CN108169751B - 一种天气雷达基数据三维栅格化方法、计算机可读存储介质及电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种天气雷达基数据三维栅格化方法，包括初始化步骤以及插值步骤，在初始化步骤中，对单站雷达在极坐标系下的基数据，建立直角坐标系下的栅格立方体，该栅格立方体由多个栅格单元组成，每个栅格单元的边长相等，对于极坐标系中单站雷达的天线点O，在栅格立方体中，选取其中一个栅格单元，称为O₁，用O₁表示点O在栅格立方体中的位置；在插值步骤中，对于极坐标系中的任一扫描点，判断这个扫描点落入在栅格立方体的哪个栅格单元中，对栅格立方体中落入有扫描点的任一栅格单元，称为Q，对落入栅格单元Q的所有扫描点，取这些扫描点的最大回波强度值，作为栅格单元Q的回波强度值。本发明还公开了一种计算机可读存储介质及电子设备。

Description

一种天气雷达基数据三维栅格化方法、计算机可读存储介质 及电子设备

技术领域

本发明涉及天气雷达基数据处理领域，尤其涉及一种天气雷达基数据三维栅格化方法、计算机可读存储介质及电子设备。

背景技术

目前，天气雷达的基数据结构是以雷达天线点为原点的极坐标系统，天气雷达每次体扫会获取不同仰角层的数据，例如，对于一个天气雷达，该雷达每次体扫在9个不同的仰角层扫描，每次体扫有360个扫描方位即每隔1°为一个扫描方位，也就是说每个仰角层有360个不同的径向扫描，另外每个径向扫描有500个扫描点，然后以极坐标形式存储每个扫描点的数据(该数据包括回波强度值)，这种数据结构不利于天气回波的统计分析，也不利于雷达产品图的绘制。针对雷达基数据结构的不足，业界通过把雷达的极坐标数据进行三维网格化，即把多个仰角层的极坐标数据插值到基于空间直角坐标系的三维网格场中，在对该三维网格场的任一网格单元进行插值时，对该网格单元的中心点在相邻的上方仰角层与相邻的下方仰角层选取多个参考点，采用距离权重反比的插值方法，以计算出这些参考点的回波强度值的加权平均值，然后以这个加权平均值作为该网格单元的回波强度值，在对该三维网格场的所有网格单元插值完成之后，按照预定格式存储该三维网格场。该三维网格场能够在一定程度上反映雷达数据分布的三维特性。

但是，现有的这种雷达基数据三维网格化方法，存在这样的问题：通过该方法得到的三维网格场并不能很好地反映雷达数据的组合反射率，也就是说通过该三维网格场绘制的组合反射率产品图，其准确率较低。为了方便说明这个问题，在这里采用举例的方式：

在三维网格场中，对于垂直柱体L(L垂直于海平面)，该垂直柱体L每层只有一个网格单元，该网格柱体L中所有网格单元的回波强度值一般是不等的，在组合反射率产品图中对应垂直柱体L的显示值，定义为这些网格单元的最大回波强度值。例如，对于雷达基数据中，落入垂直柱体L的扫描点共三个分别为Q、W、E，这三点对应的回波强度值分别为10dbz、20dbz、30dbz，那么在组合反射率产品图中对应垂直柱体L的位置上显示值应当是30dbz才能合理地反映组合反射率，但是实际上，当把雷达基数据进行三维网格化之后，由于采用的是基于距离权重反比的插值方法，对于垂直柱体L任一网格单元，假设该网格单元的中心点为P且P采用的参考点为W和E，并且线段PW长度等于线段PE的长度，那么该网格单元的回波强度值就是25dbz，该回波强度值小于30dbz，同理，极有可能位于垂直柱体L中所有网格单元的回波强度值都小于30dbz，因此可以得出结论，采用现有的雷达基数据三维网格化方法，得到的三维网格场，不能很好地反映雷达数据的组合反射率。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种天气雷达基数据三维栅格化方法，通过该方法能够得到一个栅格立方体，该栅格立方体能够很好地反映雷达数据的组合反射率；本发明的目的之二在于提供一种计算机可读存储介质；本发明的目的之三在于提供一种电子设备。

