（模式识别与智能系统专业论文）典型冰雹云的编码描述和形态特征提取.pdf

摘要 冰雹是一种严重的灾害性天气，它己引起了全世界的重视。冰雹云的发生发 展具有突发性，移动迅速，生命史短等特点，这为冰雹准确预报和人工防雹造成 困难，因此基于多谱勒雷达的冰雹云自动识别方法的研究具有较高的应用价值和 社会效益。 本文从雷达基本反射率图像中的冰雹云轮廓描述入手，构建一个能够辅助预 报员进行钩状冰雹云预报并定位落雹区的子系统，帮助预报员提高工作效率，减 轻工作强度并降低预报出错概率。 本文通过f r e e m a n 链码以及基于链码的信息处理实现了冰雹云的描述以及雹 区定位。使用链码描述图像轮廓具有存储量小且码字简单等优点，但链码也具有 许多缺陷，如链码往往太长，对噪声的干扰比较敏感，不具有对起始点、尺度及 旋转的稳健性。本文通过深入研究发现： f r e e m a n 链码中码字总数与图像的起始点无关，由此构造出最小和统计方向 码，它总是与特定角度的轮廓相对应，因此对图像的旋转表现出极高的稳健性。 基于最小和统计方向码的s h a n n o n 熵对图像尺度变化具有极高的稳健性，上 述高效的码字处理方法为后续的冰雹云识别以及冰雹落区定位奠定了坚实的基 础： 以s h a n n o n 熵构造的相似性判别准则使基于模板匹配法的钩状冰雹云识别获 得了较高的准确率。 以弧弦比参数检测钩状区的思路较好地解决了两类典型冰雹云的雹区定位 问题。 三种类型的样本测试表明：本文方法处理速度快，典型冰雹云识别率较高， 冰雹落区定位准确。 关键词：钩状冰雹云、f r e e m a n 链码、最小和统计方向码、s h a n n o n 熵分布 a b s t r a c t t h ew o r l dh a st a k e nh a i l s t o r ms e r i o u s l yb e c a u s eo fas e v e r ed i s a s t e r t h e h a i l s t o r ma r i s e ss u d d e n l y , m o v e sf a s ta n dw i t h e r sa w a yv e r yq u i c k l y , w h i c hi sq u i t e d i f f i c u l tt of o r e c a s ta n dp r e v e n th a i l s t o r m t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho nt h ea u t o m a t i c r e c o g n i t i o no fh a i l s t o r mb a s e do nd o p p l e rr a d a rh a sh i g h l ya p p l i c a t i o nv a l u ea n d s o c i a lb e n e f i t t h e p a p e ri st oe s t a b l i s has u b - s y s t e mt of o r e c a s th o o kh a i l s t o r ma n dp o s i t i o nh a i l a r e ab yr e p r e s e n t a t i o no fc o n t o u r so fh a i lc l o u di nt h eb a s i cr e f l e c t i v i t yi m a g eo f r a d a r , i no r d e rt oh e l pf o r e c a s t e re n h a n c ee f f i c i e n c ya n dr e d u c ei n t e n s i t yw i t hl o w e r e r r o rp r o b a b i l i t y t h ep a p e rf u l f i l l e dr e p r e s e n t a t i o nf o rh a i lc l o u da n dp o s i t i o nh a i la r e ab yf r e e m a n c h a i nc o d ea n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n gb a s e do nc h a i nc o d e t h er e a s o n st or e p r e s e n t c o n t o u r so fi m a g eb yc h a i nc o d ea r el o ws t o r a g e ，s i m p l i c i t ya n ds oo n , h o w e v e r , c h a i n c o d eh a ss o m ed r a w b a c k s ，f o re x a m p l e ，i t sl e n g t hi sa l w a y