基于雷达产品基数据的计算机反算技术研究

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: 气象象雷达;基数据据;数字字图像处处理;反反算引言新一代天气气雷达系系统建设设是我国国20世世纪末221世纪纪初的一一项跨世世纪的气气象现代代化工程程,具有有重大的的意义和和深远的的影响,多普勒勒天气雷雷达对于于强天气气的探测测和预警警有着重重要的意意义。根根据新一一代天气气雷达的的布点原原则,在在我国沿沿海和多多强降水水地区部部署S波波段雷达达,在我我国强对对流天气气发生频频繁和经经济比较较发达的的中部地地区,部部署C波波段雷达达,其他他地区仅仅在省会会和一些些需要重重点监测测的大城城市部署署多普勒勒雷达。这这种布点点方式综综合考虑虑了经济济,网点点代表性性等各方方面的因因素,使使得目前前天气雷雷达的业业务使用用效果得得到了很很好的验验证和提提高。但但是,考考虑到网网络传输输,信号号可靠性性和计算算机性能能等各方方面的原原因,雷雷达基数数据的后后续处理理只是停停留在已已经建立立了雷达达站的市市一级气气象局,其他各各地只能能通过已已经处理理好的雷雷达产品品对当地地的气象象状况进进行监测测和评估估,这阻阻碍了雷雷达产品品开发和和应用的的局地化化,限制制了雷达达产品的的效率。同同样,对对于各个个高校和和研究机机构而言言,雷达达基数据据是进行行雷达研研究的基基础,由由于获取取雷达基基数据的的困难,造成了了研究的的不方便便,在一一定程度度上妨碍碍了研究究的进展展。目前前尚无该该方面的的行之有有效的解解决方法法。本文文结合数数字图像像处理技技术,对对网络上上截取的的雷达产产品生成成图进行行代数运运算,反反算出需需要的雷雷达基数数据,利利用该基基数据可可以进行行符合当当地条件件的二次次产品开开发,或或者利用用PUPP进行更更多种产产品的显显示,提提高了天天气雷达达在一些些没有雷雷达站地地区的使使用效率率。1数字图像像基础图像时由“照射源源”和形成成图像的的“场景”元素对对能量的的反射或或者吸收收相结合合而产生生。对于于天气雷雷达系统统来说“,照射射源”是雷达达发射的的电磁辐辐射“,场景景”元素则则是对电电磁波进进行反射射的气象象目标物物,天气气雷达成成像系统统获取了了场景反反射的能能量以后后,经过过一系列列的计算算处理,将其映映射到图图像平面面,经过过采样,量化,和数据据二次处处理后即即得到了了计算机机屏幕上上显示出出的雷达达产品图图像如PPPI,RHII,VAAD等等等。一般来说,数字图图像包括括二值图图,索引引图,灰灰度图和和RGBB图四种种类型。一一般来说说,从计计算机上上看到的的雷达产产品图像像属于RRGB图图像。具具有R(红色),G(绿色),B(蓝色)三个颜颜色通道道,每个个颜色通通道的值值在0到到2555之间变变化。在在雷达产产品图中中,每个个像素由由13的像像素向量量来表示示,每一一列向量量分别表表示R值值,G值值和B值值。比如如说,对对于方位位角为330度,距离为为1000公里的的某个探探测单元元,假若若其强度度是5ddBZ,则其强强度产品品图的RRGB索索引(根根据PUUP应该该是(115,2255,15),索引引坐标和和其方位位角以及及距离相相对应。2雷达产品品图的获获取和预预处理目前全国的的雷达站站的各种种产品图图(包括括基本反反射率,组合反反射率,液态水水含量和和多普勒勒速度等等)均可可以在中中国气象象局网站站上获取取。另外外,各个个省局或或者有雷雷达站的的市局的的业务平平台也可可以获取取该地的的常用雷雷达产品品图集。但但是,对对于其他他地方,下设县县局或者者高校科科研机构构来说,只能被被动的接接受这些些雷达产产品,无无法进一一步进行行扩展和和开发。为为了解决决这个问问题,需需要对雷雷达产品品成品图图进行截截取和处处理,提提取出其其中的有有效信息息,最大大程度上上真实的的还原出出雷达基基数据的的水平和和垂直分分布。