CN109031237A - 快速获取雷达组合反射率等值线数据的方法 - Google Patents

Abstract

本发明对雷达的探测数据点进行处理，以此获取具有矢量特征的雷达组合反射率等值线数据。该快速获取雷达组合反射率矢量等值线数据的方法包括以下几大部分：雷达三维扫描数据的归一化；雷达组合反射率数据点计算；组合反射率数据网格构建；组合反射率等值线构建。本发明可以有利于雷达产品数据的全球共享，为气象灾害的减灾防灾提供有效的决策支持，具有良好的社会和经济效果；同时其快速获得数据的能力，具有良好的技术效果，能够缩短相关部门对于灾害的响应时间。

Description

快速获取雷达组合反射率等值线数据的方法

技术领域：

本发明涉及一种快速获取雷达组合反射率等值线数据的方法。

背景技术：

目前常规的雷达组合反射率等值线数据的获取是通过已有的组合反射率栅格数据进行求算，然而，组合反射率的栅格数据求算本身是基于规则网格求取，在此过程中，规则网格的排列布置与雷达扫描方式之间具有很大的差异，因此需要通过已有的雷达探测数据进行大量的插值计算，来获得每一个规则小格网对应的探测数据值，以此最终获取对应的组合反射率栅格数据，在此基础上再进行等值线数据的求取，这种方法一方面需要消耗大量的计算开销，降低了数据获取的效率，另一方面会在一定程度上引入冗余数据，增加了产品数据的数据量，为数据的传输等应用带来不必要的阻碍。

发明内容：

本发明对雷达的探测数据点进行处理，以此获取具有矢量特征的雷达组合反射率等值线数据。

本发明的具体技术方案如下：

一种快速获取雷达组合反射率等值线数据的方法，包括如下步骤：

1)雷达三维扫描数据的归一化；

2）雷达组合反射率数据点结构的构建；

3）组合反射率图形数据网格构建；

4）组合反射率等值线构建；

其中，

1)雷达三维扫描数据的归一化：将雷达三维扫描数据的每一层都归一化为具有360条扫描线数据的标准层；归一化后雷达各扫描层对应方位角的扫描线数据上下位相对应；

2)雷达组合反射率数据点结构的构建：

第一，将最低仰角对应扫描层的某一个数据点P投影到地面上得到对应的点P0，点P处于该扫描层第j条扫描线的第i个位置，其中j表示扫描线对应的方位角的角度，j的取值范围是0≤j≤359且j为整数，i表示该扫描线上任意一个数据点，i的取值范围是1≤i≤该扫描线上的数据点个数且i为整数；

第二，在雷达扫描数据的每一层中搜索与点P具有相同方位角扫描线上具有相同位置索引的数据点并进行比较，把反射率数值最大点的反射率数值赋予P。

第三，重复第一和第二步，对最低仰角对应扫描层中每一个数据点都进行相应处理，得到雷达组合反射率数据点结构；

3)对步骤2）得到的雷达组合反射率数据点结构中，相邻的两条扫描线上依次分别取相邻的第i、i+1位置的两点，共计四点作为顶点依次连接构建成一个四边形面片，进而构建所有四边形，得到所有四边形面片构成一个四边形网格；

4)对步骤3）中每个四边形面片连接一条对角线，将每个四边形面片分割成两个三角形，由此构成一个三角形网格；上述三角形网格中，各条相邻扫描线上距离雷达中心最远的两个数据点的连线构成三角形网格的边界；对于预设反射率因子集合中任一反射率因子Z，在三角形网格的边界上寻找到起始边，使反射率因子Z值在该起始边两个顶点的反射率数值之间，当起始边存在时，则先进行非闭合等值线搜索再进行闭合等值线搜索；当起始边不存在时，则进行闭合等值线搜索；得到反射率因子Z对应的等值线；重复上述步骤完成对预设的反射率因子集合中所有反射率因子对应的等值线搜索，获得雷达组合反射率等值线数据。

本发明进一步设计在于：

步骤1中，将原始雷达扫描数据每一层都归一化为具有360条扫描线数据的标准层包含如下具体过程：在每一个扫描层中，以雷达天线位置为中心，以方位角0度构建第一条扫描线，每一个整数方位角构建一条扫描线，以此类推，第360条扫描线方位角位于为359度，构建360条扫描线；每个扫描线上的数据，再根据原始雷达反射率数据的各层扫描线数据，通过插值计算法得到构建的360条扫描线数据，由此完成雷达三维扫描数据的归一化处理。

