CN108470319B - 基于辐合面三维重建估算主上升/下沉气流速度的方法 - Google Patents

基于辐合面三维重建估算主上升/下沉气流速度的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于辐合面三维重建估算主上升/下沉气流速度的方法，所述方法包括以下步骤：首先，将多普勒雷达基数据进行坐标系转换，在新坐标系A中先通过反射率图确定气流场检测范围并映射到径向速度图中，再插值得到70层等高的径向速度图，从中提取辐合点，绘制主上升、下沉气流速度投影图并计算辐合点的三维坐标；然后，利用Delaunay三角剖分方法构建三维辐合面，利用几何关系计算辐合面上每个辐合点处的辐合面倾角；利用此倾角对主上升、下沉气流速度进行订正。本方法实现了基于辐合面三维重建估算主上升/下沉气流速度，促进了对流天气灾害识别预报的精细化和科学化。

Description

基于辐合面三维重建估算主上升/下沉气流速度的方法
技术领域
本发明涉及气象学领域，特别涉及一种基于辐合面三维重建估算主上升/下沉气流速度的方法。
背景技术
多年来，通过对强雷暴垂直气流的探测与分析，气象学家普遍认为强雷暴结构是以强烈的垂直气流场为主体的，它的生消直接影响着云体的存亡。强雷暴云体一般是由两个相互影响的垂直上升气流和下沉气流系构成，它们都是有组织且连续的，所以可以在一段时间内持续地影响云体[1]。该垂直气流场的倾斜性特点使得多普勒雷达探测射线能够捕获气流的运动分量，并在多普勒雷达不同仰角的径向速度图中表现为连续的辐合线，连续仰角下的相关辐合线形成辐合面，因此，通过辐合面的三维重建可以初步描绘出气流场中垂直气流的发展阶段，有利于辅助预报员发现更多判据，提高预报准确率，降低预报难度，丰富二维的雷达图像的信息量。
三角剖分是计算几何中的重要研究课题，被广泛地应用于曲面重构、医学可视化、计算机图形图像处理等领域[2,3]。它可以将散乱的点云数据剖分为一系列三角形网格，其中最常用的三角剖分技术为Delaunay三角剖分[4,5](Delaunay Triangulation,DT)。
[参考文献]
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发明内容
本发明提供了一种基于辐合面三维重建估算主上升/下沉气流速度的方法，本方法能依据多普勒雷达基数据重建出强对流系统中的三维辐合面，同时计算辐合面倾角，并以此为基础估算主上升、下沉气流速度，促进对流天气灾害识别预报的精细化和科学化。
为了解决上述技术问题，本发明提出的一种基于辐合面三维重建估算主上升/下沉气流速度的方法，包括以下步骤：
步骤一、以多普勒雷达基数据为数据来源进行坐标系转换，并在新坐标系A中各仰角的反射率图上提取高反射率区域，通过高度匹配确定气流场检测范围；步骤如下：
1-1)把各仰角的雷达基数据一一映射到以方位角为横坐标、以径向距离为纵坐标的坐标系A中得到映射后的图像；其中，横坐标以水平向右为正方向，原点处的0°表示正北方向，分辨率为1°，取值范围为0-359°，纵坐标以竖直向下为正方向，表示各点与雷达间的径向距离，原点处的0km表示雷达位置，分辨率为1km，取值范围为0-229km；
1-2)对映射后的图像进行20°的延拓，即把0°～19°区间的数据重用到360°～379°范围内，使最终得到的图像大小为380°×230km；
1-3)在坐标系A下的反射率图中提取反射率高于35dBZ的区域，并从提取区域的边界向外做3～5个像素点的扩充，从而得到各仰角上的高反射率区；
1-4)对不同仰角上的高反射率区域进行匹配，即若不同仰角上的两块高反射率区域的重合面积高于其中小区域面积的60％，则认为两块高反射率区域位于同一气流场；
1-5)将同一气流场的各仰角上的高反射率区域的最大外包矩形作为气流场检测范围，