st o ol o n g ；i ti sv e r y s e n s i t i v et on o i s ea n dl a c k so fr o b u s t n e s st ot h eo r i g i n ，s c a l i n ga n dr o t a t i n go ft h e i m a g e t h ep a p e rr e s e a r c h e do nt h ea s p e c ta n df o u n dt h a tt h et o t a lc o d e si si n v a r i a n t t ot h eo r i g i n ，t h em i n i m i z es u ms t a t i s t i c a ld i r e c t i o nc o d e ( m s s d c ) w a sp r o p o s e di n t e r m so ft h er e g u l a r i t y ；m s s d ch a sh i g h l yr o b u s t n e s st or o t a t i o no fi m a g eb e c a u s e w h i c hc o r r e s p o n d st ot h es p e c i f i ca n g l e w h a t sm o r e ，t h es h a n n o ne n t r o p yb a s e do n m s s d ca l s oh a sh i g h l yr o b u s t n e s st os c a l eo fi m a g e ，t h ea b o v ee f f e c t i v ep r o c e s s i n g m e t h o df o rc o d e se s t a b l i s h e ds o l i df o u n d a t i o nf o rt h er e c o g n i t i o na n dp o s i t i o no f h a i l s t o r m i na d d i t i o n ，t h ec o m p a r a b i l i t yc r i t e r i o nb a s e do ns h a n n o ne n t r o p ye n a b l e t h er e c o g n i t i o no fh o o kh a i l s t o r mw h i c hb a s e do nt e m p l a t em a t c h i n ga c h i e v eh i g h l y v e r a c i t y t h em e t h o dw h i c hu s e dt h ep a r a m e t e ro fr a t eb e t w e e na r ca n dc h o r dt o d e t e c th o o ka r e as o l v e dp o s i t i o np r o b l e mo f t w ok i n d so f t y p i c a lh a i lc l o u dq u i t ew e l l t h r e ek i n d so fs a m p l et e s ts h o w e dt h em e t h o d si nt h ep a p e rc a na c q u i r eh i g h p r o c e s s i n gs p e e da n de f f e c t i v er e c o g n i t i o no ft y p i c a lh a i lc l o u d s ，a n da l s oc a np o s i t i o n t h eh a i la r e aa c c u r a t e l y k e yw o r d s ：h o o kh a i lc l o u d ，f r e e m a nc h a i nc o d e ，m i n i m i z es u ms t a t i s t i c a l d i r e c t i o nc o d e ，s h a n n o ne n t r o p y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意一 学位论文作者签名：酾掏 签字同期： 2 口。7 年2 月) 多同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 为牟乞掏 导师签名： 签字日期： 柚。7 年1 月声孑日 签字同期：哆年 - 月 。占h 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 灾害性天气通常包括雷暴、冰雹、飑线和龙卷风等，它们都是在一定的尺 度环流背景中，由各种物理条件相互作用形成的中尺度天气系统影响的结果。