[发明专利]基于多普勒天气雷达数据的强辐合场识别及速度订正方法

摘要

本发明公开了一种基于多普勒天气雷达数据的强辐合场识别及速度订正方法，包括以下步骤：设计新的坐标系将放射状分布的雷达数据转变为格点数据，同时完成高反射率区域提取；设计检测模板，从而在快速定位辐合点的基础上得到描述辐合点辐合强度及位置的参向量；提出从辐合点生成辐合带，再借辐合带走向订正辐合强度的思想和算法，有效克服单仰角上强辐合场的低估甚至漏检的问题；根据单仰角最强辐合点确定剖线从而获得显示强辐合场的较佳剖面，得到强辐合场的深度信息。本方法能自动检测出强辐合场，并通过速度订正方法克服一定的低估和漏检问题，同时自动绘制强辐合场的剖面图并在剖面图中计算强辐合场特征参量，促进对流天气灾害的识别和预报。

主权项

1.一种基于多普勒天气雷达数据的强辐合场识别及速度订正方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、以多普勒雷达基数据为数据来源进行坐标系转换，并在新坐标系A中各仰角的反射率图上提取高反射率区域，分别映射到径向速度图中限定强辐合场的检测范围；步骤如下：1‑1)把各仰角的雷达基数据一一映射到以方位角为横坐标、以径向距离为纵坐标的坐标系A中得到映射后的图像；其中，横坐标以水平向右为正方向，原点处的0°表示正北方向，分辨率为1°，取值范围为0‑359°，纵坐标以竖直向下为正方向，表示各点与雷达间的径向距离，原点处的0km表示雷达位置，分辨率为1km，取值范围为0‑229km；1‑2)对映射后的图像进行20°的延拓，即把0°～19°区间的数据重用到360°～379°范围内，使最终得到的图像大小为380°×230km；1‑3)在坐标系A下的反射率图中提取反射率高于35dBZ的区域，并从提取区域的边界向外做3～5个像素点的扩充，从而得到各仰角上的高反射率区；1‑4)将坐标系A下的反射率图中得到各仰角上的高反射率区分别映射到坐标系A各仰角上的径向速度图中，作为强辐合场的检测范围；步骤二、在步骤一中限定了强辐合场检测范围的各仰角的径向速度图中，提取正速度区域和负速度区域的公共边界点，并在此基础上确定辐合点，计算各辐合点的特征向量；步骤如下：2‑1)在径向速度图中，提取所有正速度区域边界和负速度区域边界，从而得到正速度区域和负速度区域的公共边界点，所有的公共边界点中同时满足其上邻域点为正速度且其下邻域点为负速度条件的公共边界点为辐合点；2‑2)在极坐标系中设计检测模板限定每个辐合点的关联区域，对于辐合点p(θ,r)，设计以辐合点p为公共顶点、分别以过p点及雷达点的径向射线为中轴的两个全等的等腰三角形作为该辐合点的检测模板，设定每个三角形的高度H＝7km，底边长度L＝9km；2‑3)将上述极坐标系中的检测模板转换至坐标系A中；2‑4)在坐标系A中，利用检测模板遍历所有辐合点，计算模板上三角形区域内的正速度点数n⁺、正速度总和及最大正速度负速度点数n^‑、负速度总和及最大负速度并在此基础上得到最大速度差dv_max、平均速度差dv_mean及正负速度极值点坐标和从而得到表征该辐合点处辐合情况的特征向量其中，步骤三、利用步骤2‑1)中得到的辐合点，通过拟合方法得到辐合线，基于辐合线的走向对辐合点的最大速度差dvmax和平均速度差dvmean进行订正；步骤如下：3‑1)生成一幅大小为380°×230km二值图像，以步骤2‑1)中得到的辐合点为