步骤二、将步骤一中确定的气流场检测范围映射到坐标系A中的径向速度图中，并通过插值得到70层等高的径向速度图，提取正速度区域和负速度区域的公共边界点，并依据方位关系从中提取辐合点，分别绘制主上升气流速度投影图和主下沉气流速度投影图，并记录辐合点的三维坐标；步骤如下：
2-1)将气流场检测范围内的各个仰角的径向速度数据通过线性插值得到高度分辨率为 0.25km、水平分辨率为1°×1km的70张等高的径向速度数据图；
2-2)在等高的径向速度数据图中，提取所有正速度区域边界和负速度区域边界，从而得到正速度区域和负速度区域的公共边界点，所有的公共边界点中同时满足其上邻域点为正速度且其下邻域点为负速度条件的公共边界点为辐合点；
2-3)在每层等高径向速度图上，将每个辐合点两侧沿径向方向7km范围内的正、负速度的最大值分别沿雷达径向投影到与辐合点对应的方位角上，得到分别携带最大正速度和最大负速度的两条信息带；给信息带赋予高度信息，按照对应的高度投影于二维图中，得到正速度分量最大值的投影图和负速度分量最大值的投影图；
2-4)利用公式(1)计算每个辐合点的三维坐标(x,y,z)；
Figure BDA0001565009780000021
步骤三、利用步骤二中得到的辐合点的三维坐标(x,y,z)，通过Delaunay三角剖分方法构建三维辐合面；再通过滤波方法平滑所述三维辐合面；
步骤四、计算平滑之后的三维辐合面中每个辐合点位置处的法向量，将每个辐合点处的法向量与z轴单位向量相点乘，得到每个辐合点处的法向量与z轴间夹角，每个辐合点处的辐合面与xoy平面间夹角大小的等于每个辐合点处的法向量与z轴间夹角，从而得到每个辐合点处的辐合面与xoy平面间夹角，即每个辐合点处的辐合面倾角α；
步骤五、将位于同一高度的辐合点计算得到的辐合面倾角进行算数平均计算，以其平均数作为辐合面在该高度处的倾斜角度，将不同高度处的倾斜角度
Figure BDA0001565009780000031
代入公式(2)，
Figure BDA0001565009780000032
式(2)中，
Figure BDA0001565009780000033
为测量该辐合点处速度信息的雷达射线的仰角，主上升气流速度雷达径向间的夹角及主下沉气流速度与雷达径向间的夹角均为
Figure BDA0001565009780000034
利用式(2)分别对正速度分量最大值投影图和负速度分量最大值投影图中的速度值v′进行运算，估算出的v即为主上升气流速度和主下沉气流速度。
最终，可以根据得到的主上升气流速度和主下沉气流速度分别绘制主上升气流速度和主下沉气流速度的投影图。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：依据多普勒雷达基数据重建出强对流系统中的三维辐合面，同时计算辐合面倾角，并以此为基础估算主上升、下沉气流速度，促进对流天气灾害识别预报的精细化和科学化。
附图说明
图1(a)至图1(b)为坐标转换后得到的天气雷达反射率图，其中，图1(a)是将多普勒雷达反射率数据映射到坐标系A中并延拓20°后得到的反射率图，图1(b)是在图1(a)的基础上提取出的高反射率区域；
图2为在坐标系A中对气流场检测范围内的径向速度数据插值后得到的5km高度处的局部径向速度图；
图3为正速度(负速度)分量最大值的投影图；
图4(a)至图4(b)为辐合面三维重建结果，其中图4(a)为三角剖分后得到的辐合面拓扑结构的主视图、左视图及俯视图，图4(b)为平滑后得到的辐合面拓扑结构的主视图、左视图及俯视图及面显示模式下的辐合面的主视图、左视图及俯视图；
图5为曲面法向量与曲面倾角间几何关系示意图；
图6为雷达测量的速度分量与实际速度矢量间夹角的估算几何原理图；