它 们通常发生在强对流云系或单体强对流云块中，并且经常两种或者三种天气同时 出现构成灾害群，历时短、强度剧烈、破坏性强。在上述灾害性天气中，冰雹是 一种严重的灾害性天气，它产生于强烈发展的积雨云。冰雹虽然尺度小，生命史 短，局地性强，但由于其来势猛烈、强度大，并常伴有雷雨大风，给农牧业、工 矿企业、电讯、交通运输及人民生命财产造成的损失相当大。 1 9 9 4 年7 月1 7 日0 4 时至0 5 时左右，成都市新都县及青白江区1 0 多乡镇的5 0 多 个村遭受了一次罕见的大风、冰雹袭击。1 7 多农户的9 万多亩农作物受到不同程 度的损失。据记载，雹块最大直径5 ，- - - 7 c m ，死亡1 人，重伤1 人，房屋倒塌1 千多 间。 1 9 8 5 年7 月2 日1 8 时至2 l 时在保定地区发生的冰雹伴大风天气，使2 0 0 多万亩 作物受害，损失红枣约3 8 0 0 万斤，毁房4 0 0 0 多间，倒树1 3 0 多万株，1 0 4 0 人受伤， 1 9 人死亡，保定市供电局的供电干线7 8 毁坏，全市停电停水，迎风面的窗户玻 璃8 0 被砸碎，许多工厂停工停产，火车停运9 0 分钟。俗话说“雹打一条线，早 是一大片。但有时降雹范围很大，例如1 9 7 7 年5 月2 5 日下午到前半夜，北京、天 津、河北省8 个地区5 0 多个县降雹；又如1 9 7 5 年6 月5 日下午，京、津、冀、晋、 辽、内蒙6 省市的7 6 个县2 7 万多平方公里范围降雹。 天津市人工影响天气办公室对天津市1 9 7 9 - 1 9 8 8 年共十年的历史资料进行 分析，结果表明：1 9 7 9 1 9 8 8 期间，天津市共有6 3 0 个雷暴日，平均每年有6 3 个，高于全球中纬度地区的平均值( 2 0 - 4 0 天) 。在6 3 0 个雷暴日中，降雹日为2 1 0 天，冰雹天气与雷雨天气的比率为1 ：3 ，平均每三个雷暴日中就有一个是降雹 日。另据统计，天津每年雹灾的受灾面积达2 2 7 4 万亩，每次雹灾都给工农业生 产及人民生活都造成巨大的经济损失。因此，冰雹预报工作的开展对工农业生产 第一章绪论 有着重大意义。 中国位于亚洲东部，地形分布及下垫面特征非常复杂，灾害天气频繁，是世 界上遭受气象灾害最多的国家之一。暴雨、台风、冰雹、沙尘暴等灾害天气每年 都给我国国民经济和人民生命财产造成巨大损失。近年来，在全球变暖背景下， 我国气象灾害和极端天气事件更加频繁发生，造成的社会经济损失日趋增加，成 为影响国民经济发展、社会进步的重要不利因素。因此，提高灾害天气的监测与 预测水平不仅是各级政府部门指挥防灾减灾最为迫切的需要，同时也对增强我国 防灾减灾的总体能力，确保我国社会与国民经济可持续发展具有极为重要的意 义，是国家的重大需求。 1 2 国外冰雹灾害研究现状 冰雹【3 】【4 】【5 】【6 1 灾害研究涉及到云物理学、中小尺度天气学、灾害学等方面的内 容。为了了解各个方面的情况，对美国气象学会编辑出版的m g a ( m e t e o r o l o g i c a l a n dg e o a t r o p h y s i c a la b s t r a c t ，气象学和地球天体物理学文摘) 用冰雹、雹暴、雹 灾等主题词进行索引，m g a 是目前世界上公认的最著名和最常用的大气科学文 献检索工具。通过对m g a 的我国和国外的冰雹文献主题词的索引，我们可以客 观地了解世界冰雹研究。统计表明，世界上对冰雹的研究，主要目标是集中对防 雹的研究。国外冰雹灾害研究概况表现在以下几个方面：l 、冰雹致灾因子研究。 冰雹形成机f 割( d y n a m i c ) ，在冰雹形成( f o r m a t i o n ) 的物理机制和过程方面己经建立 了若干基本概念和理论。如冰雹形成的控制因子、主要机制和微物理过程，局地 强对流天气如何诱发( t r i g g e r ) 冰雹过程、作为冰雹形成环境的中尺度天气系统 ( m e d i u m - s c a l ew e a t h e rs y s t e m ) 对冰雹形成的作用、甚至与大尺度天气系统的联 系，如j o l i v i e r ( 1 9 9 5 ) 等曾就南方涛动( s o u t h e r no s c i l l a t i o n ) 的综合指数和德兰士 瓦省地区的雹暴天气的相关分析进行研究。雹暴监测( m o n i t o r i r 培) ，主要是通过监 测冰雹云的现代化装备，如高时相分辨率卫星进行遥感监测，地面雷达进行实时 监测，从而建立人工防雹的报警预报和作业指挥系统，改善并探索人工防雹原理、 深入研究其效果检验方法。b b a u e r m e s s m e r 等( 1 9 9 7 ) 根据卫星反馈的信息来识 别并预报雹暴。t j s m y t h ，b l a c k m a n ( 1 9 9 9 ) 通过3 r 偏震雷达对雹块的观测结果， 提出了冰雹探测的方案。降雹预报( f o r e c a s t i n g ) ，利用对冰雹形成机制的认识，建 2 第一章绪论 立相关的天气动力学模型，给出预报雷暴的回波系统模式和指标，如根据雷达参 数及雷暴的特殊回波结构、移动、并合的预报模式，雷达回波与中尺度气象场配 合的预报指标以及雷达和闪电频数相结合的识别方法。