本发明的目的之一，采用如下技术方案实现：

一种天气雷达基数据三维栅格化方法，包括以下步骤：

初始化步骤：建立三维直角坐标系下的栅格立方体，所述栅格立方体由多个栅格单元组成，每个栅格单元均为一个正方体，每个栅格单元的边长相等，对于在极坐标系中单站雷达的天线点O，在所述栅格立方体中，选取其中一个栅格单元，称为O₁，用O₁表示点O在所述栅格立方体中的位置；

插值步骤：对于极坐标系中的任一扫描点，判断这个扫描点落入在所述栅格立方体的哪个栅格单元中，对于所述栅格立方体中落入有扫描点的任一栅格单元，称为Q，对落入栅格单元Q的所有扫描点，取这些扫描点的回波强度值中的最大值，作为栅格单元Q的回波强度值。

进一步地，在插值步骤中：

对于极坐标系中的任一扫描点，称为点A，计算出点A的海拔高度h₁，点A与点O的水平距离s，若线段OA与正北方向的夹角为φ，根据φ、h₁、s判断点A落入在哪个栅格单元中。

进一步地，在插值步骤中：

对于所述栅格立方体中没有落入有扫描点的栅格单元，称为P，在极坐标系中选取点B，其中点B落入在这个栅格单元P中，在极坐标系中选取参考点C，点C的选取规则为：线段OC与线段OB的长度相等，线段OC的仰角等于线段OB的仰角，若点B处于两个相邻的扫描方位M₁与扫描方位M₂之间，计算出线段OB与扫描方位M₁的夹角α₁，计算出线段OB与扫描方位M₂的夹角α₂，若α₁<α₂，那么在扫描方位M₁上选取点C，若α₁>α₂，则在扫描方位M₂上选取点C，若α₁＝α₂，则在扫描方位M₁与M₂两者的其中之一上选取点C；

参考点C选取完成之后，执行：

若点C处于两个相邻的仰角层N₁与仰角层N₂之间，在仰角层N₁中选取扫描点C₁，在仰角层N₂中选取扫描点C₂，点C₁、点C₂与点C处于同一扫描方位上，线段OC₁与线段OC的长度相等或者相差在预定的误差范围内，线段OC₂与线段OC的长度相等或者相差在预定的误差范围内，计算出线段OC₁与线段OC的夹角β₁，计算出线段OC₂与线段OC的夹角β₂，若β₁<β₂，那么栅格单元P的回波强度值取值为点C₁的回波强度值，若β₁>β₂，那么栅格单元P的回波强度值取值为点C₂的回波强度值，若β₁＝β₂，那么P的回波强度值取值为点C₁与点C₂两者回波强度值的平均值。

进一步地，在插值步骤中：

若在极坐标系中，每隔K°为一个扫描方位并且点C处于最小仰角层N₀之下，在最小仰角层N₀中选取扫描点C₀，点C₀与点C处于同一扫描方位上，线段OC₀与线段OC的长度相等或者相差在预定的误差范围内，计算出线段OC₀与线段OC的夹角γ，如果

那么栅格单元P的回波强度值取值为点C₀的回波强度值；

若点C处于最大仰角层N₃之上，在最大仰角层N₃中选取扫描点C₃，点C₃与点C处于同一扫描方位上，线段OC₃与线段OC的长度相等或者相差在预定的误差范围内，计算出线段OC₃与线段OC的夹角δ，如果

那么栅格单元P的回波强度值取值为点C₃的回波强度值。

进一步地，对于多站雷达的基数据，执行：

归一化步骤：令每个单站雷达的基数据的扫描方位数相同，并分别对每个单站雷达的基数据执行初始化步骤，以建立多个相应的栅格立方体，所有栅格立方体的栅格单元的边长相同，所有栅格立方体的高度相等，并且每个栅格立方体的最低一层均表示同一海拔高度；

拼接步骤：对各个单站雷达的天线点进行投影，以使得各个天线点从地球表面投影到同一平面上，按照投影后各个天线点的相对位置来拼接这些栅格立方体，对于重叠部分的栅格单元采用最大值法、平均值法或者加权值法计算出此栅格单元的回波强度值。