图7(a)至图7(b)为测试样例，其中图7(a)为利用计算得到的不同高度处的倾斜角度绘制的辐合面倾角与三维重建左视图中的倾角对比图，图7(b)为运算后的速度投影图；
图8为本发明提供的一种基于辐合面三维重建估算主上升/下沉气流速度的方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。
本发明提供了一种基于辐合面三维重建估算主上升/下沉气流速度的方法，其设计思路是：首先将雷达图像映射到新的坐标系中，通过强反射率区域的高度匹配圈定检测范围，在插值后得到的等高的径向速度图中检测辐合点，利用Delaunay三角剖分方法构建三维辐合面，计算辐合面上每个辐合点处的辐合面倾角；利用此倾角估算主上升、下沉气流速度。本方法实现了基于辐合面三维重建估算主上升/下沉气流速度的方法，促进了对流天气灾害识别预报的精细化和科学化。
本方法能重建出强对流系统中的三维辐合面，同时计算辐合面倾角，并以此为基础估算主上升、下沉气流速度，促进对流天气灾害识别预报的精细化和科学化。
本发明提出的一种基于辐合面三维重建估算主上升/下沉气流速度的方法，如图8所示，包括以下步骤：
步骤一、以多普勒雷达基数据为数据来源进行坐标系转换，并在新坐标系A中各仰角的反射率图上提取高反射率区域，通过高度匹配确定气流场检测范围；步骤如下：
1-1)把各仰角的雷达基数据一一映射到以方位角为横坐标、以径向距离为纵坐标的坐标系A中得到映射后的图像；其中，横坐标以水平向右为正方向，原点处的0°表示正北方向，分辨率为1°，取值范围为0-359°，纵坐标以竖直向下为正方向，表示各点与雷达间的径向距离，原点处的0km表示雷达位置，分辨率为1km，取值范围为0-229km；
1-2)对映射后的图像进行20°的延拓，即把0°～19°区间的数据重用到360°～379°范围内，使最终得到的图像大小为380°×230km，如图1(a)所示。
1-3)在坐标系A下的反射率图中提取反射率高于35dBZ的区域，并从提取区域的边界向外做3～5个像素点的扩充，从而得到各仰角上的高反射率区，如图1(b)所示。
1-4)对不同仰角上的高反射率区域进行匹配，即若不同仰角上的两块高反射率区域的重合面积高于其中小区域面积的60％，则认为两块高反射率区域位于同一气流场；
1-5)将同一气流场的各仰角上的高反射率区域的最大外包矩形作为气流场检测范围，
步骤二、将步骤一中确定的气流场检测范围映射到坐标系A中的径向速度图中，并通过插值得到70层等高的径向速度图，提取正速度区域和负速度区域的公共边界点，并依据方位关系从中提取辐合点，分别绘制主上升气流速度投影图和主下沉气流速度投影图，并记录辐合点的三维坐标；步骤如下：
2-1)将气流场检测范围内的各个仰角的径向速度数据通过线性插值得到高度分辨率为 0.25km、水平分辨率为1°×1km的70张等高的径向速度数据图，其中5km高度处的局部径向速度图如图2所示。
2-2)在等高的径向速度数据图中，提取所有正速度区域边界和负速度区域边界，从而得到正速度区域和负速度区域的公共边界点，所有的公共边界点中同时满足其上邻域点为正速度且其下邻域点为负速度条件的公共边界点为辐合点；
2-3)在每层等高径向速度图上，将每个辐合点两侧沿径向方向7km范围内的正、负速度的最大值分别沿雷达径向投影到与辐合点对应的方位角上，得到分别携带最大正速度和最大负速度的两条信息带；给信息带赋予高度信息，按照对应的高度投影于二维图中，得到正速度分量最大值的投影图和负速度分量最大值的投影图，如图3所示。
2-4)利用公式(1)计算每个辐合点的三维坐标(x,y,z)；
Figure BDA0001565009780000051
步骤三、利用步骤二中得到的辐合点的三维坐标(x,y,z)，通过Delaunay三角剖分方法构建三维辐合面；如图4(a)所示；再通过滤波方法平滑所述三维辐合面，如图4(b)所示。