所述每一根扫描线数据的在线上的数据点空间间隔均为1公里。

步骤4中每个四边形面片由对角线剖分两三角形时，各三角形剖分方向一致。

步骤4中，对获得的组合反射率等值线根据其反射率因子Z值赋予相应颜色。

步骤4中非闭合等值线搜索包含如下步骤：

A、根据从边界找到的起始边的两个顶点，通过插值计算出该起始边上与反射率因子Z值相等的点坐标，并加入到等值线的点集中，然后在起始边所处的三角形的另外两条边上寻找同样符合条件的新边，即Z值在该边两个顶点的反射率数值之间，把该新边作为当前起始边，对新边两个顶点进行插值计算得出该边上与反射率因子Z值相等的点坐标，将该点坐标加入等值线点集中，并将当前三角形从待搜索三角形中剔除；

B、找到与所述新边相邻的三角形，在该三角形的另外两条边中继续寻找同样符合条件的第二新边，即Z值在该边两个顶点的反射率数值之间，把符合条件的第二新边作为当前起始边，对第二新边两个顶点进行插值计算得出该边上与反射率因子Z值相等的点坐标，将该点坐标加入等值线点集中，并将当前三角形从待搜索三角形中剔除；

C、重复执行步骤B，直到找到的反射率因子Z值相等的点坐标位于边界上，一条非闭合等值线的等值线点集搜索完毕；将等值线的点集中的各点坐标顺次连接，形成一条非闭合等值线；

D、从未被剔除边界中继续搜索另一条起始边，重复步骤A-C，直到边界中找不到这样的起始边后，完成反射率因子Z对应的所有非闭合等值线搜索。

步骤4对于闭合等值线的搜索包含如下步骤：

a、从未被剔除三角形中搜索任意符合条件的边作为起始边，即反射率因子Z的数值在该起始边两个顶点的反射率数值之间，若找不到这样的起始边则结束闭合等值线搜索；若找到符合条件的起始边，进入下一步；

b、对找到的起始边两个顶点进行插值计算得出该边上与反射率因子Z值相等的点坐标，将该点坐标加入等值线点集中；然后在该起始边所处的任意一三角形的另外两条边上寻找同样符合条件的新边，即Z值在该边两个顶点的反射率数值之间，把该新边作为当前起始边，对新边两个顶点进行插值计算得出该边上与反射率因子Z值相等的点坐标，将该点坐标加入等值线点集中，并将当前三角形从待搜索三角形中剔除；

c、把该新边作为起始边寻找另外的三角形，在找到的三角形的另外两条边中继续寻找同样符合条件的第二新边，即Z值在该边两个顶点的反射率数值之间，把符合条件的第二新边作为起始边，对第二新边两个顶点进行插值计算得出该边上与反射率因子Z值相等的点坐标，将该点坐标加入等值线点集中，并将当前三角形从待搜索三角形中剔除；

d、重复执行c ，直到找到的与反射率因子Z值相等的点坐标位于步骤A中找到的起始边上，则一条闭合等值线的等值线点集搜索完毕；将等值线点集中的各点坐标顺次连接，形成一条闭合等值线；

e、从未被剔除的三角形中继续搜索另一条起始边，重复步骤a-c，直到找不到起始边，完成所有反射率因子Z对应的所有闭合等值线搜索。

本发明相比现有技术具有如下有益效果：

鉴于目前获取雷达组合反射率等值线的求算过程具有较大的计算开销，同时引入了一定冗余数据，增加了产品的数据量，为数据的实时响应以及后期数据的传输应用等带来障碍。为了解决这个问题，

本发明通过归一化雷达每层的扫描数据，进而直接对雷达探测到的数据点进行处理，以此获取具有矢量特征的雷达组合反射率等值线数据。整个过程减少了计算数据量同时也避免了冗余数据，能够快速产生的雷达组合反射率等值线数据，能够很好应用于三维以及网络环境中。

本发明可以有利于雷达产品数据的全球共享，为气象灾害的减灾防灾提供有效的决策支持，具有良好的社会和经济效果；同时其快速获得数据的能力，具有良好的技术效果，能够缩短相关部门对于灾害的响应时间。

