（大气物理学与大气环境专业论文）可视化的tcfm导风系统研发及其应用初步研究.pdf

攮癸 摘要 目翦业务中使用的导风方法主要是最大相关系数法，其导风原理是在时间 间隔3 0 分钟或1 小时的两张或三张静止卫星云图上通过追踪云的移动来估计风。 对于1 分钟闻隔的云图导风，使用相关法会产生“亚像素尺度问题，焉采褥傅 立叶相位分析法能够避免这一问题，傅氏法能获得云块位移小于1 个像素单位的 风矢量信息，还能给出速度谱和方差。实际云块的运动既含有整数倍像素位移 也含有亚像素位移，为提高示踪云追踪精度，k 醐( t r a c k i n gc l o u dw i t h c o m b i n e df o u r i e rp h a s ea n a l y s i sa n dm a x i m u mc o r r e l a t i o n ) 导风技术把最 大相关法和傅立叶相位分析法相结合来进行导风。 本文主要基于云导风使用的最大相关法和t c f m 法( 傅立叶相位分析法和 最大相关法相结合) 两方法的原理，开发了利用f y 一2 c 静止气象卫星3 0 m i n 阆隔卫星云图资料获褥云迹风的可视纯导风实验系统。利用该系统处理2 0 0 5 年夏季麦莎、卡努、龙王等3 个台风期间的卫星云图，对得到的云迹风进行 台风路径反演分析。结果表明，t c f m 导风方法得到的结果优于最大相关法。 关键词：云导风( c m w ) ，最大相关法，傅立叶相位分析法，t c f m i i i 攘要 d e s i g na n dd e v e l o p m e n t o ft h ev i s u a l i z e dt c f mc l o u dm o t i o n 掌 w i n di n f e r r i n gs y s t e ma n di t sp r i m a r ya p p l i c a t i o n s a b s t r a c t 弧em a i nm e a s 琳eo fc l o u dm o t i o nw i n d ( c m w ) i sp r e s e n t l yb a s e do nt h em o t i o n o fc l o u da tt w oo rt h r e ei m a g e sf r o mg e o s t a t i o n a r ym e t e o r o l o g i c a ls a t e l l i t ew i t ha r e l a t i v e l ys h o r t - t i m ei n t e r v a l t h em a x i m u mc o r r e l a t i o nt e c h n i q u ei so f t e nu s e di n d e a l i n gw i t hg e n e r a li m a g e sw h o s ei n t e r v a li st h i r t ym i n u t e s o ro n eh o u r t h ef o u r i e r p h a s ea n a l y s i st e c h n i q u ei sp r o p o s e dt oa d d r e s st h ep r o b l e mo f “s u b p i x e lm o t i o n w h i c hi sm e ti nd e r i v i n gc m wf r o mh i g ht e m p o r a lr e s o l u t i o ni m a g e sb yt h e m a x i m u mc o r r e l a t i o nt e c h n i q u ea n dt h et e c h n i q u ec a no b t a i nt h ec m w i n f o r m a t i o n o fl e s st h a no n ep i x e lu n i t an e wt e c h n i q u eb a s e do nt h ec o m b i n a t i o no ff o u r i e r p h a s ea n a l y s i sa n dm a x i m u mc o r r e l a t i o na b b r e v i a t e da st c f m h a sb e e ns u g g e s t e dt o i m p r o v et h ep r e c i s i o nf o rt r a c k i n gt h e c l o u dt e m p l a t e sw h o s em o t i o ni n c l u d e s s u b - p i x e lc o m p o n e n t i nt h i sp a p e r ，ac l o u dm o t i o nw i n di n f e r r i n gs y s t e mh a sb e e nd e v e l o p e d b a s e do nt h e p r i n c i p l e s o ft r a d i t i o n a lm a x i m u mc o r r e l a t i o na n d a r e c e n t l y 。