CN106204686A - 一种卫星云图上海岸线的精确绘制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种卫星云图上海岸线的精确绘制方法，卫星云图上海岸线的精确绘制包括以下步骤：（1）采集地球地球同步卫星上的红外探测仪探测地球上空的温度数据，并将其将其转换成灰度数据；（2）通过一定的换算规则，确定图像灰度矩阵中的每一个元素对应的采样点在地球上的经纬度；（3）根据海岸线的经纬度，利用之前的公式反推，得到它对应的卫星云图的灰度数据。另外由于卫星云图的像素是离散的，而测量海岸线的经纬度的数据也是离散的，并且测量点并不对应着卫星云图上的像素点，因此本发明还利用数值拟合提升卫星云图海岸线绘制的精确度。本发明能够使卫星云图中的国家与地区更容易被辨识，相比其他理论方法具有实际应用意义。

Description

一种卫星云图上海岸线的精确绘制方法

技术领域

本发明涉及气象卫星云图的处理技术，尤其涉及一种卫星云图上海岸线的精确绘制方法。

背景技术

鉴于卫星云图对大气环流、中长期天气预报以及灾害性天气学的研究中的重要作用，且灾害性天气对人类的财产和生命安全带来的具大危害，使得对卫星云图的研究变得至关重要。而对其进行研究首要的便是有最好的方法去将卫星灰度矩阵转化为卫星云图并添加海岸线。假设地球是被探测温度的唯一来源，当天空无云时，同步卫星探测到的温度可以看作是地球表面的温度；当天空有云层时，探测到的温度相对来说会比较低，并且温度随着云层升高而降低，综上可知，探测到的温度可看成云层所在区域的温度。利用已知的灰度数据与温度数据的转化关系，将探测到的温度矩阵转换成灰度矩阵，再将卫星灰度矩阵转化为卫星云图，便可以在这个卫星云图上添加海岸线。目前卫星云图上海岸线的图像与作图方法并不完善，提供一种海岸线精确绘制方法具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种卫星云图上海岸线的精确绘制方法，以解决目前卫星云图上海岸线的图像与作图不完善的问题。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种卫星云图上海岸线的精确绘制方法，该方法包括以下具体步骤：

步骤一：设地球是理想椭球，在其上建立直角坐标系，找到卫星云图灰度矩阵与地球经纬度的对应关系，计算每个卫星云图灰度矩阵像素位置对应的地球经纬度；

步骤二：建立地球的球坐标系数学模型，找到卫星云图灰度矩阵与地球经纬度的对应关系，计算每个卫星云图灰度矩阵像素位置对应的地球经纬度，并与直角坐标系下的计算结果进行比较与验证；

步骤三：验证后，使用直角坐标系下卫星云图灰度矩阵与地球经纬度的对应关系将测量海岸线的经纬度数据投影到卫星云图上，并通过数值拟合绘制出海岸线。

步骤一中，所述在其上建立直角坐标系，找到卫星云图灰度矩阵与地球经纬度的对应关系，具体为：

在直角坐标系下，根据空间几何关系得到卫星云图灰度矩阵与地球经纬度的对应关系如下：

其中θ、分别为地球纬度和地球经度；x、y、z为球面上探测点的直角坐标；a为地球长半轴b为地球短半轴；

$\frac{x}{a}=\frac{\frac{l}{a}({\tan }^2\mathrm{\β}+{\left(\frac{a}{b}\right)}^2{\tan }^2\mathrm{\α})+\sqrt{1-(\frac{l^2}{a^2}-1)\[{\tan }^2\mathrm{\β}+{\left(\frac{a}{b}\right)}^2{\tan }^2\mathrm{\α}\]}}{1+{\tan }^2\mathrm{\β}+{\left(\frac{a}{b}\right)}^2{\tan }^2\mathrm{\α}}$

$\frac{y}{a}=\left(\frac{l-x}{a}\right)tan\mathrm{\β}=\[\frac{{\left(\frac{l}{a}\right)}^2-1}{\frac{l}{a}+\sqrt{1-(\frac{l^2}{a^2}-1)\[{\tan }^2\mathrm{\β}+{\left(\frac{a}{b}\right)}^2{\tan }^2\mathrm{\α}\]}}\]tan\mathrm{\β}$

$\frac{z}{a}=\left(\frac{l-x}{a}\right)tan\mathrm{\α}=\[\frac{{\left(\frac{l}{a}\right)}^2-1}{\frac{l}{a}+\sqrt{1-(\frac{l^2}{a^2}-1)\[{\tan }^2\mathrm{\β}+{\left(\frac{a}{b}\right)}^2{\tan }^2\mathrm{\α}\]}}\]tan\mathrm{\α}$

