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计算机应用论文范文:基于雷达产品基数据的计算机反算技术研究.docx

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摘要:新一一代多普勒勒天气雷达达是日常气气象业务预预报中不可可或缺的工工具。但是是,新一代代多普勒雷雷达目前相相对来说只只覆盖了全全国有代表表性的少数数大中城市市,特别对对于西部来来说,雷达达布点密度度低已经成成为影响当当地研究和和业务工作作的一个重重要因素。对对于全国大大部分地区区,由于缺缺少雷达基基数据,只只能依靠业业已形成的的雷达产品品进行业务务应用,无无法结合当当地局地条条件进行相相适合的雷雷达产品开开发,这也也很大程度度限制了雷雷达应用的的效果。本本研究结合合数字图像像处理技术术,对雷达达产品的RRGB图进进行处理和和反算,比比较精确的的得到了相相对于该产产品的雷达达基数据。并并且开发了了反算雷达达基数据的的业务化平平台,对22007年年8月9日日11时116分的合合肥多普勒勒雷达强度度产品进行行反算,得得到了很好好的效果。
关键词:气象雷雷达;基数数据;数字字图像处理理;反算
引言
新一代天气气雷达系统统建设是我我国20世世纪末211世纪初的的一项跨世世纪的气象象现代化工工程,具有有重大的意意义和深远远的影响,,多普勒天天气雷达对对于强天气气的探测和和预警有着着重要的意意义。根据据新一代天天气雷达的的布点原则则,在我国国沿海和多多强降水地地区部署SS波段雷达达,在我国国强对流天天气发生频频繁和经济济比较发达达的中部地地区,部署署C波段雷雷达,其他他地区仅在在省会和一一些需要重重点监测的的大城市部部署多普勒勒雷达。这这种布点方方式综合考考虑了经济济,网点代代表性等各各方面的因因素,使得得目前天气气雷达的业业务使用效效果得到了了很好的验验证和提高高。但是,,考虑到网网络传输,,信号可靠靠性和计算算机性能等等各方面的的原因,雷雷达基数据据的后续处处理只是停停留在已经经建立了雷雷达站的市市一级气象象局,其他他各地只能能通过已经经处理好的的雷达产品品对当地的的气象状况况进行监测测和评估,,这阻碍了了雷达产品品开发和应应用的局地地化,限制制了雷达产产品的效率率。同样,,对于各个个高校和研研究机构而而言,雷达达基数据是是进行雷达达研究的基基础,由于于获取雷达达基数据的的困难,造造成了研究究的不方便便,在一定定程度上妨妨碍了研究究的进展。目目前尚无该该方面的行行之有效的的解决方法法。本文结结合数字图图像处理技技术,对网网络上截取取的雷达产产品生成图图进行代数数运算,反反算出需要要的雷达基基数据,利利用该基数数据可以进进行符合当当地条件的的二次产品品开发,或或者利用PPUP进行行更多种产产品的显示示,提高了了天气雷达达在一些没没有雷达站站地区的使使用效率。
1数字图像像基础
图像时由“照射源”和形成图图像的“场景”元素对能能量的反射射或者吸收收相结合而而产生。对对于天气雷雷达系统来来说“,照射源源”是雷达发发射的电磁磁辐射“,场景”元素则是是对电磁波波进行反射射的气象目目标物,天天气雷达成成像系统获获取了场景景反射的能能量以后,,经过一系系列的计算算处理,将将其映射到到图像平面面,经过采采样,量化化,和数据据二次处理理后即得到到了计算机机屏幕上显显示出的雷雷达产品图图像如PPPI,RHHI,VAAD等等。
一般来说,,数字图像像包括二值值图,索引引图,灰度度图和RGGB图四种种类型。一一般来说,,从计算机机上看到的的雷达产品品图像属于于RGB图图像。具有有R(红色色),G((绿色),,B(蓝色色)三个颜颜色通道,,每个颜色色通道的值值在0到2255之间间变化。在在雷达产品品图中,每每个像素由由1×3的像素素向量来表表示,每一一列向量分分别表示RR值,G值值和B值。比比如说,对对于方位角角为30度度,距离为为100公公里的某个个探测单元元,假若其其强度是55dBZ,,则其强度度产品图的的RGB索索引(根据据PUP应应该是(115,2555,155),索引引坐标和其其方位角以以及距离相相对应。