s u g g e s t e dt e f mt e c h n i q u et od e a lw i t hf y 一2 cs a t e l l i t ei m a g e sf o r c l o u dm o t i o nv e c t o r s i m a g es e r i e sf o rt y p h o o n “m a t s a ”，“k h a n u n a n d l o n g w a n g ”o b s e r v e db yf y - 2 ci n2 0 0 5h a v eb e e np r o c e s s e dw i t ht h es y s t e m a n dt h ec l o u dm o t i o nw i n df i e l d so b t a i n e da r eu s e dt od e t e r m i n et h et r a c ko f t y p h o o n i th a sb e e ns h o w nt h a tt h et r a c k sb a s e do nt h er e s u l t sf r o mt c f ma r e m o r ea c c u r a t et h a n t h o s ef r o mt h em a x i m u mc o r r e l a t i o n 。 k e yw o r d s ：c l o u dm o t i o nw i n d s ，m a x i m u mc o r r e l a t i o n ，f o u r i e rp h a s e a n a l y s i s ，t c f m t h i ss t u d yi ss u p p o r t e db yn s f co fc h i n a ( 4 0 4 7 5 018 ) a i v 本人郑重声明： 学位论文独创性声明 1 、坚持以“求实、创新”的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成 果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构已经 发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示了谢 ：匕 恧。 作者签名： 日期： 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规 定，学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论 文的电子版和纸质版：有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制 并允许论文进入学校图书馆被查阅：有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索：有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密 的学位论文在解密后适用本规定。 作者签名： 日期： 第一章引言 1 1 云导风研究的意义 第一章引言 静止气象卫星云迹风，也称为云导风( c l o u dm o t i o nw i n d so rc l o u dm o t i o nv e c t o r s ) ， 是指用连续几幅静止气象卫星图象追踪图象上目标模块( 示踪云) 的位移，并计算出目标 模块所代表的云或水汽特征所在的高度层次，以获得这些层次上风的估计值【1 2 1 。即定量计 算出云的移向移速及云所在的气压高度。 云迹风对全球天气和台风分析以及提供数值预报初始风场资料都是十分重要的【3 1 。云 迹风目前已成为一种重要的卫星产品【1 4 】，此外相对于陆地上常规风场资料而言，海洋、高 原、沙漠等测站稀少地区的风场观测资料明显不足，因而通过静止卫星云图获得的云迹风 场无疑也是对全球陆地风场资料的有益补充，并且是测站稀少或无测站地区风场观测资料 的重要甚至是唯一的来源。目前，云迹风资料开始应用于台风、暴雨等天气分析中【5 】，国 内学者也明确指t b t 6 , 7 , s 】，云迹风能清楚生动地显示天气系统发展变化的细节，在数值天气 分析和预报中具有广泛应用前景。对暴雨落区分析及预测、台风的影响范围以及移向预报 等方面有重要的指示意义。 由于卫星只能扫描到高云以及没有被高云覆盖的中低云，因此，卫星云导风在客观上 不能得到被高云覆盖的云层的风矢。这时，可以使用探空气球来获得这些风矢，但探空气 球在高空的移动路径是有限的，并不能大面积地观测到大气状况。没有云的地方也会有风， 这是由于大气运动造成的风使其它物体受力从而再次带动空气的流动或者物体的运动使局 部大气运动产生了风。当大气运动的作用力没有使云产生运动或者云自身没有运动时，卫 星云导风则失去了意义。