2 、减灾研究( m i t i g a t i o n ) 研究如人工防雹( h a i ls u p p r e s s i o n ) 效果的研究，冰雹的自然变率很大，为检查出 播雹效果需要获得大的样本，而这又是比较困难的，所以往往采用有效的统计方 法。s i m e o n o v ，p e t i o ( 1 9 9 61 就保加利亚的人工防雹的效果和作物的损失之间进 行的统计评价。3 、灾情研究和灾情损失( d a m a g e ) 研究，k l i m o w s k i ( 1 9 9 8 ) 等利用 g o e s 一卫星的数据进行一次雹暴过程所造成的损失的研究。脆弱性 ( v u l n e r a b i l i t y ) 研究，j l s a n c h e z ，r f r a i l e 等( 1 9 9 6 ) 就雹块的大小与农业作物成灾 损失之间做了深入地研究：t b e 仃y ，c f eh e r 等人( 1 9 9 5 ) 模拟降雹过程，研究了 玉米作物在不同的物候期( p h e n o p h a s e s ) 对冰雹打击的承受力。指出玉米发芽出苗 时期受雹灾后，应及时排除积涝，疏松土壤，提高土壤温度和通气性，以促进玉 米苗生长：玉米出苗至拔节被冰雹危害，只要还残留根，经过加强田间管理，就 能能快恢复：若穗节完好，即使茎叶被砸得千疮百孔的，还能恢复生长。4 、雹灾 风险评估( r i s ka s s e s s m e n t ) 研究，在这方面美国、前苏联、加拿大等许多国家都做 了关于本国冰雹灾害情况的研究。例如w e b b ，j o n a t h a n d c 等( 1 9 9 4 ) 使用近1 5 年 较为完备的数据库资料，对英国地区雹灾做了深入研究，给出了英国冰雹灾害的 高风险区。 1 3 国内冰雹灾害研究现状 同样用【8 】【9 】，我国在最近十至二十年间，由于采用d o p p l e r 雷达、大气风廓线 仪和卫星监测等先进仪器，加密地面和高空观测站网，设置专门的中尺度观测网， 进行数值模拟试验，野外观测试验等多种手段，气象学领域己经取得了飞速进展， 特别是在中尺度天气系统方面。1 9 8 3 年游景炎指出蒙古东部冷涡是华北雹暴发 生的主要天气形势背景，雹暴预报不仅应注意水平温度梯度的加强，更应该注意 垂直温度梯度的加强；不仅应注意风水平切变的加强，更应该注意风垂直切变的 加强；雹暴区2 0 0 2 5 0 h p a 为暖平流，2 5 0 6 3 0 h p a 为冷平流，6 3 0 h p a 至地面为暖 平流，最大冷平流出现在4 0 0 h p a ，最大暖平流出现在8 5 0 h p a ；雹暴具有突发性， 系统性的上升气流仅仅在雹暴发生前几小时出现。李平发现5 0 0 h p a 最大风速轴 3 第一章绪论 的出现是雹暴产生的先兆条件( 8 1 2 小时) ，风速大多在1 6 2 0 m s ，最大2 7 r n s ， 并分析原因是中空带来冷空气促使雹区不稳定热力层结的形成，中空强切变环境 风场为雹暴发展提供了动力条件。中层强切变环境风场为雹暴发展提供了动力条 件。中层强冷空气爆发与华北强对流天气有密切关系，冷空气从中层逐渐向低层 伸展。1 9 9 4 年王笑芳和丁一汇分析了北京地区冰雹落区与中尺度天气系统、散 度场、涡度场、地面总能量场及相对湿度分布的关系，在此基础上概括出冰雹落 区的概念模式，为冰雹落区预报提供了一种依据，还说明了利用北京0 8 时单站 探空资料预报强对流天气的有无及其强度的判断方法，为强对流天气的短时预报 提供了有应用价值的思路和方法。段旭、李英等从环流场、湿度锋区、高低空急 流以及动能涡散场等几个方面分析了1 9 9 7 年春季云南南部多风雹天气的环境场 条件，对南支槽、低空湿度梯度的变化、风场急流和垂直运动以及涡散场动能的 转换等与风雹天气的关系有了更深入的认识，并对滇南一次持续性风雹天气过程 中低空急流的动力、热力特征及其与昆明准静止锋的关系进行分析，表明大风冰 雹出现在急流轴左侧具有较强正涡度及风场气旋式切变的区域内；当低空急流区 伴随强的辐合上升运动时，有利于风雹天气的发生；风雹地区具有较强的斜压不 稳定层结。南京气象学院的隋东应用中尺度数值预报模式对2 0 0 3 年6 月2 8 日发 生在沈阳地区的一次冰雹强对流天气过程进行数值模拟和分析，并与实况观测资 料进行比较，模拟出中尺度强对流天气系统对流云的物理结构和演变规律及这次 强对流天气过程的触发机制，建立了中尺度冰雹强对流天气过程触发机制的物理 模型，为冰雹强对流天气的预报提供了有应用价值的思路和方法。由中国气象局 兰州干旱气象研究所承担的一项科技部社会公益研究专项“西北地区人工防雹消 雹技术”于2 0 0 6 年通过科技成果鉴定。项目在成雹机制理论和冰雹云识别等方法 上取得了原创性成果。项目分冰雹的天气、气候规律研究，冰雹云的观测研究， 系统制作、数据库和效果检验，数值模拟研究等4 个专题。