其中α为南北方向列步进角与xoy-平面所成夹角；β为东西方向行扫描角与xoz-平面所成夹角；l为卫星到地心的距离；

所述计算每个卫星云图灰度矩阵像素位置对应的地球经纬度，是根据以上得到的公式，代入卫星云图灰度矩阵像素位置值计算对应的地球纬度θ和地球经度其中卫星云图灰度矩阵像素位置的行值与列值即为α与β。

步骤二中，所述建立地球的球坐标系数学模型，找到卫星云图灰度矩阵与地球经纬度的对应关系，具体为：

将之前建立的直角坐标系yoz平面平移至原点与卫星重合，组成Ozyx以卫星为原点的直角坐标系，地心的坐标为(0,0,-l)，在这个坐标系中建立球坐标；

根据空间几何关系得到卫星云图灰度矩阵与地球经纬度的对应关系如下：

其中r为探测点A到卫星的距离，分别为与y轴正向和x轴正向的夹角 可以通过以下公式得到：

其中α为在直角坐标系下南北方向按步进角与xoy-平面所成夹角；β为在直角坐标系下东西方向行扫描角与xoz-平面所成夹角；

所述计算每个卫星云图灰度矩阵像素位置对应的地球经纬度，是根据以上得到的公式，代入卫星云图灰度矩阵像素位置值计算对应的地球纬度θ和地球经度其中卫星云图灰度矩阵像素位置的行值与列值即为α与β；

所述与直角坐标系下的计算结果进行比较与验证，是使用两种方法计算卫星云图灰度矩阵所有像素位置对应的地球经纬度，并作比较与统计，如果结果中95％以上点的误差都在0.01度以内便认为直角坐标系的计算结果是正确的。

步骤三中：所述使用直角坐标系下卫星云图灰度矩阵与地球经纬度的对应关系将测量海岸线的经纬度数据投影到卫星云图上，投影公式如下：

$sin\mathrm{\α}=\frac{\frac{z}{a}}{\sqrt{{\left(\frac{z}{a}\right)}^2+{(\frac{l}{a}-\frac{x}{a})}^2}},sin\mathrm{\β}=\frac{\frac{y}{a}}{\sqrt{{\left(\frac{y}{a}\right)}^2+{(\frac{l}{a}-\frac{x}{a})}^2}}$

其中α为在直角坐标系下南北方向列步进角与xoy-平面所成夹角；β为在直角坐标系下东西方向行扫描角与xoz-平面所成夹角，同时α与β也为卫星云图灰度矩阵像素位置的行值与列值；x、y、z为球面上探测点的直角坐标；a为地球长半轴；

所述通过数值拟合绘制出海岸线，是使用最小二乘多项式曲线拟合的方法将投影后的离散点连成曲线，构成最终的海岸线。

本发明的有益效果：

本发明是一种卫星云图上海岸线的精确绘制方法，该方法首先通过建立地球的直角坐标系来计算卫星云图图像灰度矩阵与地球经纬度之间的转换关系并用球坐标系验证结果的正确性，再将测量海岸线的经纬度数据投影到卫星云图上，绘制出海岸线，最后用数值拟合方法提升卫星云图海岸线绘制的精确度。本发明实现了这种精确海岸线标注算法，对气象台的工作人员来说，便可以很容易辨认出被云层覆盖的国家与地区，有利于提高气象预报工作的效率，相比其他理论方法具有实际应用意义。

附图说明

图1为本发明建立的地球直角坐标系；

图2为本发明待绘制海岸线的卫星云图；

图3为本发明绘制海岸线后的卫星云图。

图1中:α为南北方向按步进角与xoy-平面所成夹角，β为东西方向行扫描角与xoz-平面所成夹角，l为卫星到地心的距离，a为长半轴，b为短半轴；A＝(x,y,z)为球面上的探测点；θ为探测点在地球上的经度；为探测点在地球上的纬度。

具体实施方式

本发明的技术方案是，设计一种卫星云图上海岸线的精确绘制方法，为将发明的技术方案描述的更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细阐述，显然以下所描述的实施例只是部分实施例，不是全部的实施例。根据本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以在不经过创造性劳动的基础上实现本发明的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

步骤一：如图1所示建立直角坐标系，根据空间几何关系满足方程：

$y=tan\mathrm{\β}(l-x),z=tan\mathrm{\α}(l-x),\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{a^2}+\frac{z^2}{b^2}=1$

椭圆截面的长半轴(赤道半径)a＝6378136.5m,短半轴(极半径)b＝6356751.8m；同步卫星离地球中心的高度为42164000米,星下点在东经86.5度,北纬0度，星下点对应的矩阵元素位于矩阵的第1145行和第1145列相交处。

可以从这个方程组求出x,y,z:

$x^2(\frac{1+{\tan }^2\mathrm{\β}}{a^2}+\frac{{\tan }^2\mathrm{\α}}{b^2})-2l(\frac{{\tan }^2\mathrm{\β}}{a^2}+\frac{{\tan }^2\mathrm{\α}}{b^2})x-(1-l^2(\frac{{\tan }^2\mathrm{\β}}{a^2}+\frac{{\tan }^2\mathrm{\α}}{b^2}\left)\right)=0$

解出：

$\frac{x}{a}=\frac{\frac{l}{a}({\tan }^2\mathrm{\β}+{\left(\frac{a}{b}\right)}^2{\tan }^2\mathrm{\α})+\sqrt{1-(\frac{l^2}{a^2}-1)\[{\tan }^2\mathrm{\β}+{\left(\frac{a}{b}\right)}^2{\tan }^2\mathrm{\α}\]}}{1+{\tan }^2\mathrm{\β}+{\left(\frac{a}{b}\right)}^2{\tan }^2\mathrm{\α}}$

$\frac{y}{a}=\left(\frac{l-x}{a}\right)tan\mathrm{\β}=\[\frac{{\left(\frac{l}{a}\right)}^2-1}{\frac{l}{a}+\sqrt{1-(\frac{l^2}{a^2}-1)\[{\tan }^2\mathrm{\β}+{\left(\frac{a}{b}\right)}^2{\tan }^2\mathrm{\α}\]}}\]tan\mathrm{\β}$

$\frac{z}{a}=\left(\frac{l-x}{a}\right)tan\mathrm{\α}=\[\frac{{\left(\frac{l}{a}\right)}^2-1}{\frac{l}{a}+\sqrt{1-(\frac{l^2}{a^2}-1)\[{\tan }^2\mathrm{\β}+{\left(\frac{a}{b}\right)}^2{\tan }^2\mathrm{\α}\]}}\]tan\mathrm{\α}$

再根据公式：

便可以求解出每个直角坐标系下的探测点所对应的经纬度，该算法通过MATLAB程序实现。求解的部分坐标结果为：

500行500列经纬度：(46.49E，32.74N)；

500行501列经纬度：(46.57E，32.74N)；

500行502列经纬度：(46.65E，32.73N)。

步骤二：将之前建立的直角坐标系yoz平面平移至原点与卫星重合，组成Ozyx以卫星为原点的直角坐标系，地心的坐标为(0,0,-l)。在这个坐标系中建立球坐标，设r为探测点A到卫星的距离，分别为与y轴正向和x轴正向的夹角于是可以得到：

设探测点A＝(x,y,z)满足由此解得r满足的一元二次方程，从中解得r，又得到x，y，z的值，再由

可以计算出经纬度值，并与步骤一中直角坐标系计算的结果做比较，验证结果的正确性。

步骤三：设A＝(x,y,z)为球面上一点，对给定海岸线上点的经度θ和纬度由解出(x,y,z):

再由y＝(l-x)tanβ，z＝(l-x)tanα解得：

$sin\mathrm{\α}=\frac{\frac{z}{a}}{\sqrt{{\left(\frac{z}{a}\right)}^2+{(\frac{l}{a}-\frac{x}{a})}^2}},sin\mathrm{\β}=\frac{\frac{y}{a}}{\sqrt{{\left(\frac{y}{a}\right)}^2+{(\frac{l}{a}-\frac{x}{a})}^2}}$

由于卫星云图的像素是离散的，而测量海岸线的经纬度的数据也是离散的，并且测量点并不对应着卫星云图上的像素点.因此要利用数值拟合将绘制的海岸和实际情况的误差达到最小，最后通过阈值判别有云区域，绘制出卫星云图海岸线。

图2表示的是未绘制海岸线的卫星云图，被云层覆盖的国家与地区很难分辨，而图3为绘制了海岸线后的卫星云图，这时被云层覆盖的国家与地区就很容易辨识。

Claims (4)

1.一种卫星云图上海岸线的精确绘制方法，其特征在于：该方法包括以下具体步骤：

步骤一：设地球是理想椭球，在其上建立直角坐标系，找到卫星云图灰度矩阵与地球经纬度的对应关系，计算每个卫星云图灰度矩阵像素位置对应的地球经纬度；

步骤二：建立地球的球坐标系数学模型，找到卫星云图灰度矩阵与地球经纬度的对应关系，计算每个卫星云图灰度矩阵像素位置对应的地球经纬度，并与直角坐标系下的计算结果进行比较与验证；