当然任何一种科学研究都不是全能的，对于低层的这些风可以用 风车风速仪等工具探测到。对于全球风场资料的获得，卫星云导风获得的风场与各种其它 探测工具获得的风场互相补充【3 j o 第一章引言 由于云图上的一个像素代表地球上的几公里或者十几公里，因此导风的精度是决定强 风的量级和影响范围、暴雨的落区等的预报准确度的关键因素。传统相关法只能以整数倍 像素为单位追踪示踪云位移来计算风矢，相对于云块移动的实际情况有明显的导风误差， 因而提高导风精确度显得尤为重要。 1 2 国内外进展、研究现状 当若干静止卫星定点分布于赤道上时，就实现了赤道至中纬度地区近于全部覆盖的卫 星观测【9 】o 目前，全球有六颗静止气象卫星对上述范围提供连续覆盖。组成这一观测系统 的静止气象卫星有美国的g o e s - 东( 7 5 。w ) 和g o e s - 西( 1 3 5 。w ) 两颗卫星，日本的 g m s 葵花卫星( 1 4 0 。e 赤道上空) ，欧空局( e s a ) 的m e t e o s a t 卫星( o 。e ) ，由印度空 间研究组织和气象部门管理运行的i n s a t 卫星( 7 4 。e ) ，以及我国的f y - 2 卫星( 1 0 5 。e ) 9 , z o 】。在大多数情况下，一颗静止卫星能够一天向用户提供四组( 每组三幅) 固定地区较 高频次( 如间隔半小时) 的云图，并且卫星云图的质量在不断提高，这些都为生成云迹风 场提供了有利和必要的条件。 应用静止气象卫星资料反演云迹风是从上世纪7 0 年代开始的。早期的云迹风反演是 追踪云团的移动，l z a w a 和f u j i t a 以及h u b e r t 和、胁i t n e y 【1 1 , 1 2 1 利用电影动画技术从可见光画面 上真观地判断云的移动，从而获得云迹风矢量，还可根据红外云图的灰阶确定云的高度， 但是这种人工识别方法的准确性很低，而且费时耗力。关于云迹风的计算，e n d l i c h 和w o l d l 3 1 分别使用模式识别技术，通过求出云团的一些特征量对云团进行匹配来计算云迹风，l e e s e 和s m i t h 1 4 1 则使用红外云图亮温相关系数法来计算云迹风。对于上述模式识别和红外亮温相 关系数法计算所得的云迹风，e n d l i c h l l 3 1 进行了分析和比较，认为模式识别技术所得的结果 略好。8 0 年代中期云迹风反演方法的研究，侧重于目标云的选择和云顶高度的计算，云迹 风的计算以红外亮温相关系数法为主，并对得到的云迹风矢进行质量控制。之后，p u r d o m jfw 【1 5 】在研究一分钟和三分钟间隔的快速云图导风时，发现运用相关法会产生“亚像素尺 度位移问题”。 2 第一章引言 和美国、欧洲数值预报中心、日本气象厅相比，我国在卫星云迹风反演方面的工作开 展较晚，但发展很快。1 9 9 7 年6 月1 0 日成功地发射了我国第一颗地球静止气象卫星以来，我 国云迹风反演技术发展很快。为充分利用其云图资料获得云迹风产品，在国家八五攻关课 题中，设立卫星云图导风研究专题，取得了可喜成果【1 6 】。许健民等在云迹风高度指定上 提出了行之有效的方法，并证明红外亮温可用来估计低云及密蔽高云的高度。陈华和许健 引1 8 】用高度调整法进行云迹风高度的质量控制，运用流体流动在一定范围内存在空间连续 性的原理，计算各高度层上各云迹风矢量与其周围风的一致性系数，从而有效地把一些明 显不合理的风调整到它应有的高度层次上，对于低层特别是8 5 0 h p a 上的风矢调整后有明显 改进。实际上云迹风矢代表云图上指定模块的视运动，由于云块具有一定的厚度，其移动 受云体所在范围内各高度上气流的控制，所以相同云顶高度的云迹风矢量也并不一定代表 相同高度上的风向风速，因而云迹风代表高度的精确指定仍是目前难以解决的问题。白洁 等利用g m s - _ 星红外云图和计算机图像识别技术进行云迹风的反演。龚克等2 0 铡用运动 矢量估计的思想提出了一种云图预测方法，可实现对卫星云图的灰度预测，通过将一幅g ms 云图分割成为许多大小相同的小块，将它们分别匹配到一幅参考云图中以获取云的运 动矢量。在云迹风资料应用方面，国内学者也有了一些有益的尝试。如，周兵、徐海明、 吴国雄、何金海等f 2 1 1 运用m m 5 对1 9 9 8 年6 月1 3 1 4 日长江中下游一次暴雨强降水进行了数值 模拟及云迹风资料同化试验研究，结果表明，云迹风资料同化有效地改善高空风场质量， 修正控制试验中模式高空风场对中空纬度高空西风急流前沿西风强度的描述，使得模拟的 暴雨强度与实际降水分布更加接近。分析认为在暴雨预报业务和科研中，云迹风资料的使 用可有效地改善高空风场分布，对提高降水预报质量是一个有效途径，值得进一步尝试。 黄彦斌【2 2 】在其硕士学位论文中把云迹风资料应用在中尺度有限区域模式中，通过改进区域 模式的初始风场来改善因测站稀疏造成的中小尺度系统漏报、提高降水预报的水平。 目前使用的导风方法主要是相关系数法导风。采用相关法技术处理常规观测云图序列 计算云迹风，在美国、日本、欧洲、澳大利亚等国家和地区已业务运行近2 0 年，云迹风产 品已被证明对天气分析和预报尤其是对探测资料稀少的海洋沙漠地区的天气分析和预报有 3 第一章引言 积极作用f 1 1 斟，2 5 1 。