附图说明：

图1为实施例一中雷达组合反射率数据获取示意图；

图2为实施例一中雷达组合反射数据点结构示意图；

图3为实施例一中四边形面片示意图；

图4为实施例一中四边形网格示意图；

图5为实施例一中三角面片网格构建示意图；

图6为实施例一中非闭合等值线搜索示意图；

图7为实施例一中闭合等值线搜索示意图；

图8为实施例二中组合反射率等值线数据效果图。

具体实施方式：

实施例一：

本发明的雷达组合反射率等值线数据的方法，其具体步骤为：

1.雷达三维扫描数据的归一化：从原始雷达三维扫描反射率数据中，获取每一扫描层数据，在所取的每一扫描层中构建以雷达天线位置为中心，方位角为j度，仰角为各扫描层相对应的仰角，数据点个数为各扫描层中任意一条扫描线原有数据个数的线数据，共计360条扫描线数据，其中j表示扫描线对应的方位角的角度，j的取值范围是0 ≤j ≤359且j为整数。在该新构建的360条线数据上，第i个数据点与第i+1个数据点的空间间隔为1公里，其中i表示在扫描线上的距离雷达中心的第几个探测数据点，1≤i ≤该扫描线上的数据点个数且i为整数；根据原始雷达反射率数据的各层扫描线数据，插值计算出各扫描层方位角为j度的扫描线上第i个数据点反射率数值，则雷达三维扫描数据的归一化操作完毕，归一化后雷达各扫描层对应方位角扫描线数据上下位相对应，其侧视图如图1所示；

2.雷达组合反射率数据点结构的构建：

第一，将最低仰角对应扫描层的某一个数据点P投影到地面上得到对应的点P₀，点P处于该扫描层第j条扫描线的第i个位置；

第二，在雷达扫描数据的每一层中搜索与点P具有相同方位角扫描线上具有相同位置索引的数据点并进行比较，把反射率数值最大点的反射率数值保存至点P；

第三，重复第一和第二步，对最低仰角对应扫描层中每一个数据点都进行相应处理，得到雷达组合反射率数据点结构，示意图如图2所示；

3.组合反射率图形数网格据构建：对上述雷达组合反射率数据点结构中，相邻的两条扫描线上依次分别取相邻的第i、i+1位置的两点，共计四点作为顶点依次连接构建成一个四边形面片，该四边形面片为不规则四边形面片，它是由四个坐标顶点按顺序连接而构建的不自相交的四边形面，如图3所示。进而完成所有有相邻点的不规则四边形面片构建，形成相互邻接的不规则四边形网格，如图4所示；

4.组合反射率等值线构建：对上述每个不规则四边形面片连接一条对角线，将每个不规则四边形面片分割成两个三角形，其中每个不规则四边形面片由对角线剖分两三角形时，各对角线剖分方向一致，由此构成一个三角形网格，如图5所示；在三角形网格中，各条相邻扫描线上距离雷达中心最远的两个数据点的连线构成三角形网格的边界；对于预设反射率因子集合中任一反射率因子Z，在三角形网格的边界上寻找到起始边，使反射率因子Z值在该起始边两个顶点的反射率数值之间，先进行非闭合等值线搜索，包含如下步骤：

A、根据从边界找到的起始边的两个顶点，通过插值计算出该起始边上与反射率因子Z值相等的点坐标，并加入到等值线的点集中，然后在起始边所处的三角形的另外两条边上寻找同样符合条件的新边，即Z值在该边两个顶点的反射率数值之间，把该新边作为当前起始边，对新边两个顶点进行插值计算得出该边上与反射率因子Z值相等的点坐标，将该点坐标加入等值线点集中，并将当前三角形从待搜索三角形中剔除；

B、找到与所述新边相邻的三角形，在该三角形的另外两条边中继续寻找同样符合条件的第二新边，即Z值在该边两个顶点的反射率数值之间，把符合条件的第二新边作为当前起始边，对第二新边两个顶点进行插值计算得出该边上与反射率因子Z值相等的点坐标，将该点坐标加入等值线点集中，并将当前三角形从待搜索三角形中剔除；

C、重复执行步骤B，直到找到的反射率因子Z值相等的点坐标位于边界上，一条非闭合等值线的等值线点集搜索完毕；将等值线的点集中的各点坐标顺次连接，形成一条非闭合等值线；

