專利名稱：一種用于氣象學(xué)中提取邊界層輻合線區(qū)域的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氣象領(lǐng)域，特別涉及一種用于氣象學(xué)中提取邊界層輻合線區(qū)域的方法。
背景技術(shù)：
強對流天氣給人民的社會生活帶來巨大的影響，在強對流天氣形成的前期，天氣系統(tǒng)中會存在著一些預(yù)示災(zāi)害的氣象學(xué)特征——邊界層輻合線區(qū)域是重要的特征之一。隨著計算機科學(xué)的發(fā)展，依據(jù)強對流天氣的形態(tài)發(fā)展，可以借助模式識別的基本理論和圖像處理的相關(guān)技術(shù)，使強風(fēng)暴的預(yù)報更加有效和準確。在減少預(yù)報人員主觀性的同時提高天氣預(yù)報的準確率，并且為預(yù)報人員提供預(yù)測的理論依據(jù)。雷達上探測到的弱窄帶回波 (Narrow-Band Echo) 一般都對應(yīng)著邊界層的福合線。許多研究發(fā)現(xiàn)，大尺度的邊界層福合線區(qū)域在決定強風(fēng)暴的發(fā)生過程中起著重要作用，并且它與風(fēng)暴發(fā)生的時間、位置有關(guān)。美國專家在研究強對流天氣臨近預(yù)報的工作中，提出了邊界層輻合線區(qū)域在雷暴的生成過程中起著重要作用。引起雷暴的邊界層輻合線區(qū)域表現(xiàn)各種多樣，它可能是新產(chǎn)生的一條強烈的邊界層輻合線區(qū)域；也可能是持續(xù)的邊界層輻合線區(qū)域與上升氣流的相互運動作用；也可能是多條邊界層輻合線區(qū)域發(fā)生相互碰撞；或者是邊界層輻合線區(qū)域?qū)邓茖拥脑鰪娮饔?；或者邊界層輻合線區(qū)域與局部山地等地形條件的相互作用。在利用多普勒雷達標定局地風(fēng)暴的產(chǎn)生位置起著重要作用，局地風(fēng)暴不斷地生長發(fā)展，而邊界層輻合線區(qū)域卻有可能預(yù)測未來風(fēng)暴的形成及其存在的位置。另外，邊界層是地面和大氣間的過渡帶，起著摩擦作用。地面來的水汽是大氣水分的重要來源，而地面來的感熱、潛熱及輻射熱通量是大氣的重要熱源。因此，對邊界層輻合線區(qū)域的提取就有非常重要的研究意義。發(fā)明人在實現(xiàn)本發(fā)明的過程中，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)中至少存在以下的缺點和不足現(xiàn)有技術(shù)從氣象學(xué)中提取邊界層輻合線區(qū)域時對于大批數(shù)據(jù)處理不僅速度較慢， 影響了預(yù)報時間，如果處理數(shù)據(jù)過于龐大可能還會影響預(yù)報速度，帶來不良的后果，而且存在準確率低的問題，進而會出現(xiàn)誤報和漏報等情況。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種用于氣象學(xué)中提取邊界層輻合線區(qū)域的方法，該方法實現(xiàn)了較快的從氣象學(xué)中提取邊界層輻合線區(qū)域，并且準確率很高，在一定程度上解決了誤報和漏報的問題，詳見下文描述—種用于氣象學(xué)中提取邊界層輻合線區(qū)域的方法，所述方法包括以下步驟(I)設(shè)計探測窗的形狀和尺度；(2)將雷達反射率圖中反射率值R(P)屬于邊界層輻合線取值集合Ri2的像素點標記為種子點，即R(P) e Rfi, Rfi = {15，20，25，30，35}dbz，將不滿足條件的像素點P標記為背景色，執(zhí)行步驟⑶；(3)以預(yù)設(shè)條件對所述種子點在所述當前探測窗內(nèi)進行8鄰域區(qū)域生長，判斷所述探測窗內(nèi)生長點的反射率值R( Π)是否大于等于反射率閾值 ；，即R(il) 且滿足判斷準則，如果是，則由所述生長點和種子點構(gòu)成局部帶狀區(qū)域Ω，并對所述當前探測窗內(nèi)的種子點進行標記，執(zhí)行步驟⑷；如果否，更新反射率閾值Τ,，重新執(zhí)行步驟⑶；(4)以所述局部帶狀區(qū)域Ω和所述當前探測窗的交點為下一探測窗的幾何中心， 所述下一探測窗沿未探測區(qū)域移動，直到由多個所述局部帶狀區(qū)域Ω構(gòu)成完整帶狀區(qū)域， 對未標記的種子點重新執(zhí)行步驟(3)，直到所述雷達反射率圖中的所有種子點都被標記；(5)對所述完整帶狀區(qū)域中的各個探測窗的幾何中心進行連接獲取中心連線，將所述中心連線作為所述完整帶狀區(qū)域的骨架線描述，利用帶狀度準則和對流風(fēng)場準則在所有所述完整帶狀區(qū)域中識別出具有氣象意義的邊界層輻合線區(qū)域，流程結(jié)束。步驟(3)中的所述更新反射率閾值I；具體為Tr的取值為集合Ri2中的元素，首先I；的取值為35，當不滿足所述判斷準則時，更新反射率閾值Tr為30 ;!；的取值為30，當不滿足所述判斷準則時，更新反射率閾值Tr為25 ; Tr的取值為25，當不滿足所述判斷準則時，更新反射率閾值I；為20 ；Tr的取值為20，當不滿足所述判斷準則時，更新反射率閾值I；為15 ；Tr的取值為15，當不滿足所述判斷準則時，按照所述預(yù)設(shè)條件對下一種子點執(zhí)行步驟(3)。所述判斷準則具體為條件I :所述局部帶狀區(qū)域Ω的面積與探測窗的面積的商< 50% ；條件2 :探測窗內(nèi)連通域的個數(shù)大于等于2。所述帶狀度準則具體為完整帶狀區(qū)域骨架線上任意兩點間的最大距離與所述完整帶狀區(qū)域骨架線的總長度的商大于O. 5。所述對流風(fēng)場準則具體為完整帶狀區(qū)域骨架線兩側(cè)的平均徑向風(fēng)速差大于lOm/s。本發(fā)明提供的技術(shù)方案的有益效果是本發(fā)明提供了一種用于氣象學(xué)中提取邊界層輻合線區(qū)域的方法，本方法通過探測窗從氣象學(xué)中檢測出邊界層輻合線區(qū)域，該方法實現(xiàn)了較快的從氣象學(xué)中提取邊界層輻合線區(qū)域，并且準確率很高，在一定程度上解決了誤報和漏報的問題，滿足了實際應(yīng)用中的需要。


圖I為本發(fā)明提供的一種用于氣象學(xué)中提取邊界層輻合線區(qū)域的方法的流程圖；圖2為本發(fā)明提供的邊界層輻合線區(qū)域的示意圖；圖3為本發(fā)明提供的探測窗內(nèi)遞進式反射率閾值的示意圖；圖4為本發(fā)明提供的探測窗內(nèi)局部帶狀區(qū)域判斷準則的示意圖；圖5為本發(fā)明提供的探測窗中心和下一探測窗中心的示意圖；圖6為本發(fā)明提供的探測窗運動軌跡的示意圖；圖7為本發(fā)明提供的不符合帶狀度準則的帶狀區(qū)域骨架線示意圖；圖8為本發(fā)明提供的對流風(fēng)場準則示意圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明實施方式作進一步地詳細描述。為了實現(xiàn)較快的從氣象學(xué)中提取邊界層輻合線區(qū)域，提高準確率，解決誤報和漏報的問題，參見圖1，本發(fā)明實施例提供了一種用于氣象學(xué)中提取邊界層輻合線區(qū)域的方法，詳見下文描述101 :設(shè)計探測窗的形狀和尺度；其中，具體實現(xiàn)時，探測窗的形狀可以為正方形和矩形等，本發(fā)明實施例對此不做限制。進一步地，為了提高運算速度和不受輻合線方向的限制，本發(fā)明實施例優(yōu)選探測窗的形狀為正方形，本發(fā)明實施例以正方形為例進行說明。