Design of an image analysis website for phenological and meteorological monitoring
E. Bradley*, D. Roberts, C. Still
abstract :Web camera image databases and web-based services can be valuable components for a variety of modelling applications, but are still areas of relatively new exploration. Investigating design and information flow for an online image archive and analysis site for plant phenology and meteorological research has broader relevance to considerations of interoperability and website features. Currently, numerous online weather cameras provide images, but have no or limited-utility archives and do not support quantitative image analysis. We describe the design and implementation of a website (http:// zulu.geog.ucsb.edu/Data/camera.html) that both provides different display options for archived image review, as well as the ability to chart time-series values extracted for user-specified regions of interest. This interface is distinguished by content-enabled charts with the ability to click on data points and directly access the corresponding image for reference purposes. A linked website to the meteorological data from the camera station further extends the potential for exploratory analysis and pedagogical utility. Online quantification of the color change related to plant senescence and insolation impacts due to cloud cover are demonstrated. We conclude that dynamic web pages are a powerful and useful tool for adding educational and scientific value to repeat digital photography systems.
Keywords: Digital camera; Image analysis; Phenology Meteorology; RGB; Web services Repeat; photograph
1.Introduction
As web camera and web service technology have progressed, there now exists the opportunity to integrate web cameras into a variety of monitoring applications and for accessible and integrated online interfaces. While web cameras have been used in plant phenology and meteorological research and are a central feature in discussions of sensor webs (Liang et al., 2005) they could also be used to further extend knowledge systems for a variety of applications, such as landfill monitoring (Dokas et al., 2009) and flood warnings (Katiyar and Hossain, 2007). Web cameras have tremendous potential, but there exists many challenges shared with other environmental modelling web services including interoperability and standardization (Goodall et al., 2008; Mineter et al., 2003). These issues confound accessing image databases from multiple sources, performing online analysis and implementing automated alerts based on image data. Systematic organization and integration of related products is essential for web services to create a synergistic experience for the user that is more tractaband readily navigable (Panagos et al., 2008). Similar to other webbased educational tools, such as the 4S forest management software (Kirilenko et al., 2007), web camera interfaces can also serve as an accessible and engaging introduction to more complicated analysis. In doing so, such websites simultaneously transform and re-imagine the technique of repeat photography.
2. Project design
As part of the Innovative Datasets for Environmental Analysis by Students (IDEAS) project funded by the National Science Foundation and UC Santa Barbara, a meteorological tower with a web camera was installed at the Coal Oil Point Natural Reserve adjacent to the campus of the University of California, Santa Barbara (COPR station: 34.41386 N, 119.8802 W). This station is part of a network of stations installed in Santa Barbara county. The camera has a fixed orientation and zoom and collects images at 9 am, 12 pm, and 3 pm PST. Using LoggerNet 3.4.1 Task Master, meteorological data and images are downloaded each day at noon to the IDEAS web server via the stationrsquo;s cellular connection. The IDEAS website (http:// www.geog.ucsb.edu/ideas) provides additional project information, along with access to the meteorological data and image archive.
Station equipment was purchased from Campbell Scientific and includes a 10-ft steel tripod, 20-watt solar panel, CR1000 datalogger, CS215 temperature probes at height of 75 and 285 cm, leaf wetness sensor, LI-200X pyranometer (400–1100 nm), tipping bucket, fog collector, CNR-1 four-channel net radiometer, and soil moisture and temperature probes at 10, 20, and 50 cm depth. Communication with the datalogger is achieved with an Airlink Raven110 digital cellular modem with an ATamp;T wireless data plan. The schedule task feature in the Campbell Scientific LoggerNet 3.4.1 software initiates the daily downloads of the most recent meteorological data and images. Vista Engineeringrsquo;s Vista Data Vision 4 software is used to automatically update a MySQL database with current meteorological data and to support online dynamic querying and chart generation as part of the IDEAS website. The data interface allows users to view time-series data for several different stations separately as well as on charts that allow cross-site comparisons. Additionally, the interface supports histograms and scatter plots for exploratory analysis, and all data can be viewed in table format and downloaded. The software offers excellent flexibility for constraining the data by date and using different timescales from hours to months. This data interface is complemented by the IDEAS website, which provides information on the equipment and surrounding environment for each station. Additionally, the website serves as an excellent resource for background material on the environmental measures recorded at the stations, with a range of pertinent equations, graphical demonstrations, and animations.