基础，将所有辐合点及其对应2km范围内的点赋值为1，其余位置的点赋值为0，提取二值图像中的所有连通域；3‑2)组织每个连通区域中包含的辐合点点集(i,j)对二次曲线模型j＝a2i2+a1i+a0进行最小二乘拟合，得到拟合曲线方程，其中，若一个连通域中包含的辐合点数小于5个，则不对该连通域内的辐合点进行辐合线拟合；3‑3)求拟合曲线的导函数：f′(i)＝2a2i+a1，代入i可得到拟合曲线上各点切线的斜率f′(i)，进而利用反三角函数计算得到拟合曲线上各点与径向方向的夹角αi；3‑4)求同一拟合曲线上各点与径向方向的夹角α_i的均值利用对步骤2‑4)得到的该连通区域中的各个辐合点的最大速度差dv_max和平均速度差dv_mean进行订正，订正公式如下：速度订正后，以dv′max、dv′mean替代辐合点特征向量中的dvmax、dvmean；步骤四、利用所有辐合点的特征向量，确定各仰角上的强辐合点，从而圈定各仰角上的强辐合区域，并通过纵向匹配确定强辐合场的位置；步骤如下：4‑1)将同时满足dv_max≥25m/s及dv_mean≥12m/s的辐合点记为强辐合点；生成一幅大小为380°×230km的二值图像，将所有与强辐合点及强辐合点的检测模板位置相对应的点赋值为1，其余位置的点赋值为0，提取该二值图像中的所有连通域，每个连通域对应一个强辐合区，记录每个强辐合区的外包矩形的尺寸、中心点坐标以及其中包含的所有辐合点的特征向量p_i∈ω,i＝1,2,…,n；4‑2)遍历每个强辐合区内所有辐合点的特征向量i＝1,2,…,n，按照式(6)确定该较强辐合区的代表点p₀：4‑3)从低仰角开始搜索，对相邻仰角上的强辐合区进行两两匹配运算，并将高低仰角间的辐合区外包矩形中心距小于15km的强辐合区进行关联，其中两种特殊情况的处理规则如下：对于相邻仰角中出现的多对一或一对多的强辐合区关联关系，对共同关联到一个强辐合区的多个强辐合区进行取舍，保留多个强辐合区中代表点的dvmax最大者；对于相邻仰角中未匹配到关联对象的强辐合区，如果位于较低仰角，则保留下来，待与更高仰角的强辐合区进行匹配；获得两个以上仰角关联的强辐合区对应的最大外包矩形区域为强辐合场区域；步骤五、基于步骤四中得到的强辐合场区域，利用在各仰角上的强辐合区的代表点的特征向量在每个仰角的径向速度图中确定剖线，从而通过插值方法得到强辐合场的剖面图，在剖面图中计算强辐合场的特征参量；步骤如下：5‑1)对每个仰角下强辐合区的代表点p₀，设其特征向量中元素间连线长度为d_±，将该连线向两侧各延伸△，得到正速度侧的剖点p₁和负速度侧的剖点p₂，使两个剖点满足d(p₁,p₂)＝d_±+2△＝15；其中0≤△≤7；5‑2)以作剖线，用双线性插值算法由9个仰角的径向速度数据插值得到垂直剖面的格点数据，获得第i张剖面图，i＝1,…,z；5‑3)在基于代表点p0得到的剖面图上，自p0持续向上向下搜索其3邻域中的辐合点；搜索结束后，得到一条纵向的辐合线段，线段所记录的辐合点高度范围即为辐合场的高度延伸范围Hi‑1～Hi‑m；i＝1,2,…,z；5‑4)以辐合点为中心点，计算该辐合点左右两侧各6*5的矩形范围内点的dv_max(p)及和如果则记q_j,j＝1,…,m为剖面图中的强辐合点；从而得到基于该剖面图的强辐合场三维参向量：辐合强度高值、切变量高值、辐合场高度范围，即(dv_Mi,S_i,H_i‑1,H_i‑m),i＝1,2,…,z，其中