科研人员应用数值模 拟方法，研究分析了西北地区冰雹成因和成长机制，验证了中国科学家提出的致 灾冰雹形成长大的“穴道”假说。研究了冰雹云的物理特征以及发生、发展规律， 提出了冰雹天气监测和临近预报的判据、方法和概念模型，提炼出西北地区冰雹 天气的综合实时监测方法和系统。并建成了“中国西北地区冰雹监测、预警及防 雹指挥系统”，投入业务试运行后显著提高了冰雹监测、预测、预警能力。 4 第一章绪论 1 4 链码的研究现状 曲线的编码【2 1 1 1 0 】【1 1 】【1 2 】【1 3 1 和描述一直是图像处理与理解领域的研究热点曲线 是图像中物体的重要特征，它能够很好地表征一类图像的本质结构，因此，如何 描述曲线是图像识别的重要环节，很多利用轮廓信息来进行图像识别的方法已被 提出来。在光栅扫描显示器中，曲线都是由一系列依次相邻的像素点组成。链码 表示法是用一个初始点和一系列表示相邻像素间走向的连续值序列( 链码) 来表 示这种曲线。链码是针对轮廓点的一种编码表示方法，其特点是利用一系列具有 特定长度和方向相连的直线段来表示轮廓，只有轮廓的起点需要坐标表示，其余 点都可以用链码来代表方向的偏移量，所以用链码表示曲线可大大减少轮廓表示 所需的数据量。链码以描述简洁、占用较少的存储空间等特性被应用到记录区域 轮廓的信息和区域轮廓的跟踪及外部形状的描述等方面。另外链码曲线的遍历方 式是顺序访问，即从初始点出发，利用边界跟踪的方式来完成对曲线上所有点的 访问。一条封闭的曲线对应的链码就唯一确定了某一区域。 由于链码具有很多的优点，国内外一直致力于链码的理论研究和实际应用， 并且不断提出改进方法。由于本文大部分工作都是基于链码处理的，所以相对较 为深入地了解了链码的发展、研究现状，并在此基础上，结合项目的实际需求对 它进行适当有效的改进。现简单介绍链码的国内外研究现状： 1 9 6 1 年f r e e m a n 提出用链码描述曲线的方法，并给出链码的定义和基本性 质。 r t b o u t e 和c i s s i d h u 两人共同研究了基于2 e e m a 链码的二进制图像编码 和轮廓跟踪。 m c k e e 和a g g a r l v a l 利用链码来识别不同类别的物体，由链码直接计算并提取 图像的多种特征，从而根据这些特征来划分物体的类别。 f k u h l 深入研究了基于链码的手写体分类和识别，取得很好的应用效果。 e b r i b i e s c a 提出了一个新的链码编码方法来表示区域形状，称其为“顶点 链码 。同时e b r i b i e s c a 和a g u a z a m a n 把链码用于测量图像之间的差异，并且 e b r i b i e s c a 还把链码用于描述和重建二维图形和三维平面的几何结构。 基于链码检测直线的算法不断得到改进，其中较好的算法是利用跟踪得到线 段子元，直接利用f r e e m a n 准则进行判断，将线段子元合并为线段元，然后再计 第一章绪论 算线段元与线段间角度的偏差，从而判断线段元是否属于线段，这种算法具有很 高的实效性。 基于f r e e m a n 链码的角点检测方法是可以用于边缘的角点检测。根据链码差 确定角点和可疑角点。对于可疑角点，通过曲率大小进一步判断可疑点是否为真 正的角点。基于f r e e m a n 链码角点检测和其它需要计算所有边缘点曲率的方法相 比要省时得多，这种方法简单，易于实现，检测角点的能力也较强。但由于计算 曲率时要用到边缘上某点与其相距三个象素点的连线与x 轴的夹角，因此边缘上 个别点位置的变化对曲率影响极其明显，所以这种方法对噪声比较敏感，很容易 误检到伪角点和漏检真实的角点。鉴于这种方法的抗噪能力不强，对含有噪声的 图像应该先对图像去噪后再进行角点检测。 最近几年，夹角链码算法得到了广泛的研究和应用，它克服了目前已有的一 些算法的缺点。夹角链码的方法采用一种新的思想解决了这一缺陷。夹角链码是 用一系列相连的等长线段来建模曲线，用相邻线段之间的夹角构成的序列，即夹 角链码来标识这根曲线。相邻的线段之间的角度差构成夹角链码，通过对不同夹 角链码的相似性度量来判断两条曲线是否匹配。对于模板图像和场景图像中抽取 出来的一组曲线，分割每根曲线的次数是相等的，从而保证曲线描述的拉伸不变 性。夹角链码方法最吸引人的地方是，能够很容易地得到不随着曲线平移、拉伸 和旋转而变化的曲线描述方式，而且它对局部的小扰动不敏感，稳健性很好。 1 5 本文主要工作 本文的主要工作是以气象学知识和专家经验为基础，运用模式识别与计算机 视觉的方法对雷达基本反射率图像进行处理，识别出钩状冰雹云并定位出冰雹落 区，为气象预报人员提供可靠的辅助信息，降低冰雹误报率和漏报率。 由于钩状冰雹云有5 类基本模式( 见图1 - 1 ) ，它们分别是p e n d a n t ，h o o k ， d o u g h n u t ，b i r d ，s p i r a l 类。它们各自具有特殊的形状特点，本文提取钩状冰 雹云的形状作为基点。首先对雷达基本反射率图像进行一系列的预处理，得到宽 度为1p i x e l 的封闭轮廓线。然后基于f r e e m a n 编码规则和利用边界跟踪的方法得 到钩状冰雹云的码字。