Brevet FR2674974A1 — publié le 19921009

La présente invention est relative à un procédé de classification automatique de l'état nuageux du ciel vu depuis la surface du globe terrestre. La connaissance de l'état nuageux du ciel est une des données nécessaires à l'établissement de bulletins météorologiques et de prévisions météorologiques. L'état nuageux au ciel est jusqu'à présent déterminé par des observateurs, ayant une formation d'ingénieur météorologiste, qui procèdent quotidiennement à l'observation visuelle humaine de l'état nuageux du ciel afin d'en établir un compte-rendu ou bulletin à l'aide de différents paramètres de classification. Cette technique de classification est normalisée internationalement et se fonde sur trois critères principaux de classification des nuages qui sont le genre, l'espèce et la variété, et sur un quatrième critère également appelé particularité supplémentaire. Il a ainsi été possible, d'après les formes caractéristiques principales, d'effectuer une classification des nuages en dix genres, tels que notamment les cirrus, les stratus, les cumulus, etc. Les genres se subdivisent en espèces, d'après des considérations de formes, de dimensions, de structures et, éventuellement, de processus physiques de formation. On distingue ainsi différentes espèces telles que les fibratus, nébulosus, floccus, etc. Les genres et les espèces se subdivisent éventuellement en variétés, d'après le degré de transparence du nuage ou la disposition de ses éléments visibles. Parmi ces variétés on distingue par exemple les intortus, undulatus, opacus, etc. Enfin, les individus nuageux peuvent présenter certaines particularités, ou appendices, tantôt séparées, tantôt attenantes à la partie principale du nuage et qu'on appelle, suivant les cas, particularités supplémentaires ou nuages annexes. Parmi celles-ci on distingue notamment les mamma, virga, velum, etc. L'observation de l'état nuageux par un ingénieur météorologiste consiste à regarder le ciel, ou une partie du ciel, en vue de déterminer les éléments suivants - le genre de chacun des nuages présents en précisant l'espèce et éventuellement la variété, ainsi que les particularités supplémentaires et à les identifier à l'aide d'abréviations conventionnelles; - la fraction ou portion de la voûte céleste masquée par l'ensemble des nuages; - la fraction ou la portion de la voûte céleste masquée par chaque genre de nuage; - le secteur de l'horizon dans lequel se trouve le genre de nuage considéré; - la hauteur de chaque genre de nuage lorsqu'elle a pu être déterminée ou estimée. On détermine notamment ainsi le coefficient de nébulosité totale N ainsi que les coefficients de nébulosité partielle qui sont caractéristiques de la fraction de la voûte céleste qui est masquée par un nuage. Ce terme de nébulosité partielle est toujours complété par l'indication du nuage auquel il se rapporte. La codification s'effectue également selon trois chiffres codes CL, CM et CH qui caractérisent trois hauteurs, respectivement basse, moyenne et haute, du ciel accompagnées de chiffres codes, le genre de nuages correspondant à l'une de ces trois hauteurs. Cette opération dite de classification de l'état nuageux du ciel est donc particulièrement complexe et nécessite un apprentissage très long de la part des observateurs et l'utilisation de tables de codage normalisées. De plus, du fait de l'acuité visuelle humaine, cette méthode d'observation ne permet pas d'établir de classification de l'état nuageux nocturne. La présente invention a pour but de proposer un procédé de classification automatique de l'état nuageux du ciel. A cet effet, l'invention propose un procédé caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes - a) prise d'au moins une première vue du ciel, ou de la partie du ciel, dont on désire effectuer la classification; - b) numérisation de la vue afin d'en permettre une analyse par des moyens de traitement automatique d'images numérisées; - c) analyse principale de la vue numérisée afin de déterminer des paramètres morphologiques de l'état nuageux du ciel comportant notamment le nombre, la position et l'orientation des nuages apparaissant sur la vue ainsi que, pour chaque nuage, la surface, le périmètre et un ou plusieurs facteurs de formes; - d) analyse complémentaire de la vue numérisée afin de déterminer pour chaque nuage ses paramètres de texture à partir de sa couleur et/ou de ses différents niveaux de gris;; - e) mémorisation des paramètres morphologiques et de texture déterminés