基于上面的的陈述,首先需需要截取取雷达产产品成品品图片,目前可可使用的的截图工工具非常常多,包包括QQQ截图或或者抓图图猎手等等,技术术成熟并并且简便便易用,普及面面广,不不需要再再进行新新的截图图工具的的开发。手手动截取取的雷达达产品成成品图片片一般包包括信息息显示区区,数据据空缺区区和基数数据分布布区三个个部分(如图11)。其其中,信信息显示示区包括括了产品品种类,探测范范围,站站点信息息,体扫扫方式,扫描仰仰角方位位角等信信息。数数据空缺缺区主要要适用于于雷达的的扫描特特性和截截图大小小的不同同所造成成的。基基数据分分布区是是雷达产产品的主主要信息息提供区区,它可可以显示示该区域域内强度度,速度度,谱宽宽和各种种二次产产品的图图像,该该区域是是要进行行雷达产产品基数数据反算算的重点点区域。要要进行基基数据的的反算,首先需需要从截截图中提提取基数数据分布布区。基数据分布布区有其其自身相相对于其其他区域域的特点点,其中中,最主主要的特特点就是是基数据据分布区区中根据据距离雷雷达站中中心点距距离的不不同分布布着若干干距离圈圈,这些些距离圈圈方便了了雷达探探测区域域内各点点距离的的判断。距距离圈相相对于背背景或者者信息显显示区,数据空空缺区以以及基数数据分布布区中的的其他各各个像素素点的RRGB值值总是存存在差异异,这也也就是提提取基数数据分布布区的基基本原理理。利用MATTLABB为编程程工具,实现取取得距离离圈的RRGB值值,可以以从任意意方向上上逼近最最外层的的距离圈圈,这也也就是基基数据能能达到的的最远距距离。程程序设计计如下(图2)所示:其中,c和和r是截截图的像像素展宽宽和展高高,符合合阈值的的RGBB数据分分别将存存储入RR_hoongsse(ii,j),G_lvsse(ii,j),B_lannse(i,jj),其其中分别别表示像像素点ii,j的的R,GG,B值值,另外外可设KK和M是是雷达的的探测距距离库数数,将首首次提取取出的数数据加上上K,MM可得扫扫描半径径。通过过以上方方法,可可以非常常准确的的截取需需要进行行基数据据反算的的区域基数据据分布区区。在获取了基基数据分分布区之之后,还还需要对对“信息显显示区”的强度度或者速速度显示示的彩色色阈值的的RGBB进行提提取,本本工作可可以利用用imrreadd函数完完成。iimreead函函数的原原型如下下:X,maap=imrreadd(A)其中,X是是像素点点色度值值分布,mapp是RGGB索引引,A是是获取的的图像句句柄。提提取了彩彩色阈值值的RGGB值之之后,便便可以根根据这些些值,对对雷达基基数据进进行最大大程度的的还原。3雷达基数数据的反反算本部分的主主要思想想是根据据在数据据预处理理中提取取的彩色色阈值的的RGBB值,对对位于基基数据分分布区的的各个像像素点进进行强度度和速度度值的还还原,在在反算成成需要最最终还原原的基数数据种类类的格式式。以SSA资料料为例,若地ii,j个个像素点点的RGGB值是是(1440,1140,0),其对应应的彩色色阈值RRGB索索引指向向的强度度为500DBZZ,则可可判断地地i,jj个像素素点处的的强度值值为500DBZZ。即可可以假设设,每个个回波点点RDaataij用用i,jj,RDDataa和L表表示。其其中i,j表示示该像素素点的平平面直角角坐标,RDaata表表示该回回波点的的原始强强度,LL表示每每个回波波点的原原始亮度度。在按照直角角坐标提提取了基基数据分分布区各各个点的的强度值值以后,对其进进行径向向投影并并且插值值,可以以得到普普遍意义义上雷达达基数据据储存的的格式。另另外,在在进行了了径向投投影之后后,需要要对无效效数据,既大于于扫描半半径的数数据进行行提取和和去除。通通过以上上程序和和设计,可以非非常方便便的将格格点分布布的数据据恢复到到极坐标标上并进进行存储储。以存存储为SSA格式式为例,只需在在各径向向数据区区前加1128个个字节的的径向头头即可,径向头头由方位位角,仰仰角等信信息构成成。4基数据反反算平台台的开发发基于以上理理论和研研究,为为了业务务化和研研究的方方便,对对基数据据反算技技术进行行了平台台开发(如图33)。