相关法导风的原理是通过对示踪云目标追踪，在连续的半小时或- - 4 , 时 间隔的a 、b 、c 三幅云图上搜索到目标模块所对应的匹配模块，则最初模块和最后模块的 中心间的位移就提供了云的运动值，由此计算出目标模块所对应的云迹风矢 2 , 1 0 , 1 5 】。使用相 关法计算出的云迹风是一段时间内的平均风，不能反映风场的瞬时变化【9 1 。由于相关法导 风使用的是半小时或一小时间隔的云图，在这一段时间内云的任何发展和消亡都将给云迹 风场的反演带来误差，因此在选择示踪云时，必须选择寿命大于时序图时间间隔的，这样 就将能够导风的云限制在了一定的性质范围内。对于快速发展的积云，山背风坡的波状云， 处于消散阶段的云等，将不能使用相关系数法精确计算出云迹风场。 在卫星天底角较大时，卫星的斜向观测使图像分辨率降低，由六颗静止气象卫星提供 的实际云运动覆盖区仅为从星下点到南北纬各大约5 0 。的范围【9 】。因此仅从静止卫星云图 得不到高纬度地区的云迹风场资料。但这种大范围覆盖仍为数值模式的输入提供了宝贵的 风场资料来源。若想获得高纬度地区云迹风的资料，就需要利用极轨卫星云图进行风场的 反演【2 1 1 。现在，云迹风已成为一种重要的卫星产品，欧洲数值预报中心、日本气象卫星中 心的云迹风产品以月报的形式定期公开发行【5 】，我国卫星气象中心将云迹风产品传送到国 家气象中心的“9 2 1 0 ”卫星通信系统广播，为各台站提供了大量的风场信剧2 6 】。 利用地球静止气象卫星扫描辐射仪的常规导风观测方式，进行全帧扫描，可以得到半 小时间隔、云图像素分辨率为仁5 k m 的全圆盘云图，即常规导风云图。经用最大相关匹配 法计算得到风迹风( 即云图导风) 。由于在匹配计算中对云图上云块的跟踪是以离散像素 为单位的，仅此离散误差可达3m s 。利用二次函数拟合相关匹配面，得到相关系数峰值位 置的解析解，尽管可以减小该问题带来的导风误差，但是曲面拟合结果受拟合模型影响。 许建明【2 6 】分析了傅立叶相位法的适用条件，发现当云块位移大于两个像素单位时，计算过 程中将出现相位重叠现象，计算的云块的相速度和真实速度不一致，分析认为对于时间间 隔较长的云图序列，尤其是3 0 分钟间隔的常规云图，傅立叶相位法则不适用。孙林吲分析 一维傅立叶变换在云作二维运动时存在误差，给出二维傅立叶相位分析法导风的原理，用 数值模拟试验证实了二维傅立叶相位分析法的优点。张到2 8 佣二维傅立叶相位分析法导风 4 第一章引言 反演1 分钟间隔的快速区域扫描云图，有更多的云可作为导风示踪云，如生命期较短的积云， 处于消散阶段的云，能够计算出相关系数法不能准确计算的风场。朱平等【2 9 】将最大相关法 和傅立叶相位分析法两种导风技术相结合，提出了新的云导风技术t c f m ，即首先利用最 大相关法计算云块的整数倍像素位移，再利用傅立叶相位法计算亚像素偏差位移分量，从 而得到云块的实际位移。模拟试验和导风个例表明，该方法能在最大相关法整数倍像素位 移的基础上进行亚像素尺度修正，进一步提高示踪云追踪精度。 1 3 本文研究目的及研究内容 王振会等在卫星云图反演云迹风方面做了大量的研究和开发工作，研制了基于p c 机 的云导风系统( c w i s ) 。此系统在云迹风场推导过程中所采用的模块搜索、质量控制、高 度赋值等方法均与其它云迹风导出系统中所使用的方法有所不刚2 ，2 5 ，3 0 川。这些算法运行速 度快，适合在微机上运行，因而降低了系统对计算机硬件设备的要求，容易被用户接受， 便于推广和实施。并且，经过对生成的云迹风场进行评估【2 , 3 0 , 3 1 】，证明了此系统所生成的云 迹风场质量较高，可以识别出对应天气图上表现出来的天气系统，因此可以被用于实际的 业务和科研工作中。楚艳丽、魏清宇等又分别对该云导风系统c w i s 进行改进和完善，进 一步提高了系统的稳定性和导风精度。 本文研究采取理论与实验相结合。以现有的傅立叶相位分析实验系统和最大相关技术 实验系统为基础，完成傅立叶相位分析和最大相关分析法相结合即t c 雕技术。本研究将 t c f m 技术应用于云导风的图象处理计算软件设计，结合软件工程理论建立了基于最大相关 法、傅立叶分析法和联合技术( t c f m 技术) 的静止卫星云图实验导风系统，处理半小时间 隔、云图像素分辨率为4 5 k m 的常规导风云图，从而获得消除离散误差后的风矢。即只要 输入两幅半小时间隔区域云图，则可按本研究提出的t c f m 技术输出云迹风场资料。随后再 通过研究2 0 0 5 年夏季三次台风实例来验证t c f m 技术在卫星云图导风中的实际应用意义。 本研究所用云图资料是根据研究需要而进行图像处理所得及相应的实际观测资料。我 5 第一章引言 们拥有2 0 0 5 年0 5 0 9 ( 麦莎m a t s a ) 、0 5 1 5 ( 卡努k h a n u n ) 、0 5 1 9 ( 龙王l o n g w a n g ) 三次台 风过程的f y - 2 c 卫星半小时间隔、5k m 分辨率红外、水汽云图及相应时次1 2 5 k m 分辨率 可见光云图，同时又收集了国家卫星气象中心在上述时次的导风风场，日本、欧洲中心数 值预报2 0 0 h p a 的初始场风矢资料，并将继续收集可用于本研究的卫星云图和时空匹配的独 立风场资料。 