D、从未被剔除边界中继续搜索另一条起始边，重复步骤A-C，直到边界中找不到这样的起始边后，完成反射率因子Z对应的所有非闭合等值线搜索，如图6所示。

再进行闭合等值线搜索，包含如下步骤：

a、从未被剔除三角形中搜索任意符合条件的边作为起始边，即反射率因子Z的数值在该起始边两个顶点的反射率数值之间，若找不到这样的起始边则结束闭合等值线搜索；若找到符合条件的起始边，进入下一步；

b、对找到的起始边两个顶点进行插值计算得出该边上与反射率因子Z值相等（的点）的点坐标，将该点坐标加入等值线点集中；然后在该起始边所处的任意一三角形的另外两条边上寻找同样符合条件的新边，即Z值在该边两个顶点的反射率数值之间，把该新边作为当前起始边，对新边两个顶点进行插值计算得出该边上与反射率因子Z值相等的点坐标，将该点坐标加入等值线点集中，并将当前三角形从待搜索三角形中剔除；

c、把该新边作为起始边寻找另外的三角形，在找到的三角形的另外两条边中继续寻找同样符合条件的第二新边，即Z值在该边两个顶点的反射率数值之间，把符合条件的第二新边作为起始边，对第二新边两个顶点进行插值计算得出该边上与反射率因子Z值相等的点坐标，将该点坐标加入等值线点集中，并将当前三角形从待搜索三角形中剔除；

d、重复执行c ，直到找到的与反射率因子Z值相等的点坐标位于步骤A中找到的起始边上，则一条闭合等值线的等值线点集搜索完毕；将等值线点集中的各点坐标顺次连接，形成一条闭合等值线；

e、从未被剔除的三角形中继续搜索另一条起始边，重复步骤a-c，直到找不到起始边，完成所有反射率因子Z对应的所有闭合等值线搜索，如图7所示。

重复上述步骤完成对预设的反射率因子集合中所有反射率因子对应的等值线搜索获得雷达组合反射率等值线数据。

实施例二：

对于实施例一得到雷达组合反射率等值线数据中，根据反射率因子Z值赋予各等值线相应的颜色，结果如图8所示。

本例给不同数值的等值线赋予不同颜色，可以直观的表达出回波数值的大小，比如，遇到等值线是红色或者深红色，则表明该等值线表示的是高回波数值区域，能够让气象专家直观判断出强降雨区域。

这种产品数据能够直观的表达出不同的回拨区域，尤其是等值线的矢量数据形式，具有位置精确易于数据的共享使用等特点。在与多种图像数据叠加显示时，采用这种具有矢量特征的等值线数据能够避免与其它图像数据的视觉混淆。

Claims (7)

1.一种快速获取雷达组合反射率等值线数据的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1) 雷达三维扫描数据的归一化；

2）雷达组合反射率数据点结构的构建；

3）组合反射率图形数据网格构建；

4）组合反射率等值线构建；

其中，

1)雷达三维扫描数据的归一化：将雷达三维扫描数据的每一层都归一化为具有360条扫描线数据的标准层；归一化后雷达各扫描层对应方位角的扫描线数据上下位相对应；

2)雷达组合反射率数据点结构的构建：

第一，将最低仰角对应扫描层的某一个数据点P投影到地面上得到对应的点P₀，点P处于该扫描层第j条扫描线的第i个位置，其中j表示扫描线对应的方位角的角度，j的取值范围是0≤j≤359且j为整数，i表示该扫描线上任意一个数据点，i的取值范围是1≤i≤该扫描线上的数据点个数且i为整数；

第二，在雷达扫描数据的每一层中搜索与点P具有相同方位角扫描线上具有相同位置索引的数据点并进行比较，把反射率数值最大点的反射率数值赋予点P；

第三，重复第一和第二步，对最低仰角对应扫描层中每一个数据点都进行相应处理，得到雷达组合反射率数据点结构；

3)对步骤2）得到的雷达组合反射率数据点结构中，相邻的两条扫描线上依次分别取相邻的第i、i+1位置的两点，共计四点作为顶点依次连接构建成一个四边形面片，进而构建所有四边形，得到所有四边形面片构成一个四边形网格；

4)对步骤3）中每个四边形面片连接一条对角线，将每个四边形面片分割成两个三角形，由此构成一个三角形网格；上述三角形网格中，各条相邻扫描线上距离雷达中心最远的两个数据点的连线构成三角形网格的边界；对于预设反射率因子集合中任一反射率因子Z，在三角形网格的边界上寻找到起始边，使反射率因子Z值在该起始边两个顶点的反射率数值之间，当起始边存在时，则先进行非闭合等值线搜索再进行闭合等值线搜索；当起始边不存在时，则进行闭合等值线搜索；得到反射率因子Z对应的等值线；重复上述步骤完成对预设的反射率因子集合中所有反射率因子对应的等值线搜索，获得雷达组合反射率等值线数据。

