CN111736154B - 三维气象雷达回波模型的构建方法和显示方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及通讯技术领域，是三维气象雷达回波模型的构建方法和显示方法，包括第一步，获取反射率数据：获取气象雷达在目标时间点所有降水回波点的第一反射率数据；第二步，坐标系转换：将基于柱坐标系的第一反射率数据转换成基于三维地理坐标系的第二反射率数据；第三步，三维格点化：根据第二反射率数据获取每个格点的第三反射率数据；第四步，构建三维回波模型。本发明提供构建多层三维雷达回波模型，模型中包含了高度信息，且不会损失对应相同地理位置的不同高度的反射率数值。模型包括两层，能够包含两种反射率的降水回波点的分布状况。本发明提供的显示技术，能够调节内层模型和外层模型的外部轮廓的透明度，使外层模型不会遮挡内层模型。
Description
技术领域
本发明涉及通讯技术领域，尤其涉及一种三维气象雷达回波模型的构建方法和显示方法。
背景技术
气象雷达（即多普勒雷达）通过探测目标对气象雷达波的反射来确定目标的位置和特性。气象雷达常用于方位测定、降水探测、湍流检测和风切变检测。气象雷达进行降水探测的原理是：含水目标（也称降水回波点）能够对于气象雷达发射的射频脉冲能量进行反射，形成回波信号（或反射信号），气象雷达接收到回波信号后，可分析回波信号强弱，并用不同的颜色表示，形成气象雷达回波图，通过分析气象雷达回波图，可以确定区域含水物质的多少，对区域的降水情况进行探测和预测。
传统气象雷达的雷达回波图的图像是二维的，采用的是直接投影的方式，将不同高度层的气象雷达回波点直接投影到一个二维平面上，二维平面上一个点的气象雷达反射率数值为采用气象雷达能检测到的该点垂直方向所有层的气象雷达反射率数值中的最大值（目标含水量越高，反射率数值越高），再将生成的投影气象雷达回波图直接叠加显示到二维的地图上。这样做可以在地图的对应位置上，达到显示气象雷达反射率数值的目的，并将高强度回波与地理位置正确对应。
传统气象雷达回波图的缺点是不能显示高度信息，气象雷达反射率数值本质上是三维的点对应的反射率数值，但是采用投影到统一平面的技术，会导致每一层的高度信息在显示时缺失。并且，二维显示会导致信息缺失（只保留二维平面上的点对应的所有高度的反射率数值中最大的），图像是二维的，不如三维回波模型显示技术能够详细在对应高度上显示每层的信息那样直观。
发明内容
本发明提供了一种三维气象雷达回波模型的构建方法，克服了上述现有技术之不足，其能有效解决现有的二维雷达回波图不能显示高度信息，以及丢失对应不同高度的反射率数值的问题。
本发明的技术方案是通过以下措施来实现的：
一种三维气象雷达回波模型的构建方法，包括以下步骤：
第一步，获取反射率数据：获取气象雷达在目标时间点所有降水回波点的第一反射率数据；
第二步，坐标系转换：将基于柱坐标系的第一反射率数据转换成基于三维地理坐标系的第二反射率数据；
第三步，三维格点化：根据第二反射率数据获取每个格点的第三反射率数据；
第四步，构建两层三维回波模型，具体步骤包括：
（1）构建边界立方体：利用每个格点的第三反射率数据确定所有第一边界值的边界立方体；
（2）构建等值面网格：以所有第一边界值的边界立方体为标准，构建所有第一边界值的等值面网格；
（3）拼接模型：将所有第一边界值的等值面网格拼接在一起，形成第一边界值的第一层三维回波模型；
（4）构建第二层三维回波模型：利用第四步（1）~（3）步骤的方法，构建第二边界值的第二层三维回波模型。
下面是对上述发明技术方案的进一步优化或/和改进：
上述构建方法，还包括以下步骤：