6 第二章云导风技术的原理和方法 第二章云导风技术的原理和方法 2 1 选择示踪云时应注意的问题 根据文献【9 】，在静止卫星云图上并非所有的云都能作为示踪云。有些云的移动与风之 间有较好的关系，而有些云的移动与风并无关系。最好的示踪云是随风而被动运动的云。 当云运动受动力学而不是平流输送控制时，云的任何发展和衰亡都将给云迹风场的反演带 来误差。因此，在理论上除随风而被动运动的云外，任何云都不应被选作示踪云。 当观测一个动画图象序列时，熟练的气象人员可以依据大量的背景知识来确定作为风 估计的云运动的合理性( h u b e r t 和w h i t n e y , 1 9 7 1 ) 。他们能根据云图特征揣摩到云在运动中 的发展和衰亡，可用云特征和云型来识别云类及区别云层，还可根据相对运动和红外云图 的灰阶精确确定云的高度，以及把云的形状和特征与地形影响或天气系统联系在一起。例 如，分析员能够从锋面或飑线的运动中分出一个单体云运动；辨别并从急流卷云的运动中 分出云砧的发展；探测重力波云或通过高而薄的卷云观测低云的运动。尽管这样的主观方 法对资料的处理速度很慢、也会产生人为误差，但在云跟踪中人工判断的方式还是格外重 要的。 使用自动方法可快速生成大量的云向量。然而，在一些自动方法中，很难把人的这种 主观能动性变成客观技术。而且，基于数字相关矩阵的自动技术，实际上观察的是一个云 场而不是单一云片或云块，因此正在发展和衰亡的碎云或在云场内的小尺度扰动在风矢计 算中有被平滑的趋势。虽然这一论点有可信之处，但它并不总是真实的。当云系，例如云 线、锋面或气旋波控制一个背景时，应该用云系而不是用这一背景的云的运动作示踪物。 根据文献 1 0 】，选择示踪云时要考虑云与空间分辨率和时间分辨率的关系：由于静止 卫星云图的星下点空间分辨率为1 5 公里左右，离开星下点的斜向观测还会使最小可测的 云的面积在径向范围增大，并且云的识别不是以个别像素，而是以几个像素进行的，所以 7 第二章云导风技术的原理和方法 卫星云图上的示踪云不是地面观测中看到的云，常是几十到几百公里的云区。选择的示踪 云寿命必须大于时序图的时间间隔，否则无法追踪云的移动。因此云迹风与常规地面测风 是不同的：它表示在一定时间内大范围运动的风，不反映影响常规测值的小尺度运动。 选择示踪云时，必须避免选择以下几种云： ( 1 ) 云处于发展阶段或消散阶段； ( 2 ) 均匀云区； ( 3 ) 山脉背风坡一侧的波状云等。 一般情况下，大块云团可用于跟踪；选择与天气尺度云系有关的云作为示踪云【9 】o 在 估计低空风时，挑选有积云、浓积云的积云群作为示踪云；在估计高空风时，常选用变化 缓慢的卷云作为示踪g - 1 们。 2 2t c f m 导风方法的介绍 王振会等人在对傅氏相位分析应用于卫星云图导风的研究基础上，创新性地提出把傅 氏相位分析和传统的最大相关技术相结合，形成了“t c f m 技术”，用于提高半小时间隔卫 星云图上示踪云的跟踪精度和云迹风矢计算精度。这是对云导风理论和图象处理计算方法 的创新。其导风原型2 9 1 如下： 假设示踪云块仅发生平移运动，f l 时刻云图上目标模块a ，t 2 时刻平移至c 处。以x 方向为例，模块a 在a t = t 2 一t 1 时间间隔的位移可以描述为： x = z o + x ( 2 1 ) 其中x o 代表整数倍像素位移分量，为亚像素位移分量，即m 1 个像素尺度。 8 第二章云导风技术的原理和方法 图2 1 t c f m 导风方法示意图。a 为f l 时刻云图位置，b 和c 分别为f 2 时刻由相关法和t c f m 方法计算得到的云图位置。 t c f m 方法将最大相关法和傅立叶相位分析法相结合，即首先利用相关法在第二幅云图 的搜索区域内寻找目标模块a 的匹配模块，得到模块b ，根据两者位置差异计算整数倍像素 位移x o 。如果a 模块和b 模块完全匹配，则认为不存在亚像素位移，云块在x 方向的平移速 度为v = x o a t ，否则，认为两个模块的差异由云块的亚像素位移产生，可进一步利用傅 立叶相位分析法对模块a 和b 进行频谱分析，根据相位差计算亚像素位移f ，将x o 和一合并 后得到平移速度v = ( + 一) f a t 。同理可以计算肪向的平移速度。 同理可以计算y 方向的位移和速度分别为： y = y o + 歹 v = o + 少) a z 9 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 第二章云导风技术的原理和方法 2 3 最大相关系数导风方法的介绍 2 3 1 红外亮温相关系数法 导风系统的示踪云目标模块追踪算法中，最常使用的模块识别因子是目标模块和遍踪 模块间的相关系数( c r o s s c o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n t ) 。 本系统使用了两种相关性判别因子，可分别作为模块识别因子。