2.根据权利要求1所述的快速获取雷达组合反射率等值线数据的方法，其特征在于：步骤1中，将原始雷达扫描数据每一层都归一化为具有360条扫描线数据的标准层包含如下具体过程：在每一个扫描层中，以雷达天线位置为中心，以方位角0度构建第一条扫描线，每一个整数方位角构建一条扫描线，以此类推，第360条扫描线方位角位于为359度，构建360条扫描线；每个扫描线上的数据，再根据原始雷达反射率数据的各层扫描线数据，通过插值计算法得到构建的360条扫描线数据，由此完成雷达三维扫描数据的归一化处理。

3.根据权利要求2所述的快速获取雷达组合反射率等值线数据的方法，其特征在于：所述每一根扫描线数据的在线上的数据点空间间隔均为1公里。

4.根据权利要求1所述的快速获取雷达组合反射率等值线数据的方法，其特征在于：

步骤4中每个四边形面片由对角线剖分两三角形时，各三角形剖分方向一致。

5.根据权利要求14所述的快速获取雷达组合反射率等值线数据的方法，其特征在于：步骤4中，对获得的组合反射率等值线根据其反射率因子Z值赋予相应颜色。

6.根据权利要求1-5任一所述快速获取雷达组合反射率三维等值线数据的方法，其特征在于：步骤4中非闭合等值线搜索包含如下步骤：

A、根据从边界找到的起始边的两个顶点，通过插值计算出该起始边上与反射率因子Z值相等的点坐标，并加入到等值线的点集中，然后在起始边所处的三角形的另外两条边上寻找同样符合条件的新边，即Z值在该边两个顶点的反射率数值之间，把该新边作为当前起始边，对新边两个顶点进行插值计算得出该边上与反射率因子Z值相等的点坐标，将该点坐标加入等值线点集中，并将当前三角形从待搜索三角形中剔除；

B、找到与所述新边相邻的三角形，在该三角形的另外两条边中继续寻找同样符合条件的第二新边，即Z值在该边两个顶点的反射率数值之间，把符合条件的第二新边作为当前起始边，对第二新边两个顶点进行插值计算得出该边上与反射率因子Z值相等的点坐标，将该点坐标加入等值线点集中，并将当前三角形从待搜索三角形中剔除；

C、重复执行步骤B，直到找到的反射率因子Z值相等的点坐标位于边界上，一条非闭合等值线的等值线点集搜索完毕；将等值线的点集中的各点坐标顺次连接，形成一条非闭合等值线；

D、从未被剔除边界中继续搜索另一条起始边，重复步骤A-C，直到边界中找不到这样的起始边后，完成反射率因子Z对应的所有非闭合等值线搜索。

7.根据权利要求6所述快速获取雷达组合反射率三维等值线数据的方法，其特征在于：步骤4对于闭合等值线的搜索包含如下步骤：

a、从未被剔除三角形中搜索任意符合条件的边作为起始边，即反射率因子Z的数值在该起始边两个顶点的反射率数值之间，若找不到这样的起始边则结束闭合等值线搜索；若找到符合条件的起始边，进入下一步；

b、对找到的起始边两个顶点进行插值计算得出该边上与反射率因子Z值相等的点坐标，将该点坐标加入等值线点集中；然后在该起始边所处的任意一三角形的另外两条边上寻找同样符合条件的新边，即Z值在该边两个顶点的反射率数值之间，把该新边作为当前起始边，对新边两个顶点进行插值计算得出该边上与反射率因子Z值相等的点坐标，将该点坐标加入等值线点集中，并将当前三角形从待搜索三角形中剔除；

c、把该新边作为起始边寻找另外的三角形，在找到的三角形的另外两条边中继续寻找同样符合条件的第二新边，即Z值在该边两个顶点的反射率数值之间，把符合条件的第二新边作为起始边，对第二新边两个顶点进行插值计算得出该边上与反射率因子Z值相等的点坐标，将该点坐标加入等值线点集中，并将当前三角形从待搜索三角形中剔除；

d、重复执行c ，直到找到的与反射率因子Z值相等的点坐标位于步骤A中找到的起始边上，则一条闭合等值线的等值线点集搜索完毕；将等值线点集中的各点坐标顺次连接，形成一条闭合等值线；

e、从未被剔除的三角形中继续搜索另一条起始边，重复步骤a-c，直到找不到起始边，完成所有反射率因子Z对应的所有闭合等值线搜索。