2雷达产品品图的获取取和预处理理
目前全国的的雷达站的的各种产品品图(包括括基本反射射率,组合合反射率,,液态水含含量和多普普勒速度等等)均可以以在中国气气象局网站站上获取。另另外,各个个省局或者者有雷达站站的市局的的业务平台台也可以获获取该地的的常用雷达达产品图集集。但是,,对于其他他地方,下下设县局或或者高校科科研机构来来说,只能能被动的接接受这些雷雷达产品,,无法进一一步进行扩扩展和开发发。为了解解决这个问问题,需要要对雷达产产品成品图图进行截取取和处理,,提取出其其中的有效效信息,最最大程度上上真实的还还原出雷达达基数据的的水平和垂垂直分布。
基于上面的的陈述,首首先需要截截取雷达产产品成品图图片,目前前可使用的的截图工具具非常多,,包括QQQ截图或者者抓图猎手手等,技术术成熟并且且简便易用用,普及面面广,不需需要再进行行新的截图图工具的开开发。手动动截取的雷雷达产品成成品图片一一般包括信信息显示区区,数据空空缺区和基基数据分布布区三个部部分(如图图1)。其其中,信息息显示区包包括了产品品种类,探探测范围,,站点信息息,体扫方方式,扫描描仰角方位位角等信息息。数据空空缺区主要要适用于雷雷达的扫描描特性和截截图大小的的不同所造造成的。基基数据分布布区是雷达达产品的主主要信息提提供区,它它可以显示示该区域内内强度,速速度,谱宽宽和各种二二次产品的的图像,该该区域是要要进行雷达达产品基数数据反算的的重点区域域。要进行行基数据的的反算,首首先需要从从截图中
提提取基数据据分布区。
基数据分布布区有其自自身相对于于其他区域域的特点,,其中,最最主要的特特点就是基基数据分布布区中根据据距离雷达达站中心点点距离的不不同分布着着若干距离离圈,这些些距离圈方方便了雷达达探测区域域内各点距距离的判断断。距离圈圈相对于背背景或者信信息显示区区,数据空空缺区以及及基数据分分布区中的的其他各个个像素点的的RGB值值总是存在在差异,这这也就是提提取基数据据分布区的的基本原理理。
利用MATTLAB为为编程工具具,实现取取得距离圈圈的RGBB值,可以以从任意方方向上逼近近最外层的的距离圈,,这也就是是基数据能能达到的最最远距离。程程序设计如如下(图22)所示::
其中,c和和r是截图图的像素展展宽和展高高,符合阈阈值的RGGB数据分分别将存储储入R_hhongsse(i,,j),GG_lvsse(i,,j),BB_lannse(ii,j),,其中分别别表示像素素点i,jj的R,GG,B值,,另外可设设K和M是是雷达的探探测距离库库数,将首首次提取出出的数据加加上K,MM可得扫描描半径。通通过以上方方法,可以以非常准确确的截取需需要进行基基数据反算算的区域~~基数据分分布区。
在获取了基基数据分布布区之后,,还需要对对“信息显示示区”的强度或或者速度显显示的彩色色阈值的RRGB进行行提取,本本工作可以以利用immreadd函数完成成。imrread函函数的原型型如下:
[X,maap]=iimreaad(A))
其中,X是是像素点色色度值分布布,mapp是RGBB索引,AA是获取的的图像句柄柄。提取了了彩色阈值值的RGBB值之后,,便可以根根据这些值值,对雷达达基数据进进行最大程程度的还原原。
3雷达基数数据的反算算
本部分的主主要思想是是根据在数数据预处理理中提取的的彩色阈值值的RGBB值,对位位于基数据据分布区的的各个像素素点进行强强度和速度度值的还原原,在反算算成需要最最终还原的的基数据种种类的格式式。以SAA资料为例例,若地ii,j个像像素点的RRGB值是是(1400,1400,0),,其对应的的彩色阈值值RGB索索引指向的的强度为550DBZZ,则可判判断地i,,j个像素素点处的强强度值为550DBZZ。即可以以假设,每每个回波点点RDatta[i]][j]用用i,j,,RDatta和L表表示。其中中i,j表表示该像素素点的平面面直角坐标标,RDaata表示示该回波点点的原始强强度,L表表示每个回回波点的原原始亮度。