步骤三：验证后，使用直角坐标系下卫星云图灰度矩阵与地球经纬度的对应关系将测量海岸线的经纬度数据投影到卫星云图上，并通过数值拟合绘制出海岸线。

2.根据权利要求1所述的卫星云图上海岸线的精确绘制方法，其特征在于：步骤一中，所述在其上建立直角坐标系，找到卫星云图灰度矩阵与地球经纬度的对应关系，具体为：

在直角坐标系下，根据空间几何关系得到卫星云图灰度矩阵与地球经纬度的对应关系如下：

其中θ、分别为地球纬度和地球经度；x、y、z为球面上探测点的直角坐标；a为地球长半轴b为地球短半轴；

$\frac{x}{a}=\frac{\frac{l}{a}({\tan }^2\mathrm{\β}+{\left(\frac{a}{b}\right)}^2{\tan }^2\mathrm{\α})+\sqrt{1-(\frac{l^2}{a^2}-1)\[{\tan }^2\mathrm{\β}+{\left(\frac{a}{b}\right)}^2{\tan }^2\mathrm{\α}\]}}{1+{\tan }^2\mathrm{\β}+{\left(\frac{a}{b}\right)}^2{\tan }^2\mathrm{\α}}$

$\frac{y}{a}=\left(\frac{l-x}{a}\right)tan\mathrm{\β}=\[\frac{{\left(\frac{l}{a}\right)}^2-1}{\frac{l}{a}+\sqrt{1-(\frac{l^2}{a^2}-1)\[{\tan }^2\mathrm{\β}+{\left(\frac{a}{b}\right)}^2{\tan }^2\mathrm{\α}\]}}\]tan\mathrm{\β}$

$\frac{z}{a}=\left(\frac{l-x}{a}\right)tan\mathrm{\α}=\[\frac{{\left(\frac{l}{a}\right)}^2-1}{\frac{l}{a}+\sqrt{1-(\frac{l^2}{a^2}-1)\[{\tan }^2\mathrm{\β}+{\left(\frac{a}{b}\right)}^2{\tan }^2\mathrm{\α}\]}}\]tan\mathrm{\α}$

其中α为南北方向列步进角与xoy-平面所成夹角；β为东西方向行扫描角与xoz-平面所成夹角；l为卫星到地心的距离；

所述计算每个卫星云图灰度矩阵像素位置对应的地球经纬度，是根据以上得到的公式，代入卫星云图灰度矩阵像素位置值计算对应的地球纬度θ和地球经度其中卫星云图灰度矩阵像素位置的行值与列值即为α与β。

3.根据权利要求1所述的卫星云图上海岸线的精确绘制方法，其特征在于：步骤二中，所述建立地球的球坐标系数学模型，找到卫星云图灰度矩阵与地球经纬度的对应关系，具体为：

将之前建立的直角坐标系yoz平面平移至原点与卫星重合，组成Ozyx以卫星为原点的直角坐标系，地心的坐标为(0,0,-l)，在这个坐标系中建立球坐标；

根据空间几何关系得到卫星云图灰度矩阵与地球经纬度的对应关系如下：

θ＝arctan((r+x)/y)，

其中r为探测点A到卫星的距离，θ₁,分别为与y轴正向和x轴正向的夹角θ₁,可以通过以下公式得到：

其中α为在直角坐标系下南北方向按步进角与xoy-平面所成夹角；β为在直角坐标系下东西方向行扫描角与xoz-平面所成夹角；

所述计算每个卫星云图灰度矩阵像素位置对应的地球经纬度，是根据以上得到的公式，代入卫星云图灰度矩阵像素位置值计算对应的地球纬度θ和地球经度其中卫星云图灰度矩阵像素位置的行值与列值即为α与β；

所述与直角坐标系下的计算结果进行比较与验证，是使用两种方法计算卫星云图灰度矩阵所有像素位置对应的地球经纬度，并作比较与统计，如果结果中95％以上点的误差都在0.01度以内便认为直角坐标系的计算结果是正确的。

4.根据权利要求1所述的卫星云图上海岸线的精确绘制方法，其特征在于：步骤三中：所述使用直角坐标系下卫星云图灰度矩阵与地球经纬度的对应关系将测量海岸线的经纬度数据投影到卫星云图上，投影公式如下：

$sin\mathrm{\α}=\frac{\frac{z}{a}}{\sqrt{{\left(\frac{z}{a}\right)}^2+{(\frac{l}{a}-\frac{x}{a})}^2}},sin\mathrm{\β}=\frac{\frac{y}{a}}{\sqrt{{\left(\frac{y}{a}\right)}^2+{(\frac{l}{a}-\frac{x}{a})}^2}}$

其中α为在直角坐标系下南北方向列步进角与xoy-平面所成夹角；β为在直角坐标系下东西方向行扫描角与xoz-平面所成夹角，同时α与β也为卫星云图灰度矩阵像素位置的行值与列值；x、y、z为球面上探测点的直角坐标；a为地球长半轴；

所述通过数值拟合绘制出海岸线，是使用最小二乘多项式曲线拟合的方法将投影后的离散点连成曲线，构成最终的海岸线。