其中，本發(fā)明實施例對探測窗的尺寸不做限制，例如當探測窗為正方形時，可以選擇邊長為11，探測窗的尺寸越大，檢測速度越快，但漏報率會增高；相反，探測窗的尺寸越小，檢測速度越慢，但誤報率會增高，具體實現(xiàn)時，根據(jù)實際應(yīng)用中的需要進行設(shè)定。102 :將雷達反射率圖中反射率值R(P)屬于邊界層輻合線取值集合Ri2的像素點標記為種子點，即R(P) e Rfi, Rfi = {15，20，25，30，35}dbz，將不滿足條件的像素點P標記為背景色，執(zhí)行步驟103;其中，將像素點P標記為背景色具體為將像素點P的RGB值設(shè)置為零，為黑色。其中，參見圖2，黑框區(qū)域標注了邊界層輻合線區(qū)域，如圖中黑框中的綠色線條。 一條邊界層輻合線區(qū)域上存在的反射率強度值可能不完全相同，但大部分會集中在15、20、 25,30和35這幾個數(shù)量級上；反映在圖上，也就是由這五個數(shù)量級代表的五種顏色表示的帶狀區(qū)域。103 :以預(yù)設(shè)條件對種子點在當前探測窗內(nèi)進行8鄰域區(qū)域生長(其中，種子點為當前探測窗中心)，判斷探測窗內(nèi)生長點的反射率值R( n)是否大于等于反射率閾值 ；，即 R(n) Si；，且滿足判斷準則，如果是，則由生長點和種子點構(gòu)成輻合線區(qū)域ω，并對當前探測窗內(nèi)的種子點進行標記，執(zhí)行步驟104 ;如果否，更新反射率閾值Tr，重新執(zhí)行步驟103 ；其中，參見圖3，A、B、C、D和E分別代表35、30、25、20和15的反射率閾值，I；的取值為集合Ri2中的元素，更新反射率閾值I；具體為首先I；的取值為35，當不滿足判斷準則時，更新反射率閾值I；為30 ；Tr的取值為30，當不滿足判斷準則時，更新反射率閾值I；為 25 ；Tr的取值為25，當不滿足判斷準則時，更新反射率閾值I；為20 ；Tr的取值為20，當不滿足判斷準則時，更新反射率閾值I；為15 ；Tr的取值為15，當不滿足判斷準則時，按照預(yù)設(shè)條件對下一種子點執(zhí)行步驟103。參見圖3，第一幅圖代表探測窗的原始圖像，第二幅圖代表以35dbz為反射率閾值時的圖像，第三幅圖代表以30dbz為反射率閾值時的圖像，第四幅圖代表以25dbz為反射率閾值時的圖像，此時形成帶狀區(qū)域，滿足了判斷準則，此探測窗檢測完畢。其中，判斷準則具體為條件I :局部帶狀區(qū)域Ω的面積與探測窗的面積的商< 50% ；條件2 :探測窗內(nèi)連通域的個數(shù)大于等于2。參見圖4，A、B、C同時滿足條件I和條件2，認定為局部帶狀區(qū)域；(滿足條件2但不滿足條件1，不認定為局部帶狀區(qū)域山滿足條件I但不滿足條件2，不認定為局部帶狀區(qū)域。其中，預(yù)設(shè)條件具體為以一定的順序遍歷所有的種子點，例如從雷達反射率圖左上角開始逐行掃描等。104 :以局部帶狀區(qū)域Ω和當前探測窗的交點為下一探測窗的幾何中心，下一探測窗沿未探測區(qū)域移動，直到由多個局部帶狀區(qū)域Ω構(gòu)成完整帶狀區(qū)域，對未標記的種子點重新執(zhí)行步驟103，直到雷達反射率圖中的所有種子點都被標記；其中，參見圖5，正方形框為當前探測窗所在位置，O點為當前探測窗的中心，m點為下一探測窗的中心。這樣極大的加快了探測窗的運動步長以及對帶狀區(qū)域識別的準確性，參見圖6，描述了在探索邊界層輻合線帶狀區(qū)域的過程中探測窗運動的軌跡。105 :對完整帶狀區(qū)域中的各個探測窗的幾何中心進行連接獲取中心連線，將中心連線作為完整帶狀區(qū)域的骨架線描述，利用帶狀度準則和對流風(fēng)場準則在所有完整帶狀區(qū)域中識別出具有氣象意義的邊界層輻合線區(qū)域，流程結(jié)束。其中，帶狀度準則具體為完整帶狀區(qū)域骨架線上任意兩點間的距離與完整帶狀區(qū)域骨架線的總長度的商大于O. 