步骤四、计算平滑之后的三维辐合面中每个辐合点位置处的法向量，将每个辐合点处的法向量与z轴单位向量相点乘，得到每个辐合点处的法向量与z轴间夹角，每个辐合点处的辐合面与xoy平面间夹角大小的等于每个辐合点处的法向量与z轴间夹角，从而得到每个辐合点处的辐合面与xoy平面间夹角，即每个辐合点处的辐合面倾角α；其几何关系如图5 所示，曲面的法向量与z轴正方向的夹角β和平面倾角α同时与角θ(平面与z轴正方向的夹角)互余，即β+θ＝α+θ＝90°，由此三角关系可得β＝α。将此式推广到辐合面中即可得到辐合面法向量与z轴夹角等于辐合面与水平面的夹角的结论。
步骤五、将位于同一高度的辐合点计算得到的辐合面倾角进行算数平均计算，以其平均数作为辐合面在该高度处的倾斜角度，将不同高度处的倾斜角度
Figure BDA0001565009780000055
代入公式(2)，
Figure BDA0001565009780000052
式(2)中，
Figure BDA0001565009780000053
为测量该辐合点处速度信息的雷达射线的仰角，主上升气流速度雷达径向间的夹角及主下沉气流速度与雷达径向间的夹角均为α1，其几何关系如图6所示，α1与α2为对顶角，得出
Figure BDA0001565009780000054
以每层高度上正速度(负速度)分量的最大值经由辐合面倾角估算后的估算量作为该气流场主上升(下沉)气流速度。因此，利用式(2)分别对正速度分量最大值投影图和负速度分量最大值投影图中的速度值v′进行运算，估算出的v即为主上升气流速度和主下沉气流速度。
还可以根据得到的主上升气流速度和主下沉气流速度分别绘制主上升气流速度和主下沉气流速度的投影图。
下面以具体的测试来验证本发明提供的一种基于辐合面三维重建估算主上升和主下沉气流速度的方法的可行性，测试样本为2015年7月30日天津发生的一次飑线天气。
图7(a)为利用本发明计算得到的不同高度处的倾斜角度绘制的辐合面倾角与三维重建左视图中的倾角对比图，图7(a)中为Delaunay三角剖分方法构建并平滑后得到的三维辐合面的左视图，图中的箭头表示辐合面上各辐合点处的法向量，图中的黑色曲线为利用计算得到的不同高度处的倾斜角度绘制的辐合面倾角图，由图中可见其与三维图基本吻合。
图7(b)为利用本发明最终估算得到的速度所绘制的速度投影图，本实施例中不同高度处三维辐合面的斜面倾角及估算得到的主上升和主下沉气流速度如表1所示，其中，“H”表示高度层，高度层信息h(h＝1,2,…,70)，即气流场检测范围内的各个仰角的径向速度数据通过线性插值得到高度分辨率为0.25km、水平分辨率为1°×1km的70张等高的径向速度数据图；“A”表示角度，即每层高度通过计算得到的平均倾斜角度；“V＇+(V＇-)”为每层高度上正速度(负速度)分量的最大值；“V+(V-)”为每层高度上由辐合面倾角估算出的主上升(下沉)气流速度。
表1不同高度处的倾斜角度
Figure BDA0001565009780000061
续表1
Figure BDA0001565009780000062
表中“*”表示无有效数据。
通过表1及续表1可以发现利用本发明方法估算得到的主上升气流和主下沉气流速度较雷达测得的速度分量的最大值在中层高度处有明显增强，通过与测试样例的实际速度监测结果比较，更为接近实际风速情况。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于辐合面三维重建估算主上升/下沉气流速度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、以多普勒雷达基数据为数据来源进行坐标系转换，并在新坐标系A中各仰角的反射率图上提取高反射率区域，通过高度匹配确定气流场检测范围；步骤如下：