第五步，对三维回波模型进行平滑处理，具体步骤包括：
（1）坐标系转换：将基于三维地理坐标系的第二反射率数据，转换成基于WGS84的第四反射率数据；
（2）获取模型顶点法线：获取目标层三维回波模型中每个顶点的所有等值面的面法线，根据每个顶点的所有等值面的面法线获取目标层三维回波模型中每个顶点的顶点法线；
（3）对模型进行平滑处理：通过目标层三维回波模型每个顶点的WGS84坐标和顶点法线，构建带法线的三维雷达回波模型。
上述构建方法，在第一步中，获取气象雷达在目标时间点所有降水回波点的第一反射率数据，包括以下步骤：
从气象雷达的基数据获取所有回波的反射率数据；
对所有回波的反射率数据进行质量控制，去除孤立的降水回波点的反射率数值和非降水回波点的反射率数值。
上述构建方法，气象雷达的数量为多个，则第三步按照相同的分辨率进行三维格点化，形成多个雷达的第三反射率数据，在第三步之后，第四步之前，还包括以下步骤：
对多组反射率数据进行拼接，对多个雷达的第三反射率数据进行最大化组网拼接，若有重叠的格点，重叠的格点对应多个反射率数值，取其中最大的反射率数值作为重叠的格点的反射率数值。
上述构建方法，第四步还包括以下步骤：
（5）构建第三层三维回波模型：利用第四步（1）~（3）步骤的方法，构建第三边界值的第三层三维回波模型。
一种上述构建方法构建的三维气象雷达回波模型的显示方法，包括以下步骤：
第一步，第一层三维回波模型的外部轮廓填充为颜色一；
第二步，第二层三维回波模型的外部轮廓填充为颜色二；
颜色一和颜色二的透明度是可调的。
上述显示方法，三维气象雷达回波模型还包括第三层三维回波模型，第三层三维回波模型的外部轮廓填充为颜色三，选择颜色一、颜色二或颜色三中的任一种颜色，则被选中的颜色的透明度变为不透明，未被选中的其他两种颜色的透明度变为全透明。
本发明提供构建多层三维雷达回波模型，由于构建的模型是三维的，因而模型中包含了高度信息，且不会损失对应相同地理位置的不同高度的反射率数值。模型包括两层，能够包含两种反射率的降水回波点的分布状况。本发明提供的显示技术，能够调节内层模型和外层模型的外部轮廓的透明度，使外层模型不会遮挡内层模型。
附图说明
附图1为本发明实施例1的方法流程图。
附图2为本发明实施例1的边界立方体中的等值面示意图。
附图3为本发明实施例6的方法流程图。
附图4为本发明实施例8的方法流程图。
具体实施方式
本发明不受下述实施例的限制，可根据本发明的技术方案与实际情况来确定具体的实施方式。
下面结合实施例及附图对本发明作进一步描述：
实施例1：如附图1所示:
一种三维气象雷达回波模型的构建方法，包括以下步骤：
第一步，获取反射率数据：获取气象雷达在目标时间点所有降水回波点的第一反射率数据；
第二步，坐标系转换：将基于柱坐标系的第一反射率数据转换成基于三维地理坐标系的第二反射率数据；
第三步，三维格点化：根据第二反射率数据获取每个格点的第三反射率数据；
第四步，构建两层三维回波模型，具体步骤包括：
（1）构建边界立方体：利用每个格点的第三反射率数据确定所有第一边界值的边界立方体；
（2）构建等值面网格：以所有第一边界值的边界立方体为标准，构建所有第一边界值的等值面网格；
（3）拼接模型：将所有第一边界值的等值面网格拼接在一起，形成第一边界值的第一层三维回波模型；
（4）构建第二层三维回波模型：利用第四步（1）~（3）步骤的方法，构建第二边界值的第二层三维回波模型。