The camera at COPR is a CC640 CSC digital camera, which produces time-stamped images with 604 504 pixel resolution. It was installed on 5/24/08, and a second camera was installed at the grassland Airstrip (AIRS) station on 9/18/08. Due to intermit
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物候和气象监测的图像分析网站的设计
E. Bradley*, D. Roberts, C. Still
摘要：Web摄像机图像数据库和基于Web的服务可以成为各种建模应用程序的重要组件，但仍是相对较新的探索领域。为植物物候学和气象研究的在线图像档案和分析网站的设计和信息流动的调查与互操作性和网站特征的考虑有更广泛的相关性。目前，许多在线天气相机提供图像，但没有或有限制的实用存档，不支持定量图像分析。我们描述了一个网站(http://zulu.geog.ucsb.edu/Data/camera.html)的设计和实现，这都提供了不同的显示选项以供存档的图像审查，以及为用户指定的兴趣区域提取时间序列值的能力。该接口由内容支持的图表区分，可以单击数据点并直接访问相应的图像以供参考。一个连接的网站，从摄像机站的气象数据进一步扩展了潜在的探索性分析和教学效用。对由于云层覆盖而引起的植物衰老和日晒影响的颜色变化进行了在线量化。我们的结论是，我们的结论是，动态网页是一个强大而有用的工具，它增加教育和科学价值，用来重复数字摄影系统。
关键词:数码相机；图像分析；物候学气象学；RGB；Web服务；重复拍摄
1.概述
随着web摄像头和web服务技术的发展，现在有能力将网络摄像头集成到各种监控应用程序中，并集成到可访问和集成的在线接口中。网络摄像头已经用于植物物候学和气象研究，他们也可以用来进一步扩展知识系统为各种不同的应用程序,如垃圾填埋场监测和洪水警告。网络摄像头具有巨大的潜力，但在其他环境建模Web服务中也存在许多挑战，包括互操作性和标准化。这些问题混淆了从多个数据源访问图像数据库、执行在线分析和基于图像数据以实现自动警报。系统的组织和相关产品的集成对于web服务来说是必不可少的，它可以为用户提供更易于处理的协作体验。类似于其他基于网络的教育工具，如4S森林管理软件，网络摄像头界面也可以提供服务。
2.项目设计
工程设计作为创新环境分析的数据集的一部分,由美国国家科学基金会资助的学生项目和加州大学圣芭芭拉分校的气象塔网络摄像头被安装在煤炭石油点自然保护区附近的加州大学的校园,圣芭芭拉分校。这个站点是圣巴巴拉县安装的车站网络的一部分。相机有固定的方向和变焦，在上午9点、晚上12点和下午3点收集图像。使用LoggerNet 3.4.1任务管理器，气象数据和图像每天中午通过工作站的移动连接下载到IDEAS web服务器。网站(http:// www.geog.ucsb.edu/ideas)提供了额外的项目信息，以及对气象数据和图像档案的访问。
站点设备的购买包括10英尺钢三脚架,20瓦太阳能电池板,CR1000数据记录仪,CS215温度探针在75和285厘米高,叶片湿度传感器,李- 200 x日射强度计(400 - 1100海里),翻斗,雾收集器,CNR-1四通道净辐射仪,土壤水分和温度探头在10,20日和50厘米深度。.与数据记录器的通信是通过与ATamp;T无线数据计划的Air link Raven110数字蜂窝调制解调器实现的。3.4.1软件的调度任务特性开始每日下载最新的气象数据和图像。Vista工程的Vista Data Vision 4软件用于自动更新MySQL数据库和当前的气象数据，并支持在线动态查询和图表生成。作为创意网站的一部分，数据接口允许用户分别查看多个不同站点的时间序列数据，以及允许跨站点比较的图表。另外，接口支持直方图和散点图进行探查分析，所有数据都可以用表格格式查看并下载。该软件提供了很好的灵活性，可以根据日期对数据进行约束，并使用不同的时间间隔从几个小时到几个月。这个数据接口由IDEA网站补充，该网站提供关于每个站点的设备和周围环境的信息。此外，该网站作为一个优秀的资源，为背景材料的环境措施记录在电台，有一系列相关的方程，图形演示，和动画。
COPR的摄像头是CC640 CSC数码相机，它能产生604 504像素分辨率的时间图像。它安装于5/24/08，第二架照相机于9月18日在草地跑道(AIRS)站安装。由于间歇性的通信困难，在调制解调器供电的期间，不同的时间指定了LoggerNet 3.4.1下载任务的多次迭代。空间站的太阳能电池板和电池限制了调制解调器可持续供电的时间长度。对于有直接以太网连接的气象站，数据记录器存储将不再是一个限制，因为图像可以在收集后立即下载。与重命名主脚本一起使用的批处理文件(用于重命名文件组的免费实用程序，可用于www.joejoesoft。每天运行以将下载的文件重命名为包含时间信息。通过将此信息包含在文件名本身中，它消除了数据库将图像与可搜索的元数据链接起来的必要性。由于数据日志记录器在指定文件名方面具有有限的灵活性，因此使用了这个重命名脚本。