进一步地，在拼接步骤中：

在对各个单站雷达的天线点进行投影时，使用高斯-克吕克投影、墨卡托投影或者兰勃特投影。

本发明的目的之二，采用如下技术方案实现：

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现上述的天气雷达基数据三维栅格化方法。

本发明的目的之三，采用如下技术方案实现：

一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并且可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于：所述处理器执行所述计算机程序时，实现上述的天气雷达基数据三维栅格化方法。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明所提供的天气雷达基数据三维栅格化方法，能够得到一个栅格立方体，该栅格立方体能够很好地反映雷达数据的组合反射率。例如，对于栅格立方体中的垂直柱体La(La垂直于海平面)，该垂直柱体La每层只有一个栅格单元，对落入垂直柱体La内的所有扫描点，其中拥有最大回波强度值的扫描点，称为点Q，那么点Q必然落入La的某个栅格单元中，那么根据本发明的技术方案，这个栅格单元的回波强度值取为点Q的回波强度值。那么在组合反射率产品图中对应垂直柱体La的位置上的显示值为点Q的回波强度值，这是合理的。

附图说明

图1为本发明实施例一的天气雷达基数据三维栅格化方法的流程图；

图2为图1所示方法中插值步骤的原理图；

图3为图1所示方法中插值步骤的原理图；

图4为图1所示方法中插值步骤的原理图。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

实施例一

如图1所示，为本发明实施例一的天气雷达基数据三维栅格化方法的流程图，该方法包括以下步骤：

初始化步骤：建立三维直角坐标系下的栅格立方体，所述栅格立方体由多个栅格单元组成，每个栅格单元均为一个正方体，每个栅格单元的边长相等，对于在极坐标系中单站雷达的天线点O，在所述栅格立方体中，选取其中一个栅格单元，称为O₁，用O₁表示点O在所述栅格立方体中的位置；

插值步骤：对于极坐标系中的任一扫描点，判断这个扫描点落入在所述栅格立方体的哪个栅格单元中，对于所述栅格立方体中落入有扫描点的任一栅格单元，称为Q，对落入栅格单元Q的所有扫描点，取这些扫描点的回波强度值中的最大值，作为栅格单元Q的回波强度值。

通过初始化步骤以及插值步骤之后，即对单站雷达的基数据进行三维栅格化之后，能够得到一个栅格立方体，该栅格立方体能够很好地反映雷达数据的组合反射率。

具体地，在插值步骤中：如图2所示，为该插值步骤的原理图，

对于极坐标系的任一扫描点，称为点A，若点A与点O的直线距离为r，线段OA的仰角为θ，地心称为点D，地球半径为R，点O的海拔高度为h₀，G₁是DA与海平面的交点，G₂是DO与海平面的交点，s为弧G₁G₂的长度，h₁为线段AG₁的长度，那么

DO与DA的夹角

点A的海拔高度

点A与点O的水平距离

若线段OA与正北方向的夹角为φ，根据φ、h₁、s判断点A落入在哪个栅格单元中。由于单站雷达覆盖范围比较小，其覆盖范围内的各点位置误差受地球不规则形状的影响较小，所以在这里通过把地球看作完美球体以计算并判断出点A落入在哪个栅格单元中，因为φ、h₁、s就可以完全确定点A与点O的相对位置，又因为已经在栅格立方体中选取了一个栅格单元O₁表示点O落入的位置，根据点A与点O的相对位置即可判断点A落入在哪个栅格单元中。

进一步地，在插值步骤中：

对于所述栅格立方体中没有落入有扫描点的栅格单元，称为P，在极坐标系中选取点B，其中点B落入在这个栅格单元P中，在极坐标系中选取参考点C，点C的选取规则为：线段OC与线段OB的长度相等，线段OC的仰角等于线段OB的仰角，若点B处于两个相邻的扫描方位M₁与扫描方位M₂之间，计算出线段OB与扫描方位M₁的夹角α₁，计算出线段OB与扫描方位M₂的夹角α₂，若α₁<α₂，那么在扫描方位M₁上选取点C，若α₁>α₂，则在扫描方位M₂上选取点C，若α₁＝α₂，则在扫描方位M₁与M₂两者的其中之一上选取点C；图3为此过程的原理图；

参考点C选取完成之后，执行：

若点C处于两个相邻的仰角层N₁与仰角层N₂之间，在仰角层N₁中选取扫描点C₁，在仰角层N₂中选取扫描点C₂，点C₁、点C₂与点C处于同一扫描方位上，线段OC₁与线段OC的长度相等或者相差在预定的误差范围内，线段OC₂与线段OC的长度相等或者相差在预定的误差范围内，计算出线段OC₁与线段OC的夹角β₁，计算出线段OC₂与线段OC的夹角β₂，若β₁<β₂，那么栅格单元P的回波强度值取值为点C₁的回波强度值，若β₁>β₂，那么栅格单元P的回波强度值取值为点C₂的回波强度值，若β₁＝β₂，那么P的回波强度值取值为点C₁与点C₂两者回波强度值的平均值；图4为此过程的原理图。