本发明中气象雷达接收的基数据中包含反射率数据。对基数据进行解析，可以获取回波点的反射率数据。反射率数据源自降水回波和非降水回波（例如地物回波、超折射回波、晴空回波等）的反射率数据。本发明中的降水回波点的反射率数据是一个集合，集合内元素是每个降水回波点的反射率数值（即回波强度）和柱坐标（方向角、仰角和距离）。为了获取降水回波点的反射率数据，需要去除回波的反射率数据中的非降水回波点的反射率数据。另外由于干扰等各种原因，气象雷达会收到孤立的降水回波点的反射率数值，进而影响到最终生成的三维回波模型的质量。
利用本发明中的目标时间点的降水回波点的反射率数据可以形成一帧三维回波模型的图像。本发明的方法通常用于形成一个时间段内的动态三维模型。利用这个时间段内的所取的各个时间点（每个时间段内提取时间点的频率可设，例如时间段为6分钟，每10秒采样一次，则时间点为每隔10秒1个）的降水回波点的反射率数据形成连续的多帧三维回波模型的图像，在显示时连续的演示出来，进行成了动态变化的三维回波模型的三维动画。通过动画，可以直观的看到降水回波点的回波点的运动情况。通常，一个时间段为气象雷达获取一次所有方位角和所有仰角的降水回波点的反射率数据的周期（例如6分钟）。
本发明提供构建多层三维雷达回波模型，由于构建的模型是三维的，因而模型中包含了高度信息，且不会损失对应相同地理位置的不同高度的反射率数值。模型包括两层，能够包含两种反射率的降水回波点的分布状况。
实施例2：在第一步中，获取气象雷达在目标时间点所有降水回波点的第一反射率数据，包括以下步骤：
从气象雷达的基数据获取所有回波的反射率数据；
对所有回波的反射率数据进行质量控制，去除孤立的降水回波点的反射率数值和非降水回波点的反射率数值。
其中，孤立的降水回波点，即一个降水回波点一定范围（通常是球形范围，半径可设定）内无其他降水回波点。检测到孤立的降水回波点的原因通常是收到干扰信号，会影响最终形成的模型的质量。
本实施例能够去除非降水回波点的反射率数据以及由于干扰形成的孤立回波点的反射率数据，更准确的获取气象雷达基数据中降水回波点的反射率数据，因而形成的三维回波模型更准确。
第一步的方法获取的第一反射率数据是基于柱坐标系的，不方便用于直观的显示。第二步可以转换坐标系。第二步中将对第一反射率数据进行坐标系转换，形成基于三维地理坐标系（经度坐标、纬度坐标和高度坐标）的第二反射率数据。
第三步的三维格点化，将空间按照一定的分辨率等间距的分为一些格点，然后利用第二反射率数据，利用反距离加权平均的方法，获取每个格点的反射率数值。具体地，以一个格点为球心，一个格点与相邻的格点的距离为半径，做一个球形，获取球内所有的降水回波点的反射率数值，并统计所有降水回波点与这个格点的距离，按照距离为每个降水回波点分配权值，权值的大小与距离的大小成反比。则格点的反射率数值为球空间内，每个降水回波点的反射率数值与这个降水回波点对应的权值相乘，再求和得到的数值。
三维格点的分辨率用户可以设定，当有多个气象雷达组网时，每个气象雷达的反射率数据采用相同的分辨率进行三维格点化，以方便对多个气象雷达的反射率数据进行拼接。
实施例3：上述构建方法，气象雷达的数量为多个，则第三步按照相同的分辨率进行三维格点化，形成多个雷达的第三反射率数据，在第三步之后，第四步之前，还包括以下步骤：
对多组反射率数据进行拼接，对多个雷达的第三反射率数据进行最大化组网拼接，若有重叠的格点，重叠的格点对应多个反射率数值，取其中最大的反射率数值作为重叠的格点的反射率数值。
本发明中的最大化组网拼接的原理是，若一个重叠的格点有多个不同的反射率数值时，采用最大的那个反射率数值作为这个重叠格点的反射率数值。进而将多个雷达收到重叠区域格点的强度数据拼接起来。最大化组网拼接，是一种拼接重叠区域数据方法，本实施例中也可以根据需求使用其他拼接方式。例如用平均值，即取一个重叠点的多个值取平均，作为这个点的拼接值；或者对于重叠区域，采用其中的一个雷达的值作为拼接值。