它们一个是中心矩相 关系数c c ( c r o s s - c o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n to fc e n t r a lm o m e n t s ) ，勇一个是原点矩穗关系数 o c ( c r o s s c o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n to fo r i g i n a lm o m e n t s ) 2 ，2 5 1 。 假设示踪云目标模块t 的尺寸是r f ，目标模块t 的参考位置为 ，y ) 。追踪模 块s 与t 的尺寸相同，徨诬置可能不同，追踪模块s 的参考位置为( 刀，磁) 。 戴c c 、o c 麴定义翔下： c c 坍= o c 片，埘 q p s n 。q s n 。 e ( t s ) 其中，t 和s 分别为目标模块和追踪模块内的像素强度矩阵。 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 本系统中，可以单独使用c c 或o c 作为模块识别因子产生风场，也可以对由c c 和 o c 产生夔云迹风场进行多因子云迹风矢综合编辑， 乍为风矢质量控制的一个参控条侮。 1 0 第二章云导风技术的原理和方法 2 3 2 模块搜索与匹配 在a 和c 云图上指定的追踪区域内寻找b 云图上的给定目标模块的匹配模块。当在b 云图上选定的目标模块符合作为示踪云目标模块的条件时，则在a 和c 云图上相应的示踪 云追踪模块内进行模块搜索：计算模块识别因子的二维矩阵，选定模块识别因子最大且满 足一定条件的追踪模块作为“匹配模块”，用以风矢计算。 本文采用“盲搜索法”。所谓“盲搜索法”，就是采用“盲人摸路”的方式在一幅图上指 定的搜索范围内寻找另一幅图上的给定模块。为节约计算时间，取较小的搜索范围，由搜 索半径r 表示( 实际上r 是正方形搜索区的半边长) 当因r 较小而构成的匹配面的峰值位于 搜索区边沿上时，搜索区中心向匹配面峰值方向移动，直到匹配面峰值不再处在搜索区边 沿为止。 本系统采取“盲搜索法”，具体思路【3 2 1 是： 设搜索区尺寸由搜索半径，表示，是正方形搜索区的半边长。，定义为： s t ，= p ( 2 6 ) 其中，s 表示初估风速，系统采用2 0 m s 的默认值，在交互方式中可由用户设置初估 风速值；f 表示时序云图间隔时间；p 表示像素点的空间分辨率。 若b 云图上某个目标模块的参考位置为( x 0y o ) ，尺寸为r m ：那么在a 和c 云 图上最初确定的此目标模块的追踪区域的参考位置也为( x 0y o ) ，且追踪区域尺寸为： ( f + 2 ，一1 ) ( f + 2 r 1 ) 。目标模块与首次确定的追踪区域关系如图2 2 a 所示，位于 追踪区域的中心、尺寸为2 r 2 r 的正方形虚线区域是搜索区。 第二章云导风技术的原理和方法 目标横块 首次选定的追踪区域 目标模块与首次选定的搜索区 甄+ a 卜1 图2 2 盲搜索法的调整示意图 搜索匹配模块的操作步骤如下所述： ( 1 ) 在最初确定的追踪区域r g n o 中搜索匹配模块 n ，+ 2 r 一1 b 追踪区的自动调整 r g n o 的搜索区a r e a o 的尺寸为2 r 2 r ，则对于单个模式识别因子( c c 或o c ) ，要计 算2 rx 2 r 次目标模块与r g n o 中的各追踪模块的相关系数，得到一个大小为2 rx2 r 的相关 系数矩阵。找出此矩阵中相关系数的峰值p m a x o 。 若p m a ) 【0 所对应的追踪模块的参考位置( ，垅o ) 不在a r e a o 的边沿上，则此追踪模块 就被确定为匹配模块，不进入步骤( 2 ) ，并开始计算风矢。 本系统中，为了节约计算时间，搜索区取得较小。因此，( 玎o ，聊o ) 就有可能位于a r e a o 的边沿上。 当( ，聊o ) 在a r c a o 的边沿上时，则进入步骤( 2 ) 。 ( 2 ) 在重新确定的追踪区域r g n l 中搜索匹配模块 1 2 第二章云导风技术的原理和方法 重新定位追踪区域r g n l ：将r g n o 的参考位置( x 0y o ) 向( n 0m o ) 方向移动，直到 ( n 0m o ) 不在a r e a o 的边沿上为止。r g n l 的搜索区为a r e a l ，参考位置为( x 1y 1 ) 。 计算目标模块与r g n l 中的各追踪模块的相关系数矩阵，得到p m a x l 。 若p m a x l 所对应的追踪模块的参考位置( 刀l ，m 1 ) 不在a r e a l 的边沿上，则此追踪模块就 被确定为匹配模块，不进入步骤( 3 ) ，并开始计算风矢。 当( l ，m i ) 在a r e a l 的边沿上时，则进入步骤( 3 ) 。 ( i ) 在重新确定的追踪区域r g n i 1 中搜索匹配模块 重新定位追踪区域r g n i 1 ：将r g r l i 2 的参考位置( x f - 2 ，y m ) 向( h i _ 2 , m f _ 2 ) 方向移动， 直到( n t _ 2 , m m ) 不在a r e a i 2 的边沿上为止。r g n i 1 的搜索区为a r e a i 1 ，参考位置为 ( x h ，y f - 1 ) 。 计算目标模块与r g r l i 1 中的各追踪模块的相关系数矩阵，得到p m a x i 1 。 