这里需要说明的是，该插值步骤思路为：在这里选取的点B并非极坐标系下的扫描点，所以首先需要对B的回波强度值进行估算，通过选取参考点C对点B的回波强度值进行估算，然后再对点C的回波强度值进行估算，最后将点C的估算值插值到栅格单元P中。另外，因为探测误差的问题，线段OC₁、线段OC₂以及线段OC这三者长度一般不会严格相等，只要他们三者相差在预定的误差范围内即可。并且，在这里是对没有落入有扫描点的栅格单元进行插值，那么插值结束之后，所得到的栅格立方体，由于其数据结构的规整性，可在此基础上进行各种用途的气象分析，例如直接输出某一海拔高度平面的CAPPI回波图，还能输出某一方向的垂直剖面图，而且这是十分便利的，因为栅格立方体能以三维数组的形式存储于计算机内存中，只需对关注区域进行遍历和简单的四则运算即可。

进一步地，在插值步骤中：

若在极坐标系中，每隔K°为一个扫描方位并且点C处于最小仰角层N₀之下，在最小仰角层N₀中选取扫描点C₀，点C₀与点C处于同一扫描方位上，线段OC₀与线段OC的长度相等或者相差在预定的误差范围内，计算出线段OC₀与线段OC的夹角γ，如果

那么栅格单元P的回波强度值取值为点C₀的回波强度值；

若点C处于最大仰角层N₃之上，在最大仰角层N₃中选取扫描点C₃，点C₃与点C处于同一扫描方位上，线段OC₃与线段OC的长度相等或者相差在预定的误差范围内，计算出线段OC₃与线段OC的夹角δ，如果

那么栅格单元P的回波强度值取值为点C₃的回波强度值。

由于最小仰角层N₀之下与最大仰角层N₃之上是不属于雷达的探测范围的，所以在这里的插值计算是为了利用雷达数据对最小仰角层N₀之下与最大仰角层N₃之上的回波情况做一些估算，这是为了更加充分地利用雷达的基数据。

进一步地，对于多站雷达的基数据，执行：

归一化步骤：令每个单站雷达的基数据的扫描方位数相同，并分别对每个单站雷达的基数据执行初始化步骤，以建立多个相应的栅格立方体，所有栅格立方体的栅格单元的边长相同，所有栅格立方体的高度相等，并且每个栅格立方体的最低一层均表示同一海拔高度；

拼接步骤：对各个单站雷达的天线点进行投影，以使得各个天线点从地球表面投影到同一平面上，按照投影后各个天线点的相对位置来拼接这些栅格立方体，对于重叠部分的栅格单元采用最大值法、平均值法或者加权值法计算出此栅格单元的回波强度值。

在这里要说明的是，在进行拼接之时，例如拼接两个栅格立方体V₁、、V₂时，对于处于重叠部分的栅格单元，例如某一栅格单元G，其中G在V₁的回波强度值取为20dbz，在V₂的回波强度值取为22dbz，那么在拼接时采用平均值法，把点G的回波强度值取值为21dbz。

具体地，在拼接步骤中：

在对各个单站雷达的天线点进行投影时，使用高斯-克吕克投影、墨卡托投影或者兰勃特投影。

实施例二

本发明实施例二提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，实现如本发明实施例一所述的天气雷达基数据三维栅格化方法。通过以上描述，所属领域技术人员能够清楚地了解到，本发明的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，该存储介质可以为但不限于计算机的软盘、只读存储器、随机存取存储器、闪存、硬盘及光盘。

实施例三

本发明实施例三提供一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并且可在处理器上运行的计算机程序，该处理器执行该计算机程序时，实现如本发明实施例一所述的天气雷达基数据三维栅格化方法。其中，该电子设备可以为但不限于个人计算机、服务器、智能手机及网络设备。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (7)

1.一种天气雷达基数据三维栅格化方法，其特征在于，包括以下步骤：

初始化步骤：建立三维直角坐标系下的栅格立方体，所述栅格立方体由多个栅格单元组成，每个栅格单元均为一个正方体，每个栅格单元的边长相等，对于在极坐标系中单站雷达的天线点O，在所述栅格立方体中，选取其中一个栅格单元，称为O₁，用O₁表示点O在所述栅格立方体中的位置；