另外，多个气象雷达组网时，有多个气象雷达的反射率数据，通常要判断同一时段内，是否这些气象雷达的反射率数据没有缺失，若其中一个气象雷达在这个时段内的反射率数据是缺失的，则选取这个气象雷达前一时段的反射率数据用于拼接，若前一时段仍然缺失，则将这个气象雷达从组网中除去。
本实施例提供的方法提供了对多个气象雷达组网的反射率数据进行拼接的方法，能够利用多个气象雷达的反射率数据更准确的拼接形成三维回波模型。
本发明中的第一边界值和第二边界值，是用户可设置的，对应不同的反射率数值，构建的模型的外部轮廓对应的反射率数值即为第一边界值或第二边界值。本发明形成的每层三维模型，均是封闭的，模型内部包含的回波点对应的反射率数值大于模型轮廓对应的反射率数值。例如，对应第一边界值形成第一层三维回波模型内部所有的回波点对应的反射率数值大于第一边界值。实现发明第四步可以利用Marching Cube算法。
第四步的（1）步骤中构建第一边界值的边界立方体，即确定所有包含第一边界值的等值面三角形的三维网格。每个三维网格是由8个顶点组成立方体，若一个三维网格的8个顶点（即格点）中，部分顶点的反射率数值大于第一边界值，部分顶点的反射率数值小于第一边界值，则这个三维网格确定为边界立方体。
第四步的（2）步骤中可以根据边界立方体各个顶点的数值，确定边界立方体中第一边界值的等值面的形状，即基于边界立方体构建等值面网格。下面举例说明获取一个边界立方体中的等值面三角形的方式，如附图2所示，边界立方体由8个顶点（顶点0-7）组成，顶点1,2,3,6反射率数值大于第一边界值a，其余顶点的反射率数值小于第一边界值a；获取反射率数值为第一边界值a的等值面的所有顶点，顶点3反射率数值>第一边界值a，顶点7反射率数值<第一边界值a，取顶点3和和顶点7的中点e11作为反射率数值为第一边界值a的等值面三角形的一个顶点（取顶点的方式除了采用中点的方式，也可以采用根据两个顶点的反射率数值与第一边界值的关系，按照比例插值的方式）。三角形T1-T4互不重叠，为这个边界立方体的第一边界值a的等值面三角形。根据边界立方体八个顶点与第一边界值a的大小关系，可以唯一确定边界立方体中等值面三角形的形状，共有28=256种情况，包含等值面三角形的边界立方体即等值面网格。
第四步的（3）步骤中将步骤（2）中形成的包含等值面三角形的等值面网格拼在一起，所有的等值面三角形能够形成闭合的三维模型，即第一层三维回波模型。通过实施例1中的方法形成的三维回波模型的表面不是平滑的，通过获取模型每个顶点的法向量，可以对三维模型进行平滑化处理。
实施例4：上述构建方法，还包括以下步骤：
第五步，对三维回波模型进行平滑处理，具体步骤包括：
（1）坐标系转换：将基于三维地理坐标系的第二反射率数据，转换成基于WGS84的第四反射率数据；
（2）获取模型顶点法线：获取目标层三维回波模型中每个顶点的所有等值面的面法线，根据每个顶点的所有等值面的面法线获取目标层三维回波模型中每个顶点的顶点法线；
（3）对模型进行平滑处理：通过目标层三维回波模型每个顶点的WGS84坐标和顶点法线，构建带法线的三维雷达回波模型。
本实施例中顶点的一个面法线，即一个顶点与其他两个顶点组成的等值面三角形的面法线。获取一个等值面三角形的面法线的方法是，通过等值面三角形的三个点的坐标计算面法线，并通过保留的点判断法线方向。例如，如附图2所示，三角形T1的位置在体素中是确定的，其法线只有两个方向，只要通过保留一个任意在模型内的顶点（1,2,3,6中的一个，假设是b）就可以计算T1的法线方向，其方向是与向量e3b夹角大于90°的方向。