原始文件名只包含站点名和增量计数。重命名主脚本依赖于包含在图像文件中的变更日期信息，以在四个字母的站点缩写(例如，copr_09_ 03_27_ 20)后面创建带有解析时间信息的新文件名(YY_MM_DD_hh)。JPG是20utc的3/27/09的图像。修改的日期被使用，因为它保存了实际图像收集的时间，而不是在文件创建信息中表示的下载时间。其他的网络相机命名法也直接将时间纳入其中。，Unix时间以秒为单位，而不是将其分解为组件。使用这种时间更准确、更具体;但是，它以编码的方便和灵活性为代价。虽然它可以方便地显示特定于日期的图像，但是要在给定的时间内使用这个系统来显示所有的图像会更加复杂。相反，可以使用递增的时间变量轻松地检索一组日常的时间序列图像，然后将其解析为在YY_MM_DD_hh格式中构建适当的文件名。如果文件名具有较高的时间特异性，即如果在收集时间上有任何程度的可变性，那么这种方法就会失败，并且需要另一种方法。如果需要更具体的命名，则可以使用文件名通配符，也可以使用文件名数据库，其中包含可以通过指定月份、小时等来检索的信息。
3. 案例研究
IDEA camera接口(http://zulu.geog.ucsb.edu/Data/ camera.html)是用来查看不同格式和支持时间序列分析的图像(图3)。PHP和Javascript是常用的，有很好的文档，并且有大量的脚本示例和教程。此外，两种语言都被认为很容易学习。然而，为了将PHP代码合并到一个网站中，PHP必须首先安装在web服务器上并进行配置。许多商业和大学的web服务器已经安装了PHP。
网站的第一个组成部分是一个表单，它允许用户过滤图片并选择如何呈现。参数包括:开始和结束日期，图像应该显示的比例(1,1/2,1/4,1/8大小)，时间(全部，上午9点，下午12点，或下午3点)，站名和日期增量。用户可以选择“Images”按钮，以矩阵格式查看所有选定的图像(行是日期，列是小时，站名)，可以单击每个图像以全面查看。该设计为视觉识别一般趋势提供了一个全景视图，即天空颜色的差异，以及像降雨和雾的气象事件。此外，这种格式对于跨站点比较来说是理想的，可以在一天或一年的某一特定时间进一步细化。日增量变量是一个重要的组成部分，因为它被用来改变返回图像的时间分辨率，例如，从每天的图像到每个月的图像等等。这特别适合于研究较长时间段的低频变化和趋势。此外，它还可以用于创建更少的服务器请求，而不牺牲时间范围。除了以矩阵形式查看图像的选项之外，用户还可以选择将选定的图像视为动画，这可能是一种更有效的方法来识别趋势。这些延时的电影是使用由jsImagePlayer 1.0改编的Javascript代码动态生成的(由德州环境质量委员会的Ron Wells修改，2002年)使用PHP来访问所选的图像。控件允许用户指定动画的速度和停止、启动和跳过帧。
4.结论
我们相信在线存档接口和分析工具对于各种图像数据库是有用的，并且相对容易实现给定的解析文件名约定。此时，虽然我们不能支持用户直接在我们的服务器上处理其他图像，但是我们已经根据请求提供了文档化的源代码。对不同的图像数据库的代码进行修改是很简单的，尽管实现要求服务器有与GD库配置的PHP5以实现完整的功能。我们已经测试了一个图像数据库的适应过程，它具有多个视角和更高的采集频率，并且发现它运行得很快。还可以使用其他脚本语言来制定讨论的许多设计元素(支持csimm的图形、矩阵和动画图像显示等)。对于更广泛的用户基础，支持用户指定的图像数据库的一般在线工具将非常有价值。这将涉及一种形式，以一致的形式(site_YY_MM_DD_hh_ii.jpg)输入在线图像数据库目录(site_YY_MM_DD_hh_ii.jpg)，用户将指定收集图像的日期和开始收集日期的时间。编码需要更加复杂，以支持用户指定的文件名、嵌套文件目录或不一致的图像集合。由于使用网络摄像头进行环境监测的重要性迅速上升(Richardson等人，2007;特纳和安德森2007;Astola et al.， 2008)，显然需要工具来支持探索性分析，并在提取的数据和图像之间架起桥梁。此外，由于应用程序不依赖昂贵的软件，网络相机档案提供了一个极好的机会让学生和普通大众参与到科学的过程中。在本文中，我们描述了用PHP和Javascript编写的在线归档和分析接口的设计和实现。虽然这个特定的基础设施可能不是一个给定的web相机项目的最佳解决方案，但是它确实提供了对设计元素、文件名方法和可视化策略的深入了解。这类讨论是必要的，作为更大的对话的一部分，关于如何最好地使用摄像机进行环境监测，包括摄像机定位和放置，镜头过滤和图像标准，以及大气校正。
5.致谢
这项工作的部分资金来自国家科学基金会课程、课程和实验室改进项目，NSF DUE-0632917，还有来自加州大学圣巴巴拉分校教学改进补助金的额外资助。进一步的web开发通过Eliza Bradley的加州大学校长奖学金资助。COPR气象站的建设是由UCSB地理277/288CS课程完成的，我们感谢所有参与的学生的帮助，以及Doug Fischer的计划和迪伦·帕伦蒂的IT支持。来自匿名评论者和编辑的深刻见解极大地改进了这份手稿。
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