lors des étapes d'analyses principale et complémentaire; - f) comparaison des paramètres mémorisés avec ceux d'états nuageux types préalablement paramétrés de manière à évaluer une ou plusieurs valeurs caractéristiques de l'état nuageux du ciel à classifier; et - g) établissement d'un compte-rendu de l'état nuageux du ciel. Selon une autre caractéristique de l'invention, le procédé comporte l'étape supplémentaire suivante - al) prise d'au moins une vue supplémentaire avec un grossissement optique plus important d'un nuage particulier du ciel; et le procédé consiste, pour cette vue supplémentaire, à réitérer au moins partiellement les étapes c à e afin de vérifier l'exactitude des paramètres morphologiques et de texture de ce nuage particulier, ou de corriger les valeurs de ces paramètres, puis à réitérer l'étape f) de comparaison à partir des valeurs vérifiées ou corrigées. L'étape supplémentaire al) est notamment mise en oeuvre à la suite d'une première étape de comparaison f) n'ayant pas permis d'évaluer les valeurs caractéristiques de l'état nuageux du ciel à classifier. Selon une autre caractéristique de l'invention, le procédé peut comporter une étape fl) de vérification de lacompatibilitéde l'état nuageux du ciel avec des données météorologiques relevées sensiblement simultanément à la prise de vue, telles que la température, l'hygrométrie, la force du vent, l'existence de précipitations. L'invention propose également un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, caractérisé en ce qu'il comporte une station de prise de vues comportant au moins un appareil de prise de vues, une unité de numérisation des vues, une unité de traitement automatique d'images numérisées, et une unité centrale de traitement informatique des paramètres mémorisés pour les comparer avec ceux des états nuageux type stockés dans une mémoire de l'unité centrale. Selon d'autres caractéristiques de l'invention: - l'appareil de prise de vues permet la prise de vues diurne ou nocturne de l'état du ciel; - le dispositif comporte plusieurs appareils de prise de vues de sensibilités différentes; - un au moins des appareils de prise de vues comporte un objectif à focale variable ou plusieurs objectifs interchangeables de focales différentes; et - la station de prise de vues comporte des moyens d'orientation en site et en gisement de l'appareil de prise de vues pour effectuer une visée optique sur le nuage particulier. La description qui va suivre en regard du dessin annexé à titre d'exemple non limitatif, permettra de bien comprendre comment l'invention peut être mise en pratique. La figure unique est une vue schématique d'un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de classification automatique selon les enseignements de l'invention. Le dispositif 10 représenté sur la figure comporte une station de prise de vues 12, une unité 14 de numérisation des vues, une unité 16 de traitement automatique d'images numérisées, une unité centrale de traitement informatique 18, une unité 20 d'impression d'un compte-rendu de l'état nuageux du ciel, et une station météorologique 22. La station de prise de vues 12 comporte trois caméras 24, 26 et 28 équipées chacune d'un objectif à focale variable ou zoom 30. Les trois caméras ont par exemple chacune une sensibilité différente leur permettant d'effectuer des prises de vues du ciel pour des conditions d'éclairement différentes et notamment des prises de vues diurnes et nocturnes. Chacune de ces caméras ou appareils de prise de vues peut par exemple utiliser la technologie dite ICCD (Intensified Coppeled Charged Device) matricielle. Il peut également s'agir de capteurs à faible luminosité réalisés selon la technologie SIT (Silicone Intensified Target). Les trois caméras ou appareils de prise de vues sont reliés par une connexion 32 à l'unité 14 de numérisation des vues. Les trois caméras 24, 26 et 28 sont fixées sur une platine 34 qui est montée orientable en site et en gisement par rapport au sol 36 autour de deux axes 38 et 40. Les mouvements en site et en gisement de la platine 34 peuvent être commandés et pilotés automatiquement par des moyens non représentés. L'unité 14 a pour fonction de numériser les vues, c'est-à-dire de transformer les informations provenant des caméras par la connexion 32 en une série de signaux numé- riques qui permettent un traitement automatique des images ainsi numérisées en vue de leur analyse. L'unité de numérisation 14 peut par exemple comporter une ou plusieurs cartes électroniques