获取一个顶点在相邻空间（即包含该顶点的四个立方体网格中，包含该顶点的所有等值面的面法线，通过所有等值面的面法线可以获取这个顶点的顶点法线，构建带法线的三维雷达回波模型。
本实施例构建的三维回波模型的外部轮廓更加平滑，能更准确的反映含有特定量的水的回波点的分布情况。
本发明可以构建的三维回波模型可以有三层或更多层，每层对应不同的阈值，构建方法与第四步中（1）~（3）步骤的方法相同。
实施例5：上述构建方法，第四步还包括以下步骤：
（5）构建第三层三维回波模型：利用第四步（1）~（3）步骤的方法，构建第三阈值的第三层三维回波模型。
实际应用时，模型包括多层，用户可以设定层数，以及相邻的两层对应的边界值之间的梯度（二维的雷达回波图中的梯度通常是5dBz），以及某一层对应的边界值（反射率数值）。
本实施例的方法根据需求更灵活的构建多个层次的三维回波模型，能够更精确的反映含水回波点含有水分的准确情况。
基于相同的发明思路，本发明还提供一种构建方法构建的三维气象雷达回波模型的显示方法。
实施例6：如附图3所示，显示模型的方法，包括以下步骤：
第一步，第一层三维回波模型的外部轮廓填充为颜色一；
第二步，第二层三维回波模型的外部轮廓填充为颜色二；
颜色一和颜色二的透明度是可调的。
实际应用中可以将颜色一的透明度与事件绑定，例如用户在操作界面上滑动透明度滑块的事件，或者点击选择颜色的事件，都可以对三维回波模型的颜色的透明度造成影响。
本实施例的方法可以调整两层三维回波模型的外部轮廓的透明度，因而可以透过外层模型看到内层模型。
若模型为多层，可以调整每层模型的外部轮廓的透明度。
实际应用中，可以将每层模型的透明度与事件绑定（例如滑动滑块，点击按钮），用户可以通过操作人机界面上的模块来形成事件（例如滑动滑块，点击按钮）。
针对实际应用，本发明提供一种构建气象雷达组网的三维回波模型的方法。
实施例7，上述显示方法，三维气象雷达回波模型还包括第三层三维回波模型，第三层三维回波模型的外部轮廓填充为颜色三，选择颜色一、颜色二或颜色三中的任一种颜色，则被选中的颜色的透明度变为不透明，未被选中的其他两种颜色的透明度变为全透明。
实施例8，如附图4所示，方法包括以下步骤：
第一步，从基数据中获取多个组网的气象雷达的回波的反射率数据；
第二步，进行质量控制，去除回波的反射率数据中非降水回波点的反射率数据；
第三步，去除多个气象雷达的降水回波点的反射率数据中孤立的反射率数据，获得多个气象雷达的第一反射率数据；
第四步，将基于柱坐标的多个气象雷达的第一反射率数据转换为基于三维地理坐标系的第二反射率数据；
第五步，将多个气象雷达的第二反射率数据按照相同的分辨率进行三维格点化，获取多个气象雷达每个格点的第三反射率数据；
第六步，将多个气象雷达每个格点的第三反射率数据进行最大化拼接，形成每个格点的反射率数据；
第七步，根据每个格点的反射率数据，获取目标边界值的边界立方体；
第八步，基于目标边界值的边界立方体，在目标边界值的边界立方体中确定目标边界值的等值面三角形，获取包含目标边界值的等值面三角形的等值面网格；
第九步，将包含目标边界值的等值面三角形的等值面网格拼接在一起，形成目标层三维回波模型；
第十步，将基于三维地理坐标的目标层三维回波模型，转换为基于WGS84的目标层三维回波模型；
第十一步，获取基于WGS84的目标层三维回波模型每个顶点所处的等值面的面法线；
第十二步，获取基于WGS84的目标层三维回波模型每个顶点的顶点法线；
第十三步，根据基于WGS84的目标层三维回波模型每个顶点的顶点法线，使基于WGS84的目标层三维回波模型平滑化；