为提高码字信息的稳健性，提出了最小和统计方向码概念， 从而解决了码字对图像起始点、比例以及旋转变化的依赖性。定义钩状冰雹云的 6 第一章绪论 模板图像与待匹配图像的相似性度量准则，根据两者的码字信息和相似性度量准 则来判断待匹配图像是否属于钩状冰雹云。进而定位出冰雹落区。 7 第二章冰雹云图像特征及基于链码方法的系统设计 第二章冰雹云图像特征及基于链码方法的系统设计 2 1 冰雹云的雷达回波特征 随着【2 - 】【2 2 1 1 2 3 】【2 4 】科学技术的发展，雷达已成为探测冰雹云的一种极为有效的工 具。雷达探测发现，在冰雹云发展的不同阶段，其回波特征是不相同的。尽管由 于雷达波束在云体内的位置以及分辨率等原因，冰雹云的特征并不总是能全部被 探测到，但冰雹云回波而言，总是表现为： 冰雹云的回波强度特别强 上升气流( 下沉气流) 特别强 平面位置显示产品( p p i ) 是雷达的一种数据产品。p p i 是指将雷达以固定仰 角，雷达天线以全方位的探测广度而获取的数据，通过以雷达为中心的极坐标形 式，采用不同的彩色色标来表示数据的大小的图象产品。冰雹云在p p i 上有独特 的形态特征，主要表现为： 钩状回波 指状回波 v 形缺口回波 喷焰回波( f l a r ee c h o ) 如果在主回波区的周围当有较小的回波单体并入主回波后便形成指状回波， 降雹常发生在指状回波以及指根回波强度和强度梯度最大处。 喷焰回波在r h i 图上，表现为一个纺锤状回波。 钩状回波是超级单体风暴云的主要回波特征之一，超级单体风暴云一般都可 能产生冰雹、下击暴流，有时还可能伴有龙卷。只要确认探测到了钩状回波，结 合回波体的强度、高度和尺度，一般应能够辨认出超级单体风暴，从而识别出它 是冰雹云。钩状回波是从强大的对流回波一侧伸出的强度及强度梯度很大而尺度 较小的钩状附属物，它通常位于主体回波的右后侧，降雹发生在钩状回波附近的 强回波区中。美国气象工作者归纳出钩状冰雹云的五类基本类型：p e n d a n t 、 h o o k 、d o u g h n u t 、b i r d 、s p i r a l ，如图2 l 所示。 8 嘲2 一l 由h2l 巾可见：对于p e n d a n t 、h o o k 和b i r d 这_ 二种类埤! 冰雹云而言，它们 都只有一条轮廓线，其中p e n d a n t 干h o o k 在钩状i ) ( 形态变化剧烈，弧弦比较大， 而b i r d 类则有删个叫显曲率娈化的点( 角点) 。对rd o u g h n u t 和s p i r a l 这两类而 言它们都有两条长度悬殊较大的轮廓线其中d o u g h n u t 类的短轮廓线近似于 嘲环且被乜嘲在较长轮廓线内部而s p i r a l 类的两条轮廓线可近似拟台为螺旋线。 2 2 多谱勒雷达回波基本反射率图的特点 吐上雹云基木类型是基于多讲勒雷达回波基术反射率图而言的，雷达回波反 射率图蜘i 图2 - 2 所示，圈中 1 含多类信息 雷达回波基本反射率图主要记录回波的强度、云体形态信息同时也包含一 些其他信息，如| 兑明性信息、地理信息、极坐杯线等。 2 同时含有信息和无用信息 在j 一述多类信息巾本文将与冰雹系统相关的信息称之为有用信息，否则称 之为无h j 信息。有川信息包括颜色( 与网波强度相对应) 、云体形态、最大叫波 强度、回波强度范围等。无用信息包括地理信息、说明性信息，如时间、仰角、 也标、r 径范【1 j 等，选b 信息会对图像后续的处理和矗体识别形成干扰处理。 3 冰雹云雌体多以较大云体为载体 从图22 中呵观察到：冰雹百单体小足独立存n 的，往往被包襄j ：较大的百 体中，是太i 体中的个部分。根据冰雹厶的强度和形态等特征，嘲r f | 存在两个 冰雹单体其中一个冰雹云单体育着非常明显的钩状特祉。 第一章冰雹云图像特征及基于链码方法的系统设计 2 3 冰雹单体描述方案的选择 描述物体形状的常用方法有多种：数学解析表达式、f r e e m a n 链码、多边形 拟台等。数学解析式的方法可以精确地表示被描述体的形状，但云体形态复杂多 变。很难找到它的解析式。或者说仅就一类云体而言也无法归纳出统一的解 析描述。多边形拟合法也会因云体的复杂多变性使其计算量将无法估计r 而 f r e e m a n 链码的编码方式简单直观，对被描述体的形态无特殊要求，存储量小， 大约可节省存储空间6 0 。鉴于此，木文选用f r e e m a n 链码对被识别对象一典型 冰雹云进行描述。 i 髫溪 嫠黪墅 幽2 2 2 4 基于f r e e m a n 链码描述方案的冰雹识别系统设计 以冰雹：的f r e e m a n 链码描述作为萆点，前而需要胜开一系列的预处理丁= 作t 后面需要进 r 冰雹云信息提取和基于_ 仃教识别信息f f j 雹云识别以及降雹落雠定 位具体世f 【 1 | 12 - 3 所示， 第二章冰雹云图像特征及基于链码方法的系统设计 睁23 i 发釜， 擤r ； 1r 帚拳皂、 1 i j , z ， 1 r * 芷；：芝 1 第三章单体分割及单体轮廓线提取 第三章单体分割及单体轮廓线提取 3 1 图像分割的一般方法 图像分割【1 5 】【l 刀就是指把图像分成各种特性的区域并提取出感兴趣目标的技 术和过程，特性可以是像素的灰度、颜色、纹理等预先定义的性质，它可以对应 单个区域，也可以对应多个区域。 