若p m a x i 1 所对应的追踪模块的参考位置0 i - 1m f _ 1 ) 不在a r e 缸l 的边沿上，则此追踪模块 就被确定为匹配模块，不进入步骤( i + 1 ) ，并开始计算风矢。 当( i - 1m h ) 在a r e a j 1 的边沿上时，则进入步骤( i + 1 ) 。 上述的步骤中，1 s i g 。( i ) 表示第i - 1 次重新确定追踪区域r g n “以寻找匹配模块。 可以通过式2 7 ，由第i 步r g r l i 1 的参考位置( x h ，y “) 得到第i + 1 步r g n i 的参考位置 1 3 第二章云导风技术的原理和方法 ( t ，y ) ： 扛嘞把暨，q - x ，_ l ：0 a 2 【”= + 双“一) ( 2 7 ) 其中， ( d ，_ ) 是追踪区域r g n i 1 中位于搜索区a r e 戤l 边沿上的p m a x i 1 所对应的 追踪模块的参考位置。 参数a ，控制搜索区位置的调整量，a 太小则降低计算效率，太大就导致搜索区调整 前后不连续，所以给出了它的限定范围。 追踪区域的自动调整过程请参见图2 2 b 。此图中a 点代表( x h ，y f - 1 ) ，b 点代表 ( x 。，y 。) ，c 点代表( x i9 y f ) 。 对于某一个目标模块来说，当搜索它的追踪区域时，只要满足以下任意一个条件，那 么系统就认为无法获得此目标模块的匹配模块，并结束搜寻此目标模块的匹配模块而开始 搜寻下一个目标模块的匹配模块： ( 1 ) 遍历追踪区域r g n j 1 ( 1 j i ) 中各追踪模块，p m a x j 1 o 3 时； ( 2 ) 在r 乳1 ( 1 j i ) 中找到匹配模块，但p m a x j 1 4 时( 假设最大可能风速为为初估风速值的5 倍，即2 0 * ( 4 + 1 ) = 1 0 0 m s ) 。 上述方法的核心思想就是在每一搜索点上以周围各点的相关系数的大小选定下一步搜 索的方向，寻找相关系数变化梯度增加的方向进行搜索，一直搜索到使相关数最大的点。 这样避免了在很大的区域内逐点搜索的繁索工作，提高了搜索效率。但是需要注意的是， 当搜索区中相关系数非单调变化时，上述搜索方法就可能得不到正确的结果。 1 4 第篡章云导风技术的原理和方法 2 。4 傅立叶相位分析导风方法的介绍 最大相关法对一段时间间隔的云图进行导风，是在空间域内，对示踪云目标模块进行 追踪，需要计算目标模块与搜索区内每个模块之间的相关系数，找到目标模块所对应的匹 配模块，撮据两个模块戆中心闷的位移，计算盘毯标模块所对癍的云迹风矢。丽傅立时摇 位法对快速区域云图导风，是通过频率域波谱分析由谐波的穗位变化计算波速，最后巍平 均波速计算云迹风。 2 。4 。圭亚像素尺度位移概念 相对于常糯导风云图而言，快速区域云图仅提高了云图的时间分辨率，而云图的空间 分辨率并没有提高，熟：美国g o e s 卫星，箕辐射计靛睽对视场决定了其云图像素空闻分 辨率不变，在纽终通道先p = 4 千米像素。传统的楣关法是在第二幅云图上遣踪蓠一幅云图 上的目标模块，通过计算目标模块的位移( 位移量取像素分辨攀的整数倍) 获 ! 导风速 2 7 3 3 。 目标模块在东西和南北方向上的一分钟内的位移，一般郯小于一个像素的分辨率，故称为 “亚像素尺度位移( s u b p i x e lm o t i o n ) ”。这样，在以“像素 为位移单位的常规导风计算中， 位移速度分量取值可能是： u = o m s 或6 6 m s 。v = o r a l s 或6 6 m s 由v = ( u 2 + v 2 ) 7 2 得到的风速为o m s ，或6 6 m s ，或9 3 m s 。这就是用“相关系数 法”计算一分钟间隔云图时产生的“驻像素尺度位移( s u b - p i x e lm o t i o n ) ”问题。 傅立叶相位分析法导风不需要计算模块与模块间的栩关系数，目标模块的位移不是以 “像素”为单位的，这样就避免了“豫像素尺度位移”，从而提高了计算风矢的准确性。 傅立叶相位分析主要有一维和二维傅立叶相位分析导风法，根据文献 3 8 ，一维傅立 叶相位导风方法的误差主要是由于一维傅立叶相位分析法不能同时求出两个方向的风速， 第二章云导风技术的原理和方法 当我们求水平和垂直任一方向的风速的时候，都必须将另一个方向的风速假设为零，这就 是一维平移假设，而实际风场中模块内的云是同时具有水平和垂直两个方向的速度分量， 这样就产生了导风方法的误差。在文献e 3 8 中详细论述了二维运动的模块在一维平移假设 的前提下，运动所产生的误差，而使用二维傅立叶相位分析法进行导风就能避免由于“一 维平移假设”带来懿误差阐。 2 4 2 二维傅立叶相位导风方法的介绍 相关法导风技术的思路是搜索在所选范围的搜索区中寻找相匹配的模块，计算模 块之间的相关系数，得到模块的运动速度：傅立叶相位分析法导风的思路是波动计算 谐波的相位变化，由此得到谐波的运动速度。在基于一维傅立时相位法导风的基础上给出 二维傅立时楣位导风原理羚甥 4 0 1 4 1 l 。 传统的相关系数法导风通过比较目标模块及其匹配模块的位置来计算风速，为了找到 匹配模块，需要计算目标模块与搜索区内每个模块之间的相关系数翻。