第十四步，判断是否根据设定的所有边界值形成了对应的三维回波模型，若是则结束，若否则执行第十五步；
第十五步，目标边界值赋值为未形成模型的边界值中的一个，执行第七步。
以上技术特征构成了本发明的实施例，其具有较强的适应性和实施效果，可根据实际需要增减非必要的技术特征，来满足不同情况的需求。
Claims (5)
1.一种三维气象雷达回波模型的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，获取反射率数据：获取气象雷达在目标时间点所有降水回波点的第一反射率数据；
第二步，坐标系转换：将基于柱坐标系的所述第一反射率数据转换成基于三维地理坐标系的第二反射率数据；
第三步，三维格点化：根据所述第二反射率数据获取每个格点的第三反射率数据，其中在气象雷达的数量为多个时，则按照相同的分辨率进行三维格点化，形成多个雷达的第三反射率数据，对多个气象雷达的第三反射率数据进行最大化组网拼接，若有重叠的格点，所述重叠的格点对应多个第三反射率数据，取其中最大的第三反射率数据作为所述重叠的格点的反射率数值；
第四步，构建两层三维回波模型，具体步骤包括：
（1）构建边界立方体：利用所述每个格点的第三反射率数据确定所有第一边界值的边界立方体；
（2）构建等值面网格：以所述所有第一边界值的边界立方体为标准，构建所有第一边界值的等值面网格；
（3）拼接模型：将所述所有第一边界值的等值面网格拼接在一起，形成第一边界值的第一层三维回波模型；
（4）构建第二层三维回波模型：利用所述第四步（1）~（3）步骤的方法，构建第二边界值的第二层三维回波模型；
第五步，对三维回波模型进行平滑处理，具体步骤包括：
（1）坐标系转换：将基于三维地理坐标系的第二反射率数据，转换成基于WGS84的第四反射率数据；
（2）获取模型顶点法线：获取目标层三维回波模型中每个顶点的所有等值面的面法线，根据所述每个顶点的所有等值面的面法线获取所述目标层三维回波模型中每个顶点的顶点法线；
（3）对模型进行平滑处理：通过所述目标层三维回波模型每个顶点的WGS84坐标和顶点法线，构建带法线的三维回波模型。
2.根据权利要求1所述的三维气象雷达回波模型的构建方法，其特征在于，在所述第一步中，获取气象雷达在目标时间点所有降水回波点的第一反射率数据，包括以下步骤：
从气象雷达的基数据获取所有回波的反射率数据；
对所述所有回波的反射率数据进行质量控制，去除孤立的降水回波点的反射率数值和非降水回波点的反射率数值。
3.根据权利要求1或2所述的三维气象雷达回波模型的构建方法，其特征在于，所述第四步还包括以下步骤：
（5）构建第三层三维回波模型：利用所述第四步（1）~（3）步骤的方法，构建第三边界值的第三层三维回波模型。
4.一种如权利要求1至3中任意一项所述方法构建的三维气象雷达回波模型的显示方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，所述第一层三维回波模型的外部轮廓填充为颜色一；
第二步，所述第二层三维回波模型的外部轮廓填充为颜色二；
所述颜色一和所述颜色二的透明度是可调的。
5.根据权利要求4所述的三维气象雷达回波模型的显示方法，其特征在于，所述三维气象雷达回波模型还包括第三层三维回波模型，所述第三层三维回波模型的外部轮廓填充为颜色三，选择所述颜色一、所述颜色二或所述颜色三中的任一种颜色，则被选中的颜色的透明度变为不透明，未被选中的其他两种颜色的透明度变为全透明。
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