5。對流風(fēng)場準則具體為完整帶狀區(qū)域骨架線兩側(cè)的平均徑向風(fēng)速差大于lOm/s。其中，具有氣象意義的邊界層輻合線區(qū)域具體為如果提取出來的帶狀區(qū)域既滿足帶狀區(qū)的帶狀度準則和對流風(fēng)場準則，則由帶狀區(qū)域提取出來的骨架線是邊界層輻合線，對風(fēng)暴的預(yù)測有意義，如果不滿足則兩個準則，則不是邊界層輻合線，對風(fēng)暴的預(yù)測就沒有意義。參見圖7，線a和線b不符合帶狀度準則。參見圖8，白色的完整帶狀區(qū)域輻合線被疊加在徑向速度圖上。輻合線左上側(cè)，徑向速度為負值，風(fēng)吹向輻合線；輻合線右下側(cè)，徑向速度為正值，風(fēng)還是吹向輻合線；輻合線兩側(cè)形成對流風(fēng)場，符合對流風(fēng)場判斷準則。下面以一個具體的試驗來驗證本發(fā)明實施例提供的一種用于氣象學(xué)中提取邊界層輻合線區(qū)域的方法的可行性，詳見下文描述對反射率圖組織測試，測量包括天津氣象局提供的2005年6月25日09時29分到14時32分、2005年7月11日05時30分到20時01分、2006年8月I日09時13分到 12時43分、2008年8月2日08時30分到10時30分、2008年8月5日07時06分到10 時24分等雷達數(shù)據(jù)以及如商丘、阜陽、合肥的個別雷達序列基數(shù)據(jù)。其中(1)有5. 73%的邊界層輻合線區(qū)域未被檢出(漏識)，查其原因，發(fā)現(xiàn)這些邊界層輻合線區(qū)域的反射率值跳出了本發(fā)明實施例設(shè)定的Ri2的范圍，適當調(diào)整閾值范圍，可以進一步提高檢出率；(2)邊界層輻合線區(qū)域的誤報率為15. 73，因為有些情況下這些帶狀區(qū)域不一定是邊界層輻合線區(qū)域，它們是一些偽邊界層輻合線區(qū)域，本方法以小于6%的漏識率和小于16%的誤報率，滿足了實際應(yīng)用中的需要。綜上所述，本發(fā)明實施例提供了一種用于氣象學(xué)中提取邊界層輻合線區(qū)域的方法，本方法通過探測窗從氣象學(xué)中檢測出邊界層輻合線區(qū)域，該方法實現(xiàn)了較快的從氣象學(xué)中提取邊界層輻合線區(qū)域，并且準確率很高，在一定程度上解決了誤報和漏識的問題，滿足了實際應(yīng)用中的需要。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解附圖只是一個優(yōu)選實施例的示意圖，上述本發(fā)明實施例序號僅僅為了描述，不代表實施例的優(yōu)劣。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于氣象學(xué)中提取邊界層輻合線區(qū)域的方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟(1)設(shè)計探測窗的形狀和尺度；(2)將雷達反射率圖中反射率值R(P)屬于邊界層輻合線取值集合Ri2的像素點標記為種子點，即R(P) e Ri2, Ri2 = {15，20，25，30，35}dbz，將不滿足條件的像素點P標記為背景色，執(zhí)行步驟⑶；(3)以預(yù)設(shè)條件對所述種子點在所述當前探測窗內(nèi)進行8鄰域區(qū)域生長，判斷所述探測窗內(nèi)生長點的反射率值R( Π)是否大于等于反射率閾值 ；，即R(il) 