de numérisation pour réaliser le formatage des informations au standard d'un bus de communication intégrant les options V#IE, AT, SBUS L'unité de numérisation 14 est reliée à l'unité de traitement des images numérisées 16 par une connexion 38a. L'unité de traitement 16 est un module constitué d'une ou plusieurs cartes électroniques. L'unité 16 met en oeuvre des techniques connues d'analyse d'images et de reconnaissance de formes permettant de déterminer les paramètres morphologiques et de texture des nuages. Ces paramètres sont ensuite transmis par une connexion 40aàl'unité centrale de traitement 18 qui contient d'une part des moyens de mémorisation des paramètres transmis, des moyens de stockage d'états nuageux types préalablement paramétrés et enregistrés et des moyens de comparaison des paramètres transmis par l'unité 16 avec ceux des états nuageux types. L'unité centrale 18 a pour but de mettre en oeuvre un système expert dont les principes de fonctionnement correspondent par exemple à ceux mis en oeuvre lors de l'éta- blissement visuel et manuel de l'état nuageux du ciel. L'unité centrale 18 reçoit également des données météorologiques d'une station météorologique 22 qui permet par exemple de relever la température extérieure, l'hygrométrie extérieure, la présence ou non de précipitations, simultanément à la prise des vues. L'unité 20 reliée à l'unité centrale 18 par une connexion 42 est par exemple une imprimante permettant de réaliser un compte-rendu ou bulletin contenant l'état nuageux classifié du ciel. On décrira maintenant le procédé de classification automatique des nuages mis en oeuvre avec le dispositif 10. On commence par réaliser, à l'aide de la station 12, la prise d'une première vue, diurne ou nocturne, de l'état nuageux du ciel. On réalise ensuite dans l'unité 14 une numérisation du signal provenant de la ou des caméras utilisées pour la réalisation de la prise de la première vue. On procède ensuite dans l'unité 16 à une analyse principale et à une analyse secondaire. L'analyse principale de l'image numérisée dans l'unité 14 a pour but de déterminer les paramètres dits morphologiques de l'état nuageux du ciel. Il s'agit notamment de déterminer le nombre, la position et l'orientation des nuages apparaissant sur la vue ainsi que, pour chaque nuage, sa surface, son périmètre et éventuellement un ou plusieurs facteurs de forme. L'analyse complémentaire de l'image numérisée a pour but de déterminer les paramètres de texture des nuages à partir de leurs couleurs ou des niveaux de gris. A ce stade de l'analyse, et au cas où les données numérisées ne seraient pas suffisantes pour aboutir à une paramétrisation, notamment des paramètres de texture, il est possible de mettre en oeuvre automatiquement les moyens de visée orientables et à focale variable de la station de prise de vues 12 afin de réaliser au moins une vue supplémentaire d'un nuage particulier puis de réitérer les opérations de numérisation et d'analyse complémentaire afin de vérifier la validité des paramètres de texture ou de les corriger. Une fois que tous les paramètres morphologiques et de texture ont été obtenus à l'aide de l'unité 16, il sont transmis au système expert dans lequel ils sont mémorisés puis comparés aux états types du ciel qui auront été préalablement enregistrés et stockés lors de l'apprentissage du système expert incorporé à l'unité centrale 18. L'unité centrale 18 établit alors un premier diagnostic de l'état nuageux du ciel. L'unité centrale vérifie que ce premier diagnostic est compatible avec les données météorologiques externes qui lui sont transmises par la station météorologique 22. Le diagnostic est également comparé aux diagnostics précédents qui ont été stockés dans une mémoire prévue à cet effet. Si l'unité centrale détermine que le diagnostic n'est pas correct, elle prévoit, selon les cas, de reprendre la totalité des opérations en effectuant à nouveau une prise de vue de l'état nuageux du ciel ou des prises de vues de nuages particuliers afin d'en vérifier les paramètres de texture. A l'aide de l'historique obtenu grâce à la mémorisation de différents états nuageux successifs du ciel, l'unité centrale peut également surveiller notamment la croissance des cumulonimbus afin de donner un signal d'alerte d'un risque de fortes précipitations. Après la vérification de l'ensemble des diagnostics, l'unité centrale transmet à l'unité 20 l'ensemble des résultats des analyses et des opérations de comparaisons afin d'imprimer selon un format