1-1)把各仰角的雷达基数据一一映射到以方位角θ为横坐标、以径向距离r为纵坐标的坐标系A中得到映射后的图像；其中，横坐标以水平向右为正方向，原点处的0°表示正北方向，分辨率为1°，取值范围为0-359°，纵坐标以竖直向下为正方向，表示各点与雷达间的径向距离，原点处的0km表示雷达位置，分辨率为1km，取值范围为0-229km；
1-2)对映射后的图像进行20°的延拓，即把0°～19°区间的数据重用到360°～379°范围内，使最终得到的图像大小为380°×230km；
1-3)在坐标系A下的反射率图中提取反射率高于35dBZ的区域，并从提取区域的边界向外做3～5个像素点的扩充，从而得到各仰角上的高反射率区；
1-4)对不同仰角上的高反射率区域进行匹配，即若不同仰角上的两块高反射率区域的重合面积高于其中小区域面积的60％，则认为两块高反射率区域位于同一气流场；
1-5)将同一气流场的各仰角上的高反射率区域的最大外包矩形作为气流场检测范围，
步骤二、将步骤一中确定的气流场检测范围映射到坐标系A中的径向速度图中，并通过插值得到70张等高的径向速度图，提取正速度区域和负速度区域的公共边界点，并依据方位关系从中提取辐合点，分别绘制主上升气流速度投影图和主下沉气流速度投影图，并记录辐合点的三维坐标；步骤如下：
2-1)将气流场检测范围内的各个仰角的径向速度数据通过线性插值得到高度分辨率为0.25km、水平分辨率为1°×1km的70张等高的径向速度数据图，每张等高的径向速度数据图的高度层信息为h，h＝1,2,...,70；
2-2)在等高的径向速度数据图中，提取所有正速度区域边界和负速度区域边界，从而得到正速度区域和负速度区域的公共边界点，所有的公共边界点中同时满足其上邻域点为正速度且其下邻域点为负速度条件的公共边界点为辐合点；
2-3)在每张等高径向速度图上，将每个辐合点两侧沿径向方向7km范围内的正、负速度的最大值分别沿雷达径向投影到与辐合点对应的方位角上，得到分别携带最大正速度和最大负速度的两条信息带；给信息带赋予高度信息，按照对应的高度投影于二维图中，得到正速度分量最大值的投影图和负速度分量最大值的投影图；
2-4)利用公式(1)计算每个辐合点的三维坐标(x,y,z)；
Figure FDA0003191493800000011
步骤三、利用步骤二中得到的辐合点的三维坐标(x,y,z)，通过Delaunay三角剖分方法构建三维辐合面；再通过滤波方法平滑所述三维辐合面；
步骤四、计算平滑之后的三维辐合面中每个辐合点位置处的法向量，将每个辐合点处的法向量与z轴单位向量相点乘，得到每个辐合点处的法向量与z轴间夹角，每个辐合点处的辐合面与xoy平面间夹角大小的等于每个辐合点处的法向量与z轴间夹角，从而得到每个辐合点处的辐合面与xoy平面间夹角，即每个辐合点处的辐合面倾角α；
步骤五、将位于同一高度的辐合点计算得到的辐合面倾角进行算数平均计算，以其平均数作为辐合面在该高度处的倾斜角度，将不同高度处的倾斜角度
Figure FDA0003191493800000021
代入公式(2)，
Figure FDA0003191493800000022
式(2)中，
Figure FDA0003191493800000023
为测量该辐合点处速度信息的雷达射线的仰角，主上升气流速度雷达径向间的夹角及主下沉气流速度与雷达径向间的夹角均为
Figure FDA0003191493800000024
利用式(2)分别对正速度分量最大值投影图和负速度分量最大值投影图中的速度值v′进行运算，估算出的v即为主上升气流速度和主下沉气流速度。
2.根据权利要求1所述基于辐合面三维重建估算主上升/下沉气流速度的方法，其特征在于，根据得到的主上升气流速度和主下沉气流速度分别绘制主上升气流速度和主下沉气流速度的投影图。
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