图像分割【1 8 1 是由图像处理到图像分析的关键步骤，在图像工程中占据重要的 位置。它是目标表达的基础，对特征测量有重要的影响；同时，图像分割及其基 于分割的目标表达、特征抽取和参数测量的将原始图像转化为更抽象更紧凑的形 式，使得更高层的图像分析和理解成为可能。图像分割是图像理解的基础，而在 理论上图像分割又依赖图像理解，彼此是紧密关联的。图像分割在一般意义下是 十分困难的问题，目前的图像分割一般作为图像的前期处理阶段，是针对分割对 象的技术，是与解决实际问题紧密相关的。 图像分割有三种不同的思想【2 0 l ： 区域法：将各象素划归到相应物体或区域的象素聚类方法 边界法：通过直接确定区域间的边界来实现分割的边界方法 像素连接法：首先检测边缘象素再将边缘象素连接起来构成边界形成分 割 根据上述三种图像分割的思想，研究出许多图像分割的方法，主要有： 阈值法【1 6 】 阈值是在分割时作为区分物体与背景象素的门限，大于或等于阈值的象 素属于物体，而其它属于背景。这种方法对于在物体与背景之间存在明显差 别( 对比) 的景物分割十分有效。实际上，在任何实际应用的图像处理系统 中，都要用到阈值化技术。为了有效地分割物体与背景，人们提出了各种各 样的阈值处理技术，包括全局阈值、自适应阈值、最佳阈值等等。 梯度法 当物体与背景有明显对比度时，物体的边界处于图像梯度最高的点上， 1 2 第三章单体分割及单体轮廓线提取 通过跟踪图像中具有最高梯度的点的方式获得物体的边界，可以实现图像分 割。这种方法容易受到噪声的影响而偏离物体边界，通常需要在跟踪前对梯 度图像进行平滑处理等，再采用边界搜索跟踪算法来实现。 边界提取与轮廓跟踪 为了获得图像的边缘人们提出了多种边缘检测方法，如s o b e l , c a n n y , l o g 算子。在边缘图像的基础上，需要通过平滑、形态学等处理去除噪声点、毛 刺、空洞等不需要的部分，再通过细化、边缘连接和跟踪等方法获得物体的 轮廓线。 h o u g h 变换【1 9 1 对于图像中某些符合参数模型的主导特征，如直线、圆、椭圆等，可以 通过对其参数进行聚类的方法，抽取相应的特征。 区域增长 区域增长方法是根据同一物体区域内象素的相似性质来聚集象素点的方 法，从初始区域( 如小邻域或甚至于每个象素) 开始，将相邻的具有同样性 质的象素或区域归并到目前的区域中从而逐步增长区域，直至没有可以归并 的点或其它小区域为止。区域内象素的相似性度量可以包括平均灰度值、纹 理、颜色等信息。区域增长方法是一种比较普遍的方法，特别在分割比较复 杂的图像，如自然景物时，没有先验知识可以利用时，仍能取得较理想的性 能，然而区域增长方法是一种迭代的方法，空间和时间开销都比较大。 3 2 对回波反射率图的预处理 为准确且迅速的单体分割，就必须去除与要提取单体无关的部分，即尽量去 除无用信息，保留或加强有用信息。另外相对灰度图像，彩色图像的处理比较复 杂，计算量偏大，所以需将彩色图像转换为灰度图像。对原始图像处理步骤如下： 1 选择性滤除低回波强度区域 根据气象局资深人员的二十多年积累的经验：回波强度低于4 0 d b z 的云体一 般不会形成冰雹，故在基本反射率图滤除低回波强度区域和与后续图像处理无关 的信息。 2 移除图像中说明性信息 第三章单体分割及中体轮廓线提取 在图2 - 2 所示的原始图像中存在大量的说明性信息，这些信息无益于固像处 理，故移除这些说明性信息。设原始图像的左r 角为坐标原点向右和向下为x 轴和y 轴的正方向，州坐标为( 0 0 ) 、( 0 ，4 8 0 ) 。( 4 8 0 t0 ) ( 4 8 0 ，4 8 0 ) 构建 一个矩形区域，也就是图像预处理时感兴趣的区域。 通过上述两步的处理，如图3 1 所示有效地减少需处理的像素总点数和降 低系统后续处理的科算最。 图3 - l 3彩色图像转换为灰度图像 原始图像中共有几种颜色，各种颜色与同波强度一对应，可以直接用每一 点的四波强度作为对应像素点的灰度值由此转换而来的图像灰度值通常相对集 巾轮廓不够清晰，即对比度低，进而采用简单的灰度变换或直a 图均衡化的方 法增强对比度。 简单的灰度变换就是指对图像上整个或某段灰度级中的每个像素点的灰度 值z 按某个函数r 变换到y ，即y = t x ，如图32 所示，图巾t 为线性变换函数， 宴际r r 可以是线性也可以是非线性的，而不论是卿种变换，图像的灰度范围都 山( ，) 扩展到( h ，儿) ，从而使得荻度级增多t 整个或部分图像变得清晰。 刚3 - 2 直疗图均衡化算法m 1 足图像增强空域法中的最常用、最最要的算法之。它 以概率理论作基1 l i i ：通过改变原始图像并像素在各灰度级l 的概率分布来实现图 第三章单体分割及单体轮廓线提取 像增强。通过对图像的灰度值进行统计可以得到个一维离散的图像灰度值统计 函数。