceanos e lagos. Os objetos qualificados de camada superior são aqueles que sempre estão visíveis, por exemplo, contorno de continente ou municípios e textos, mesmo na presença de manchas indicativas de retorno de sinal, para que se saiba o local geográfico do eco. O RADSYS2000 permite que cada objeto possua uma cor configurável pelo usuário.


Tabela 3 – Código dos objetos

Objeto

Código

Significado

1

0

Camada inferior 1

2

1

Camada inferior 2

3

2

Camada inferior 3

4

3

Camada inferior 4

5

128

Camada superior 1

6

129

Camada superior 2

7

130

Camada superior 3

8

131

Camada superior 4

9

4

Nível de sinal 1

10




Nível de sinal 2

11




Nível de sinal 3

12




Nível de sinal 4

13




Nível de sinal 5

14




Nível de sinal 6

A partir do conhecimento detalhado da estrutura da imagem armazenada o RADSYS2000 com sua placa dedicada não era mais necessário, pois com este conhecimento foi possível a construção da nova interface para acesso às imagens livre do hardware específico.




A Nova Interface MIR 1.0 (Maniplulador de Imagens do Radar)




A nova interface foi desenvolvida a partir das seguintes especificações:


- Visualização do banco de imagens do radar sem a necessidade da placa de processamento de imagens e do monitor RGB diretamente a partir do banco de imagens gerado pelo radar;

- Compatibilidade com o sistema operacional Windows 95/98/NT;

- Impressão através do sistema operacional;

- Gera uma seqüência de imagens para animação;

- Visualização da rede de pluviômetros juntamente com as imagens;

- Integrador de imagens.

A ferramenta de desenvolvimento escolhida foi o DELPHI versão 5.0, pois permite um desenvolvimento rápido de aplicativos de alta performance para o ambiente windows. Sua arquitetura baseada em componentes reutilizáveis, principalmente os visuais, simplificou bastante o trabalho de programação.

A interface, em sua forma atual (tela principal do programa MIR) mostrada na Figura 3, apresenta uma barra de opções, uma coluna de dados, uma barra para controle de imagens (animar, parar, avançar, retroceder) e uma área de imagem.




Figura 3 – Tela do programa MIR 1.0

Sobre o Mir 1.0

O principal módulo deste programa é o de decodificação e visualização da imagem armazenada no banco de dados do radar. O principal problema para construção deste módulo estava no fato de que a imagem original não possuía a tabela de cores e como qualquer outro programa não era possível o para DELPHI abrir este arquivo. A solução encontrada foi ler o arquivo, colocando-o em um vetor e inserindo neste uma tabela de cores alterando, conseqüentemente, o tipo de TGA que passou do tipo 10 para o tipo 9. Feita esta alteração o arquivo foi novamente armazenado. Com a tabela de cores inserida foi possível ao DELHPI abrir o arquivo mostrando-o com todas as cores em uma tela gráfica. A partir desta solução foram estruturadas todas as funções da nova interface.

Feito o módulo de acesso às imagens partiu-se para o desenvolvimento do integrador de imagens. Esse é o segundo mais importante módulo da interface. Seu desenvolvimento consiste em abrir cada arquivo de imagem, descartando-se da imagem o que não é precipitação, somando cumulativamente em uma matriz 504 X 486 (total de pontos gráficos) todos arquivos que se deseja integrar. Isto é, os arquivos são abertos como se fossem matrizes e é feito um somatório gerando-se uma matriz resultante. E em seguida é colocado na tela gráfico um mapa juntamente com a matriz resultante, sendo que para cada faixa de números de cada elemento da matriz é associada uma cor. Também foi construída uma função que permitiu a identificação do resultado da soma em qualquer ponto gráfico ao se percorrer com o cursor a imagem.