在按照直角角坐标提取取了基数据据分布区各各个点的强强度值以后后,对其进进行径向投投影并且插插值,可以以得到普遍遍意义上雷雷达基数据据储存的格格式。另外外,在进行行了径向投投影之后,,需要对无无效数据,,既大于扫扫描半径的的数据进行行提取和去去除。通过过以上程序序和设计,,可以非常常方便的将将格点分布布的数据恢恢复到极坐坐标上并进进行存储。以以存储为SSA格式为为例,只需需在各径向向数据区前前加1288个字节的的径向头即即可,径向向头由方位位角,仰角角等信息构构成。
4基数据反反算平台的的开发
基于以上理理论和研究究,为了业业务化和研研究的方便便,对基数数据反算技技术进行了了平台开发发(如图33)。本平平台由MAATLABB语言设计计,分为截截图导入,,数据预处处理,参数数设置,基基数据反算算四个模块块组成。并并且包括了了截图显示示和生成基基数据二次次反演产品品的显示两两个附加功功能。
经过本平台台进行基数数据反演后后的XSAA格式数据据,包括了了仰角,方方位角,扫扫描雷达类类型和强度度,速度数数据等部分分。经过后后续处理,,可以非常常方便的将将XSA格格式转化为为SA,VVTB等常常用天气雷雷达基数据据格式,供供PUP或或者其他二二次产品开开发平台调调用,丰富富了在没有有雷达基数数据地区雷雷达产品的的种类和应应用范围,,具有一定定的实用价价值。
利用基数据据反算平台台,从苏州州移动气象象台网站上上截取20007年88月9日111时166分的合肥肥雷达基本本反射率产产品截图,,如图5中中左图,在在进行数据据预处理和和参数设置置后,进行行基数据反反算,得到到20077080991116601.**XA数据据,其中,,200770809911166表示产品品的时间,,01表示示第一层数数据。利用用程序读取取20077080991116601.**XA并且且进行插值值显示,可可以得到该该基数据显显示的雷达达基本反射射率产品图图,如图55中右图。
对反算误差差进行进一一步的分析析,利用22007年年8月9日日11时116分的合合肥雷达站站反射率基基数据(真真值数据))和公开的的当时反射射率产品图图反算的基基数据(反反算数据))进行对比比,提取方方位角为3300度,,,,得到误差差分析图((如图6中中左图)。如如图易知,,真值数据据和反算数数据具有较较高的近似似度,大部部分数据的的误差在55个DBZZ以内;同同时,也可可以看出,,反算出的的数据具有有普遍偏大大的特点,,并且存在在少量的缺缺失点,这这也是本研研究需要改改进的部分分。
为了说明误误差存在的的普遍性,,再取2770度,仰仰角为1..5度的真真值数据和和反算数据据进行对比比,得相应应的误差图图如如图66中右图所所示。从图图中可以看看出,大部部分的数据据误差在33个DBZZ之内,同同样也存在在数据缺失失问题,但但是,就数数据整体而而言,这样样的误差实实在可接受受范围之内内的。
同样,通过过“产品截图图显示区”和“生成基数数据插值显显示区”两个模块块(如图88)可以直直观的看出出,反算出出的基数据据生成的反反射率产品品与原反射射率产品非非常的近似似,说明了了利用反算算出的基数数据进行二二次产品开开发的可行行性。
5总结
本文研究了了利用数字字图像截取取,从雷达达产品成品品中获取基基数据的技技术。雷达达基数据反反算技术理理论上可以以通过网站站雷达产品品截图获得得全国各地地,各个时时刻的基数数据,成功功的解决了了目前广泛泛存在的雷雷达资料难难以获取,,很多台站站和研究机机构无法根根据自身情情况进行雷雷达产品二二次开发的的的问题。
本文作者创创新点:本本文作者在在结合雷达达基数据反反算技术的的基础上,,开发了雷雷达基数据据反算平台台,该平台台可以快速速高效的对对截取的雷雷达基本反反射率和径径向速度产产品进行基基数据反算算,得到精精度较高的的强度和速速度数据,,方便于结结合各地实实际情况的的科学研究究和应用开开发。
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