déterminé un compte-rendu ou bulletin de classification de l'état nuageux du ciel qui contient par exemple les cinq valeurs ou critères principaux que sont la nébulosité totale N, la nébulosité partielle NH correspondant au taux de couverture de la couche nuageuse basse, et les valeurs CL, CM et CH qui décrivent de façon connue l'état des couches basse, moyenne et haute des nuages. De plus, le bulletin peut comporter des informations relatives à la hauteur, au genre et à l'espèce des nuages. Le dispositif et le procédé selon l'invention permettent notamment l'établissement de bulletins de classification de l'état nuageux du ciel nocturne vu depuis la surface du globe terrestre qui ne sont pas disponibles à ce jour. Les bulletins peuvent bien entendu être transmis par des moyens de télécommunication et être, le cas échéant, accompagnés des vues du ciel préalablement numérisées. REVENDICATIONS 1. Procédé de classification automatique de l'état nuageux du ciel vu depuis la surface du globe terrestre, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: - prise au moins d'une première vue du ciel ou de la partie du ciel dont on désire effectuer la classification; - b) numérisation de la vue afin d'en permettre une analyse par des moyens de traitement automatique d'images numérisées; - c) analyse principale de la vue numérisée afin de déterminer des paramètres morphologiques de l'état nuageux du ciel comportant notamment le nombre, la position et l'orientation des nuages apparaissant sur la vue, ainsi que, pour chaque nuage, la surface, le périmètre et un ou plusieurs facteurs de formes;; - d) analyse complémentaire de la vue numérisée afin de déterminer pour chaque nuage ses paramètres de texture à partir de sa couleur et/ou de ses différents niveaux de gris; - e) mémorisation des paramètres morphologiques et de texture déterminés lors des étapes d'analyse principale c) et complémentaire d); - f) comparaison des paramètres mémorisés avec ceux d'états nuageux types préalablement paramétrés de manière à évaluer une ou plusieurs valeurs caractéristiques de l'état nuageux du ciel à classifier, et - g) établissement d'un compte-rendu de l'état nuageux du ciel. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte l'étape supplémentaire suivante - al) prise d'au moins une vue supplémentaire avec un grossissement optique plus important d'un nuage particulier du ciel; et en ce qu'il consiste, pour cette vue supplémentaire, à réitérer partiellement ou en totalité les étapes c) à e) afin de vérifier l'exactitude des paramètres morphologiques et de texture de ce nuage particulier ou de corriger les valeurs de ces paramères, puis à réitérer l'étape f) de comparaison à partir des valeurs vérifiées ou corrigées. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'étape supplémentaire al) est mise en oeuvre à la suite d'une première étape de comparaison f) n'ayant pas permis d'évaluer les valeurs caractéristiques de l'état nuageux du ciel à classifier. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte une étape fl) de vérification de la compatibilité de l'état nuageux du ciel avec des données météorologiques relevées sensiblement simultanément à la prise de vue, telles que la température, l'hygrométrie, la force du vent, l'existence de précipitations ... 5. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte une station (12) de prise de vues comportant au moins un appareil de prise de vues (24, 26, 28), une unité (14) de numérisation des vues, une unité (16) de traitement automatique d'images numérisées, et une unité centrale (18) de traitement informatique des paramètres mémorisés pour les comparer avec ceux des états nuageux types stockés dans une mémoire de l'unité centrale (18). 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'appareil de prise de vues permet la prise de vues diurnes ou nocturnes de l'état nuageux du ciel. 7. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs appareils de prise de vues (24, 26, 28) de sensibilités différentes. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, prise en combinaison avec la revendication 2, caractérisé en ce que l'un au moins des appareils de prise de vues comporte un objectif à focale variable (30) ou plusieurs objectifs interchangeables de focales différentes. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la station de prise de vues comporte des moyens d'orientation en site et en gisement de l'appareil de prise de vues pour effectuer une visée optique sur ledit nuage particulier.