本本平台由由MATTLABB语言设设计,分分为截图图导入,数据预预处理,参数设设置,基基数据反反算四个个模块组组成。并并且包括括了截图图显示和和生成基基数据二二次反演演产品的的显示两两个附加加功能。经过本平台台进行基基数据反反演后的的XSAA格式数数据,包包括了仰仰角,方方位角,扫描雷雷达类型型和强度度,速度度数据等等部分。经经过后续续处理,可以非非常方便便的将XXSA格格式转化化为SAA,VTTB等常常用天气气雷达基基数据格格式,供供PUPP或者其其他二次次产品开开发平台台调用,丰富了了在没有有雷达基基数据地地区雷达达产品的的种类和和应用范范围,具具有一定定的实用用价值。利用基数据据反算平平台,从从苏州移移动气象象台网站站上截取取20007年88月9日日11时时16分分的合肥肥雷达基基本反射射率产品品截图,如图55中左图图,在进进行数据据预处理理和参数数设置后后,进行行基数据据反算,得到2200770800911116001.*XA数数据,其其中,2200770800911116表表示产品品的时间间,011表示第第一层数数据。利利用程序序读取2200770800911116001.*XA并并且进行行插值显显示,可可以得到到该基数数据显示示的雷达达基本反反射率产产品图,如图55中右图图。对反算误差差进行进进一步的的分析,利用220077年8月月9日111时116分的的合肥雷雷达站反反射率基基数据(真值数数据)和和公开的的当时反反射率产产品图反反算的基基数据(反算数数据)进进行对比比,提取取方位角角为3000度,仰角为为0.55度的径径向真值值数据和和反算数数据,得得到误差差分析图图(如图图6中左左图)。如如图易知知,真值值数据和和反算数数据具有有较高的的近似度度,大部部分数据据的误差差在5个个DBZZ以内;同时,也可以以看出,反算出出的数据据具有普普遍偏大大的特点点,并且且存在少少量的缺缺失点,这也是是本研究究需要改改进的部部分。为了说明误误差存在在的普遍遍性,再再取2770度,仰角为为1.55度的真真值数据据和反算算数据进进行对比比,得相相应的误误差图如如如图66中右图图所示。从从图中可可以看出出,大部部分的数数据误差差在3个个DBZZ之内,同样也也存在数数据缺失失问题,但是,就数据据整体而而言,这这样的误误差实在在可接受受范围之之内的。同样,通过过“产品截截图显示示区”和“生成基基数据插插值显示示区”两个模模块(如如图8)可以直直观的看看出,反反算出的的基数据据生成的的反射率率产品与与原反射射率产品品非常的的近似,说明了了利用反反算出的的基数据据进行二二次产品品开发的的可行性性。5总结本文研究了了利用数数字图像像截取,从雷达达产品成成品中获获取基数数据的技技术。雷雷达基数数据反算算技术理理论上可可以通过过网站雷雷达产品品截图获获得全国国各地,各个时时刻的基基数据,成功的的解决了了目前广广泛存在在的雷达达资料难难以获取取,很多多台站和和研究机机构无法法根据自自身情况况进行雷雷达产品品二次开开发的的的问题。本文作者创创新点:本文作作者在结结合雷达达基数据据反算技技术的基基础上,开发了了雷达基基数据反反算平台台,该平平台可以以快速高高效的对对截取的的雷达基基本反射射率和径径向速度度产品进进行基数数据反算算,得到到精度较较高的强强度和速速度数据据,方便便于结合合各地实实际情况况的科学学研究和和应用开开发。参考文献1俞小小鼎等.多普勒勒天气雷雷达原理理与业务务应用M.气象出出版社.20009.112许小小峰。中中国新一一代多普普勒天气气雷达网网的建设设与技术术应用J.中国工工程科学学,20003,(066).334-3373肖艳艳姣.新新一代天天气雷达达三维组组网技术术及其应应用研究究D.中国国博士学学位论文文全文数数据库,20007,(05)4董霖霖.MAATLAAB使用用详解基础开开发及工工程应用用M.电子子工业出出版社220099.1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