Um terceiro módulo foi construído com o objetivo específico de mostrar a rede de pluviômetros da FUNCEME. Esta rede é mostrada na tela gráfica segundo a posição geográfica de cada pluviômetro fornecida pela FUNCEME. Dessa forma, plotando-se na rede pluviômetros juntamente com a imagem integrada, é possível associarmos o resultado da integração à precipitação indicada pelo pluviômetro. Essa associação permitirá a criação de um banco de dados que em um futuro próximo levará a calibração da taxa de precipitação indicada pelo radar.



PRIMEIRAS APLICAÇÕES

Análise qualitativa do sinal de retorno do radar

A metodologia empregada para a verificação da calibração do radar, levou em conta a análise estatística dos dados obtidos a partir das coletas de dados pluviométricos. Inicialmente integramos as imagens oriundas do sistema radar produzindo uma matriz superficial de precipitação acumulada de 24 horas. O período de observação foi de 02 a 11 de Abril de 2002, referente ao EMfiN! (Experimento de Microfísica de Nuvens), que contou com a participação da UECE, CTA, UFC e FUNCEME. Posteriormente, sobrepomos os valores de precipitação dos pluviômetros e do radar, de modo a encontrar gráficos comparativos entre a pluviosidade medida pelo radar e a pluviosidade medida pelos 151 pluviômetros terrestres da FUNCEME compreendidos no raio de ação do radar (120 km). Para análise do banco de imagens obtidas pelo radar, utilizamos o MIR 1.0, que possui, entre outras, duas funções fundamentais: a apresentação da rede de pluviômetros terrestres catalogados pela FUNCEME no raio de alcance do radar e integração das imagens armazenadas pelo no banco de imagens.



Resultados preliminares

Analisando os 151 gráficos comparativos entre os valores de precipitação dos pluviômetros e do radar, podemos obter dados qualitativos e quantitativos importantíssimos para a calibração do radar.

A precipitação medida pelo radar em áreas mais próximas encontra-se sobreestimada com relação à medida pelos pluviômetros desta mesma área como podemos observar em um dos gráficos exposto abaixo:

Já a precipitação medida pelo radar em áreas mais afastadas encontra-se subestimadas quando comparadas com as medidas pelos pluviômetros da área em estudo como podemos verificar no gráfico seguinte:


Isso se deve em grande parte à atenuação do sinal do radar, muitas vezes relacionadas com a coincidência de sistemas precipitantes ou a ecos de terreno devido ao relevo dependendo da região em estudo. Esses sistemas possuem características particulares que por sua vez podem caracterizar uma maior ou menor atenuação no sinal do radar.



CONCLUSÕES


A interface para acesso ao banco de imagens do radar (MIR 1.0) encontra-se operacional, permitindo o acesso ao banco de imagens sem a necessidade do RADSYS2000 nem tão pouco do hardware específico. A função de integração de imagens vem sendo sistematicamente utilizada para criação de um banco de imagens integradas para uma posterior análise estatística com a rede de pluviômetros da FUNCEME. Desta analise serão gerados dados que levarão a calibração da taxa de precipitação do radar meteorológico. Apesar do programa estar funcionando adequadamente, outras funções estão sendo incluídas e continuamente aperfeiçoamentos deverão ser feitos uma vez em que esta interface está sendo utilizada em caráter esperimental. Futuramente, essa ferramenta será de fundamental inportância na calibração da taxa de precipitação indicada pelo radar



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1Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais, Rodovia Presidente Dutra, Km 40, Cachoeira Paulista / SP, CEP 12630-000, Fone: (12) 3186-9399 E-mail: rcastelo@cptec.inpe.br

2Departamento de Física do Centro de Ciências e Tecnologia da Universidade Estadual do Ceará, Av. Paranjana, 1700, Fortaleza / CE, CEP 60740-020, Fone: (85) 299-2805 E-mail: fgmp@uece.br

3Departamento de Física do Centro de Ciências e Tecnologia da Universidade Estadual do Ceará, Av. Paranjana, 1700, Fortaleza /CE, CEP 60740-020, Fone: (85) 299-2803 E-mail: marcony@uece.br





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