插值步骤：对于极坐标系中的任一扫描点，判断这个扫描点落入在所述栅格立方体的哪个栅格单元中，对于所述栅格立方体中落入有扫描点的任一栅格单元，称为Q，对落入栅格单元Q的所有扫描点，取这些扫描点的回波强度值中的最大值，作为栅格单元Q的回波强度值；

在插值步骤中：

对于所述栅格立方体中没有落入有扫描点的栅格单元，称为P，在极坐标系中选取点B，其中点B落入在这个栅格单元P中，在极坐标系中选取参考点C，点C的选取规则为：线段OC与线段OB的长度相等，线段OC的仰角等于线段OB的仰角，若点B处于两个相邻的扫描方位M₁与扫描方位M₂之间，计算出线段OB与扫描方位M₁的夹角α₁，计算出线段OB与扫描方位M₂的夹角α₂，若α₁<α₂，那么在扫描方位M₁上选取点C，若α₁>α₂，则在扫描方位M₂上选取点C，若α₁＝α₂，则在扫描方位M₁与M₂两者的其中之一上选取点C；

参考点C选取完成之后，执行：

若点C处于两个相邻的仰角层N₁与仰角层N₂之间，在仰角层N₁中选取扫描点C₁，在仰角层N₂中选取扫描点C₂，点C₁、点C₂与点C处于同一扫描方位上，线段OC₁与线段OC的长度相等或者相差在预定的误差范围内，线段OC₂与线段OC的长度相等或者相差在预定的误差范围内，计算出线段OC₁与线段OC的夹角β₁，计算出线段OC₂与线段OC的夹角β₂，若β₁<β₂，那么栅格单元P的回波强度值取值为点C₁的回波强度值，若β₁>β₂，那么栅格单元P的回波强度值取值为点C₂的回波强度值，若β₁＝β₂，那么P的回波强度值取值为点C₁与点C₂两者回波强度值的平均值。

2.如权利要求1所述的天气雷达基数据三维栅格化方法，其特征在于，在插值步骤中：

对于极坐标系中的任一扫描点，称为点A，计算出点A的海拔高度h₁，点A与点O的水平距离s，若线段OA与正北方向的夹角为φ，根据φ、h₁、s判断点A落入在哪个栅格单元中。

3.如权利要求1所述的天气雷达基数据三维栅格化方法，其特征在于，在插值步骤中：

若在极坐标系中，每隔K°为一个扫描方位并且点C处于最小仰角层N₀之下，在最小仰角层N₀中选取扫描点C₀，点C₀与点C处于同一扫描方位上，线段OC₀与线段OC的长度相等或者相差在预定的误差范围内，计算出线段OC₀与线段OC的夹角γ，如果

那么栅格单元P的回波强度值取值为点C₀的回波强度值；

若点C处于最大仰角层N₃之上，在最大仰角层N₃中选取扫描点C₃，点C₃与点C处于同一扫描方位上，线段OC₃与线段OC的长度相等或者相差在预定的误差范围内，计算出线段OC₃与线段OC的夹角δ，如果

那么栅格单元P的回波强度值取值为点C₃的回波强度值。

4.如权利要求1所述的天气雷达基数据三维栅格化方法，其特征在于，对于多站雷达的基数据，执行：

归一化步骤：令每个单站雷达的基数据的扫描方位数相同，并分别对每个单站雷达的基数据执行初始化步骤，以建立多个相应的栅格立方体，所有栅格立方体的栅格单元的边长相同，所有栅格立方体的高度相等，并且每个栅格立方体的最低一层均表示同一海拔高度；

拼接步骤：对各个单站雷达的天线点进行投影，以使得各个天线点从地球表面投影到同一平面上，按照投影后各个天线点的相对位置来拼接这些栅格立方体，对于重叠部分的栅格单元采用最大值法、平均值法或者加权值法计算出此栅格单元的回波强度值。

5.如权利要求4所述的天气雷达基数据三维栅格化方法，其特征在于，在拼接步骤中：

在对各个单站雷达的天线点进行投影时，使用高斯-克吕克投影、墨卡托投影或者兰勃特投影。

6.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于：所述计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求1-5任一项所述的天气雷达基数据三维栅格化方法。

7.一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并且可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于：所述处理器执行所述计算机程序时，实现如权利要求1-5任一项所述的天气雷达基数据三维栅格化方法。

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