且滿足判斷準則，如果是，則由所述生長點和種子點構(gòu)成局部帶狀區(qū)域Ω，并對所述當前探測窗內(nèi)的種子點進行標記，執(zhí)行步驟⑷；如果否，更新反射率閾值Τ,，重新執(zhí)行步驟⑶；(4)以所述局部帶狀區(qū)域Ω和所述當前探測窗的交點為下一探測窗的幾何中心，所述下一探測窗沿未探測區(qū)域移動，直到由多個所述局部帶狀區(qū)域Ω構(gòu)成完整帶狀區(qū)域，對未標記的種子點重新執(zhí)行步驟(3)，直到所述雷達反射率圖中的所有種子點都被標記；(5)對所述完整帶狀區(qū)域中的各個探測窗的幾何中心進行連接獲取中心連線，將所述中心連線作為所述完整帶狀區(qū)域的骨架線描述，利用帶狀度準則和對流風(fēng)場準則在所有所述完整帶狀區(qū)域中識別出具有氣象意義的邊界層輻合線區(qū)域，流程結(jié)束。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種用于氣象學(xué)中提取邊界層輻合線區(qū)域的方法，其特征在于，步驟(3)中的所述更新反射率閾值I；具體為Tr的取值為集合Ri2中的元素，首先I；的取值為35，當不滿足所述判斷準則時，更新反射率閾值I；為30 ；Tr的取值為30，當不滿足所述判斷準則時，更新反射率閾值I；為25 ；Tr 的取值為25，當不滿足所述判斷準則時，更新反射率閾值I；為20 ；Tr的取值為20，當不滿足所述判斷準則時，更新反射率閾值I；為15 ；Tr的取值為15，當不滿足所述判斷準則時，按照所述預(yù)設(shè)條件對下一種子點執(zhí)行步驟(3)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的一種用于氣象學(xué)中提取邊界層輻合線區(qū)域的方法，其特征在于，所述判斷準則具體為條件I :所述局部帶狀區(qū)域Ω的面積與探測窗的面積的商< 50% ；條件2 :探測窗內(nèi)連通域的個數(shù)大于等于2。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種用于氣象學(xué)中提取邊界層輻合線區(qū)域的方法，其特征在于，所述帶狀度準則具體為完整帶狀區(qū)域骨架線上任意兩點間的最大距離與所述完整帶狀區(qū)域骨架線的總長度的商大于O. 5。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種用于氣象學(xué)中提取邊界層輻合線區(qū)域的方法，其特征在于，所述對流風(fēng)場準則具體為完整帶狀區(qū)域骨架線兩側(cè)的平均徑向風(fēng)速差大于lOm/s。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于氣象學(xué)中提取邊界層輻合線區(qū)域的方法，將雷達反射率圖中反射率值屬于邊界層輻合線取值集合的像素點標記為種子點，以預(yù)設(shè)條件對種子點在當前探測窗內(nèi)進行8鄰域區(qū)域生長，當生長點的反射率值大于等于反射率閾值，且滿足判斷準則，則由生長點和種子點構(gòu)成輻合線區(qū)域，并對種子點進行標記，以局部帶狀區(qū)域和當前探測窗的交點為下一探測窗的幾何中心，下一探測窗沿未探測區(qū)域移動，直到由多個局部帶狀區(qū)域構(gòu)成完整帶狀區(qū)域及所有種子點都被標記；對完整帶狀區(qū)域中的各個探測窗的幾何中心進行連接獲取中心連線并作為完整帶狀區(qū)域的骨架線，利用帶狀度和對流風(fēng)場準則在所有完整帶狀區(qū)域中識別出具有氣象意義的邊界層輻合線區(qū)域。
文檔編號G06K9/62GK102609725SQ201210038900
公開日2012年7月25日 申請日期2012年2月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月17日
發(fā)明者馮衛(wèi)家, 屈展, 杜雪峰, 王萍, 韋林禎 申請人:天津大學(xué)