设一幅图像总像元数为 、分工个灰度级，仇代表第k 个灰度级乓出现的 频数，则第七灰度级出现的概率为 p , ( r k ) = 二= 主_ ( 0 r k l ，k = o ，l ，一上一1 ) 刀 直方图函数实际是图像的各灰度级的分布情况的反映，可以通过干预来改变 直方图的灰度分布状况，使灰度均匀的或是按预期目标分布与整个灰度范围空 间，从而达到增强图像对比度的效果。 综合考虑简单灰度变换和直方图均衡化的方法，结合本文所面对的图像层次 信息特点，本文采用简单灰度变换方法，并将灰度对比度拉伸比例设为3 ，将这 幅图像中的每点像素值3 得到新像素值，若新像素值超过2 5 5 ，则将其等于2 5 5 。 转换后的灰度图像如图3 3 所示。 4 去除灰度图像的孤立块 根据气象人员多年经验，当某个云团面积过小，即使回波强度较大，这云团 是冰雹云的可能性很小。本文采用如下方法将其滤除h 2 1 ： ( 1 ) 将灰度图像转换为二值图像 ( 2 ) 对得到的二值图像利用区域标记法来计算连通域面积。设每个像素点的面积 设为1 ，新标记区域面积变量为a r e a ，区域标记的算法如下： ( a ) a r e a 初始化为0 ( b ) 扫描图像，遇到没加标记的白像素p 时，添加一个新的标记。 ( c ) 给与p 边接在一起的像素添加相同的标记。 ( d ) 进一步给所有与加标记像素连接在一起的像素添加相同的标记。 ( e ) 直到连接在一起的像素全部被添加标记。这样，一个连接成分就被添加了相 同的标记。 ( f ) 返回到第a ) 步，重新查找新的没加标记的像素，重复上述各个步骤。 ( g ) 图像全部被扫描后，处理结束。 根据上述算法计算各连通域面积，并设定连通域面积的阈值为1 5 0 ，就得到去除 孤立块后的二值图像。去除孤立块后的灰度图像，如图3 4 所示。 崮3 - 3 33 单体分割 3 3 1 分割参照图及单体的分割 圈3 4 在原始图像中可观察到每个单体的内核刚波强度较大外过渡带回波强度逐 步由强向弱过渡，两个单体相交处回波强度较弱。针对基本反射率图像处理这一 实际问题，本文从相连单体间强度变化规律出发，对灰度图像t ( x y ) 中的相连单 体采用如下方法来分割： ( 1 ) 将经预处理后的灰度图像沿纵向分成n ( n = l ，2 ) 个小矩形。计算每个矩形内 的像素值总和得到数组$ 7 d 耐n 】。 ( 2 ) 以从左到右的矩形编号为横轴的坐标点，每个矩形内的像素值总和作为纵轴 取值，得到一张分割参照图如图35 所示。 ( 3 ) 在s 州卅中寻找最大值日和次最大值也。 ( 4 ) 在日和札之间是否存在极小值l ( l 0 ) 若工存在，则将对应的那个矩形 中的所有像泰值变为0 此时便完成了两个相连单体的分割；若不存袖则认 为这是一个单体。 第三章单体分割及单体轮廓线提取 根据上述方法得到相连单体分割后的图像k ( x , y ) ，如图36 所示： l 述分割方法尽管1 # 常简单它其实足在柴一k 问内寻求极小值问题但对 基本反射率图像而言，它是非常有效的。这一结论是经过了大量图像测试得出的。 ， 一 i 一 目3 - 6 332 单体的区域填充 捌统计图26 灰度图像x ( x ，y ) 中的非0 像索区域中往往会各自一些小空洞， 些小空洞将会给提取单体轮廓带来一些幽难，甚至造成轮廓的断裂，故需对这些 小空洞进行填充。 | ) ( 域是指已经表示成点阵形式的填充蹦形，它是象素的集合。区域叮采用内 点表示和边界表示两种表示形式。在内点表小中区域内的所有象泵着同一颜色。 曲边界表示中，区域的边界点料同一颜色。区域填充指先将区域的一点峨于指定 的蒯也，然后将该颜色扩展到粘个区域的过程。因此首先将灰度图像( y ) 转 换为值图像l ( x y 1 。 区域填充m 懵泣要求k 域足连通的，因为j l 有n 连通区域巾_ 叮能从种。f - 点护腱到区域内的其它点。区域可分为4 鼬连通区域和8 向连通区域。4 向连通 m 域指的是从区域 ：一点m 发可通过叫个方向，叩h 、f 、左、- 移动的自i a ， 在小越m 区域的前提下，到达区域内的任意象袭：8 向琏通区域指的足从区域内 辞象豢 f 发町通过八个方向，即 i 、f 、左、右、左上、右l ：、左r 、右下 这八个方u 的移动的组合柬到达区域内的任意像索。 第二章单体分割及单体轮j 靠线提取 i 爱域填充常用的算法有递归算法和扫描线算法。区域填充的递归算法原理简 单，但因多次递归而费时、费内存，上作效率不高，木文采用扫描线算法， 扣拭线算法的基本崽想如下：当给定种f 点( 丘y ) 时首先填充种子点所在 扫描线p 的位丁给定区域的一个区段。然后确定与这一区段相连通的 ：、下两条 扫描线r 位于给定区域内的区段并依次保存下柬。反复这个过程直到填充结 柬。 扫描线算法町由f 列朋个步骤实现： ( 1 ) 初婚化：堆栈鼍空，将种于点( y ) 八栈。 ( 2 ) 出栈：若栈孛4 结束。否则取栈顶元素( j ，) ，以y 作为当前扫描线。 ( 3 ) 填充并确定种子点所在区段：从种了点( z ，y ) 出发，沿当前扫描线向左、右 两个a 向填充，直到边界。分别标记区段的芹、右端点坐标为x l 和。 ( 4 ) 并确定