基于雷达产品基数据的计算机反算技术研究.doc

雷达摄影测量论文雷达信号处理论文雷达技术论文雷达应用论文基于雷达产品基数据的计算机反算技术研究摘 要: 新一代多普勒天气雷达是日常气象业务预报中不可或缺的工具。但是,新一代多普勒雷达目前相对来说只覆盖了全国有代表性的少数大中城市,特别对于西部来说,雷达布点密度低已经成为影响当地研究和业务工作的一个重要因素。对于全国大部分地区,由于缺少雷达基数据,只能依靠业已形成的雷达产品进行业务应用,无法结合当地局地条件进行相适合的雷达产品开发,这也很大程度限制了雷达应用的效果。本研究结合数字图像处理技术,对雷达产品的RGB图进行处理和反算,比较精确的得到了相对于该产品的雷达基数据。并且开发了反算雷达基数据的业务化平台,对2007年8月9日11时16分的合肥多普勒雷达强度产品进行反算,得到了很好的效果。关键词: 气象雷达;基数据;数字图像处理;反算引言新一代天气雷达系统建设是我国20世纪末21世纪初的一项跨世纪的气象现代化工程,具有重大的意义和深远的影响,多普勒天气雷达对于强天气的探测和预警有着重要的意义。根据新一代天气雷达的布点原则,在我国沿海和多强降水地区部署S波段雷达,在我国强对流天气发生频繁和经济比较发达的中部地区,部署C波段雷达,其他地区仅在省会和一些需要重点监测的大城市部署多普勒雷达。这种布点方式综合考虑了经济,网点代表性等各方面的因素,使得目前天气雷达的业务使用效果得到了很好的验证和提高。但是,考虑到网络传输,信号可靠性和计算机性能等各方面的原因,雷达基数据的后续处理只是停留在已经建立了雷达站的市一级气象局,其他各地只能通过已经处理好的雷达产品对当地的气象状况进行监测和评估,这阻碍了雷达产品开发和应用的局地化,限制了雷达产品的效率。同样,对于各个高校和研究机构而言,雷达基数据是进行雷达研究的基础,由于获取雷达基数据的困难,造成了研究的不方便,在一定程度上妨碍了研究的进展。目前尚无该方面的行之有效的解决方法。本文结合数字图像处理技术,对网络上截取的雷达产品生成图进行代数运算,反算出需要的雷达基数据,利用该基数据可以进行符合当地条件的二次产品开发,或者利用PUP进行更多种产品的显示,提高了天气雷达在一些没有雷达站地区的使用效率。1数字图像基础图像时由“照射源”和形成图像的“场景”元素对能量的反射或者吸收相结合而产生。对于天气雷达系统来说“,照射源”是雷达发射的电磁辐射“,场景”元素则是对电磁波进行反射的气象目标物,天气雷达成像系统获取了场景反射的能量以后,经过一系列的计算处理,将其映射到图像平面,经过采样,量化,和数据二次处理后即得到了计算机屏幕上显示出的雷达产品图像如PPI,RHI,VAD等等。一般来说,数字图像包括二值图,索引图,灰度图和RGB图四种类型。一般来说,从计算机上看到的雷达产品图像属于RGB图像。具有R(红色),G(绿色),B(蓝色)三个颜色通道,每个颜色通道的值在0到255之间变化。在雷达产品图中,每个像素由13的像素向量来表示,每一列向量分别表示R值,G值和B值。比如说,对于方位角为30度,距离为100公里的某个探测单元,假若其强度是5dBZ,则其强度产品图的RGB索引(根据PUP应该是(15,255,15),索引坐标和其方位角以及距离相对应。2雷达产品图的获取和预处理目前全国的雷达站的各种产品图(包括基本反射率,组合反射率,液态水含量和多普勒速度等)均可以在中国气象局网站上获取。另外,各个省局或者有雷达站的市局的业务平台也可以获取该地的常用雷达产品图集。但是,对于其他地方,下设县局或者高校科研机构来说,只能被动的接受这些雷达产品,无法进一步进行扩展和开发。为了解决这个问题,需要对雷达产品成品图进行截取和处理,提取出其中的有效信息,最大程度上真实的还原出雷达基数据的水平和垂直分布。基于上面的陈述,首先需要截取雷达产品成品图片,目前可使用的截图工具非常多,包括QQ截图或者抓图猎手等,技术成熟并且简便易用,普及面广,不需要再进行新的截图工具的开发。手动截取的雷达产品成品图片一般包括信息显示区,数据空缺区和基数据分布区三个部分(如图1)。其中,信息显示区包括了产品种类,探测范围,站点信息,体扫方式,扫描仰角方位角等信息。数据空缺区主要适用于雷达的扫描特性和截图大小的不同所造成的。基数据分布区是雷达产品的主要信息提供区,它可以显示该区域内强度,速度,谱宽和各种二次产品的图像,该区域是要进行雷达产品基数据反算的重点区域。要进行基数据的反算,首先需要从截图中提取基数据分布区。基数据分布区有其自身相对于其他区域的特点,其中,最主要的特点就是基数据分布区中根据距离雷达站中心点距离的不同分布着若干距离圈,这些距离圈方便了雷达探测区域内各点距离的判断。距离圈相对于背景或者信息显示区,数据空缺区以及基数据分布区中的其他各个像素点的RGB值总是存在差异,这也就是提取基数据分布区的基本原理。