二维傅立叶导风的 方法是以f 1 和f 2 两个时刻云图的相同位置，各取一个大小为n 行n 列的模块( 见图 2 3 ) ，n 可以为奇数也可以为偶数，则模块长度2 三，= ( r 一1 ) p ，模块宽度 2 l 。= ( 一1 ) p ，其中p 为圈像像素的空间分辨率。当为奇数时，算得的模块速度 等同于模块中心点的速度，当为偶数时，算得的模块速度等同于中心四点中任一点的速 度( 本研究算得的速度为四点中的左上角的点) 。对两个模块分别做二维傅立叶相位分析 【3 s 】，可以同时计算风速的u 分量和v 分量。 1 6 第二章云导风技术的原理和方法 图2 3 二维傅立叶相位法导风方法的模块 对取定的模块做二维傅立叶相位分析，根据文献e 3 8 ，次数为( | “，v ) 的谐波的速度为： 仁 在仅有模块平移的理想情况下，有 n 弘( ，y ) 2 7 必口a “ na 矽( ，y ) 2 7 r a tav 越1 1 2 u 1 22 2 铭1 v2u 2 12 | 2 2 2 铭p u 12h 22 2u v2v 2 1 2 v 2 2 2 ( 2 8 ) 即：由谐波相位变化计算出的速度与谐波次数无关，任何一个谐波计算出的速度都可 以作为模块运动速度的估计值。但实际中，由于模块内像素移动速度的不均匀、模块边沿 像素移出模块而引起谐波成分的变化、数值计算产生噪声等原因，相位分析计算得到的“。， 和，。，与谐波次数有关。 如果模块内各点的速度不相同，则用傅立时相位法计算的频率域各次谐波的速度也不 1 7 第二章云导风技术的原理和方法 相同，可以计算各次谐波的算术平均速度，考虑到实际云图的像素分布中通常包含随机噪 声，为减小其影响，可以计算以各次谐波振幅的整数次幂为权重的平均速度为模块的移动 速度，模块速度的两个分量的估计值可以表示为： 芝- ”- - 1 m ，哗，阮，i 扰一， 牡 盯b ，l 。 n - 1 n - i 阮，l ，阮，l ， v - ! v - i k ，l p眩，l ( 2 9 ) 其中，i ，i 表示( ，、，) 次谐波的振幅，参数p o 取整数。若取p = o ，则给出算术 平均值；取p = 1 ，则给出振幅权重平均值；取p = 2 ，给出的平均值相当于以谐波能量 权重。当然，p 取的整数值越大，振幅大的谐波的平移速度在平均值计算中的贡献就越大。 详细分析见参考文献 3 8 。 根据孙林等人的研究，p 取2 和取4 时计算所得的结果差别不大，所以本文p 取值 为2 ，即：对速度取振幅的平方为权重的平均值得到速度的估计，相当于以谐波能量为权 重的平均值。 此时，风矢速度大小瓦，风矢速度方向臼为： i 蕃万 1 8 ( 2 1 0 ) 第二章云导风技术的原理和方法 2 5 快速傅立叶变换应用于导风系统 利用傅立叶相位法导风，已经可以得到风场，然而，离散傅立叶变换需要的计算量太 大，运算时间长，尤其是二维傅立叶相位导风过程中，运算的时间更长，这在某种程度上 限制了傅立叶相位导风法的实际运用。把云导风系统中的普通傅立叶算法改进为快速傅立 叶算法【4 ，这会大大提高了导风的速度，因而使得二维傅立叶导风运用于实际业务中成为 可能。 经过两次一维快速傅立叶变换，可以得n - - 维快速傅立叶变换 - 1 _ 1 一f 兰型一，三z 堡 f ( ，l ，) = ( f ( x ，y ) e 知) 口 y = 0 z 。0 ( 2 1 1 ) 快速傅立叶变换后f ( p ，v ) 的值和性质是不发生变化的，同样可以得到其振幅谱和相 位谱。如果用r ( j l l ，) 、i ( a ，v ) 分别表示f ( t ，) 的实部和虚部，则f ( i “，、，) 的( p ，y ) 次 谐波的振幅谱和相位谱为： | | f ( a ，) i = , r2 ( ，) + 12 ( p ，) 沁咖a r 咖粉 1 2 若在出时间内，该模块沿x 轴和y 轴分别平移和y o ，则函数变为 f ( x x o ，y y o ) ，其二维快速傅立叶变换式为h u 1 9 ( 2 1 3 ) 孚 吖 口 等 吖 弦 一 y 吒 一x 广 m 脚 舭脚 i l 矿 ， f 第二章云导风技术的原理和方法 由此得到相应的振幅谱和相位谱，分别记为l 户( j l l ，、，) i 和乒( p ，y ) 对于第( j l l ，v ) 次的谐波，得和y o 的估计为： o a 0 ( ，y ) = 一一 2 万舡 o a 0 ( ，矿) = 一一 2 万ay ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 其中6 = ( p ，y ) 一驴( p ，v ) ，进而得到模块在& 时间段内第( p ，) 次的谐波的运动 速度。 第( 肛，v ) 次的谐波风矢大小瓦，风矢方向彳馏饴”为： e 罐 + 万 ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 同样对各次谐波的速度取平均就可以得到模块的移动速度。与普通傅立叶变换一样， 运用快速傅立叶变换可以得到风矢的速度大小和风矢的方向，但不同于普通的傅立叶变换， 2 0 霉 v 一 ，(【 兰f 兰f等等 = = ， p r，j、l 第二章云导风技术的原理和方法 快速傅立叶导风过程中模块的大小不能为奇数，而必须为2 的整数次幂