利用MATLAB为编程工具,实现取得距离圈的RGB值,可以从任意方向上逼近最外层的距离圈,这也就是基数据能达到的最远距离。程序设计如下(图2)所示:其中,c和r是截图的像素展宽和展高,符合阈值的RGB数据分别将存储入R_hongse(i,j),G_lvse(i,j),B_lanse(i,j),其中分别表示像素点i,j的R,G,B值,另外可设K和M是雷达的探测距离库数,将首次提取出的数据加上K,M可得扫描半径。通过以上方法,可以非常准确的截取需要进行基数据反算的区域基数据分布区。在获取了基数据分布区之后,还需要对“信息显示区”的强度或者速度显示的彩色阈值的RGB进行提取,本工作可以利用imread函数完成。imread函数的原型如下:X,map=imread(A)其中,X是像素点色度值分布,map是RGB索引,A是获取的图像句柄。提取了彩色阈值的RGB值之后,便可以根据这些值,对雷达基数据进行最大程度的还原。3雷达基数据的反算本部分的主要思想是根据在数据预处理中提取的彩色阈值的RGB值,对位于基数据分布区的各个像素点进行强度和速度值的还原,在反算成需要最终还原的基数据种类的格式。以SA资料为例,若地i,j个像素点的RGB值是(140,140,0),其对应的彩色阈值RGB索引指向的强度为50DBZ,则可判断地i,j个像素点处的强度值为50DBZ。即可以假设,每个回波点RDataij用i,j,RData和L表示。其中i,j表示该像素点的平面直角坐标,RData表示该回波点的原始强度,L表示每个回波点的原始亮度。在按照直角坐标提取了基数据分布区各个点的强度值以后,对其进行径向投影并且插值,可以得到普遍意义上雷达基数据储存的格式。另外,在进行了径向投影之后,需要对无效数据,既大于扫描半径的数据进行提取和去除。通过以上程序和设计,可以非常方便的将格点分布的数据恢复到极坐标上并进行存储。以存储为SA格式为例,只需在各径向数据区前加128个字节的径向头即可,径向头由方位角,仰角等信息构成。4基数据反算平台的开发基于以上理论和研究,为了业务化和研究的方便,对基数据反算技术进行了平台开发(如图3)。本平台由MATLAB语言设计,分为截图导入,数据预处理,参数设置,基数据反算四个模块组成。并且包括了截图显示和生成基数据二次反演产品的显示两个附加功能。经过本平台进行基数据反演后的XSA格式数据,包括了仰角,方位角,扫描雷达类型和强度,速度数据等部分。经过后续处理,可以非常方便的将XSA格式转化为SA,VTB等常用天气雷达基数据格式,供PUP或者其他二次产品开发平台调用,丰富了在没有雷达基数据地区雷达产品的种类和应用范围,具有一定的实用价值。利用基数据反算平台,从苏州移动气象台网站上截取2007年8月9日11时16分的合肥雷达基本反射率产品截图,如图5中左图,在进行数据预处理和参数设置后,进行基数据反算,得到20070809111601.*XA数据,其中,200708091116表示产品的时间,01表示第一层数据。利用程序读取20070809111601.*XA并且进行插值显示,可以得到该基数据显示的雷达基本反射率产品图,如图5中右图。对反算误差进行进一步的分析,利用2007年8月9日11时16分的合肥雷达站反射率基数据(真值数据)和公开的当时反射率产品图反算的基数据(反算数据)进行对比,提取方位角为300度,仰角为0.5度的径向真值数据和反算数据,得到误差分析图(如图6中左图)。如图易知,真值数据和反算数据具有较高的近似度,大部分数据的误差在5个DBZ以内;同时,也可以看出,反算出的数据具有普遍偏大的特点,并且存在少量的缺失点,这也是本研究需要改进的部分。为了说明误差存在的普遍性,再取270度,仰角为1.5度的真值数据和反算数据进行对比,得相应的误差图如如图6中右图所示。从图中可以看出,大部分的数据误差在3个DBZ之内,同样也存在数据缺失问题,但是,就数据整体而言,这样的误差实在可接受范围之内的。同样,通过“产品截图显示区”和“生成基数据插值显示区”两个模块(如图8)可以直观的看出,反算出的基数据生成的反射率产品与原反射率产品非常的近似,说明了利用反算出的基数据进行二次产品开发的可行性。5总结本文研究了利用数字图像截取,从雷达产品成品中获取基数据的技术。雷达基数据反算技术理论上可以通过网站雷达产品截图获得全国各地,各个时刻的基数据,成功的解决了目前广泛存在的雷达资料难以获取,很多台站和研究机构无法根据自身情况进行雷达产品二次开发的的问题。本文作者创新点:本文作者在结合雷达基数据反算技术的基础上,开发了雷达基数据反算平台,该平台可以快速高效的对截取的雷达基本反射率和径向速度产品进行基数据反算,得到精度较高的强度和速度数据,方便于结合各地实际情况的科学研究和应用开发。参考文献1俞小鼎等.多普勒天气雷达原理与业务应用M.气象出版社.2009.12许小峰。中国新一代多普勒天气雷达网的建设与技术应用J.中国工