1、 雷達攝影影測量論論文雷達達信號處處理論文文雷達技技術論文文雷達應應用論文文基于雷達達產品基基數據的的計算機機反算技技術研究究摘要:新新一代多多普勒天天氣雷達達是日常常氣象業(yè)業(yè)務預報報中不可可或缺的的工具。但是,新一代代多普勒勒雷達目目前相對對來說只只覆蓋了了全國有有代表性性的少數數大中城城市,特特別對于于西部來來說,雷雷達布點點密度低低已經成成為影響響當地研研究和業(yè)業(yè)務工作作的一個個重要因因素。對對于全國國大部分分地區(qū),由于缺缺少雷達達基數據據,只能能依靠業(yè)業(yè)已形成成的雷達達產品進進行業(yè)務務應用,無法結結合當地地局地條條件進行行相適合合的雷達達產品開開發(fā),這這也很大大程度限限制了雷雷達應用用

2、的效果果。本研研究結合合數字圖圖像處理理技術,對雷達達產品的的RGBB圖進行行處理和和反算,比較精精確的得得到了相相對于該該產品的的雷達基基數據。并且開開發(fā)了反反算雷達達基數據據的業(yè)務務化平臺臺,對220077年8月月9日111時116分的的合肥多多普勒雷雷達強度度產品進進行反算算,得到到了很好好的效果果。關鍵詞:氣象雷雷達;基基數據;數字圖圖像處理理;反算算引言新一代天天氣雷達達系統建建設是我我國200世紀末末21世世紀初的的一項跨跨世紀的的氣象現現代化工工程,具具有重大大的意義義和深遠遠的影響響,多普普勒天氣氣雷達對對于強天天氣的探探測和預預警有著著重要的的意義。根據新新一代天天氣雷達達的

3、布點點原則,在我國國沿海和和多強降降水地區(qū)區(qū)部署SS波段雷雷達,在在我國強強對流天天氣發(fā)生生頻繁和和經濟比比較發(fā)達達的中部部地區(qū),部署CC波段雷雷達,其其他地區(qū)區(qū)僅在省省會和一一些需要要重點監(jiān)監(jiān)測的大大城市部部署多普普勒雷達達。這種種布點方方式綜合合考慮了了經濟,網點代代表性等等各方面面的因素素,使得得目前天天氣雷達達的業(yè)務務使用效效果得到到了很好好的驗證證和提高高。但是是,考慮慮到網絡絡傳輸,信號可可靠性和和計算機機性能等等各方面面的原因因,雷達達基數據據的后續(xù)續(xù)處理只只是停留留在已經經建立了了雷達站站的市一一級氣象象局,其其他各地地只能通通過已經經處理好好的雷達達產品對對當地的的氣象狀狀況

4、進行行監(jiān)測和和評估,這阻礙礙了雷達達產品開開發(fā)和應應用的局局地化,限制了了雷達產產品的效效率。同同樣,對對于各個個高校和和研究機機構而言言,雷達達基數據據是進行行雷達研研究的基基礎,由由于獲取取雷達基基數據的的困難,造成了了研究的的不方便便,在一一定程度度上妨礙礙了研究究的進展展。目前前尚無該該方面的的行之有有效的解解決方法法。本文文結合數數字圖像像處理技技術,對對網絡上上截取的的雷達產產品生成成圖進行行代數運運算,反反算出需需要的雷雷達基數數據,利利用該基基數據可可以進行行符合當當地條件件的二次次產品開開發(fā),或或者利用用PUPP進行更更多種產產品的顯顯示,提提高了天天氣雷達達在一些些沒有雷雷

5、達站地地區(qū)的使使用效率率。1數字圖圖像基礎礎圖像時由由“照射源源”和形成成圖像的的“場景”元素對對能量的的反射或或者吸收收相結合合而產生生。對于于天氣雷雷達系統統來說“,照射射源”是雷達達發(fā)射的的電磁輻輻射“,場景景”元素則則是對電電磁波進進行反射射的氣象象目標物物,天氣氣雷達成成像系統統獲取了了場景反反射的能能量以后后,經過過一系列列的計算算處理,將其映映射到圖圖像平面面,經過過采樣,量化,和數據據二次處處理后即即得到了了計算機機屏幕上上顯示出出的雷達達產品圖圖像如PPPI,RHII,VAAD等等等。一般來說說,數字字圖像包包括二值值圖,索索引圖,灰度圖圖和RGGB圖四四種類型型。一般般來說

6、,從計算算機上看看到的雷雷達產品品圖像屬屬于RGGB圖像像。具有有R(紅紅色),G(綠綠色),B(藍藍色)三三個顏色色通道,每個顏顏色通道道的值在在0到2255之之間變化化。在雷雷達產品品圖中,每個像像素由113的像像素向量量來表示示,每一一列向量量分別表表示R值值,G值值和B值值。比如如說,對對于方位位角為330度,距離為為1000公里的的某個探探測單元元,假若若其強度度是5ddBZ,則其強強度產品品圖的RRGB索索引(根根據PUUP應該該是(115,2255,15),索引引坐標和和其方位位角以及及距離相相對應。2雷達產產品圖的的獲取和和預處理理目前全國國的雷達達站的各各種產品品圖(包包括基

7、本本反射率率,組合合反射率率,液態(tài)態(tài)水含量量和多普普勒速度度等)均均可以在在中國氣氣象局網網站上獲獲取。另另外,各各個省局局或者有有雷達站站的市局局的業(yè)務務平臺也也可以獲獲取該地地的常用用雷達產產品圖集集。但是是,對于于其他地地方,下下設縣局局或者高高?？蒲醒袡C構來來說,只只能被動動的接受受這些雷雷達產品品,無法法進一步步進行擴擴展和開開發(fā)。為為了解決決這個問問題,需需要對雷雷達產品品成品圖圖進行截截取和處處理,提提取出其其中的有有效信息息,最大大程度上上真實的的還原出出雷達基基數據的的水平和和垂直分分布?；谏厦婷娴年愂鍪?首先先需要截截取雷達達產品成成品圖片片,目前前可使用用的截圖圖工具非

8、非常多,包括QQQ截圖圖或者抓抓圖獵手手等,技技術成熟熟并且簡簡便易用用,普及及面廣,不需要要再進行行新的截截圖工具具的開發(fā)發(fā)。手動動截取的的雷達產產品成品品圖片一一般包括括信息顯顯示區(qū),數據空空缺區(qū)和和基數據據分布區(qū)區(qū)三個部部分(如如圖1)。其中中,信息息顯示區(qū)區(qū)包括了了產品種種類,探探測范圍圍,站點點信息,體掃方方式,掃掃描仰角角方位角角等信息息。數據據空缺區(qū)區(qū)主要適適用于雷雷達的掃掃描特性性和截圖圖大小的的不同所所造成的的?；鶖禂祿植疾紖^(qū)是雷雷達產品品的主要要信息提提供區(qū),它可以以顯示該該區(qū)域內內強度,速度,譜寬和和各種二二次產品品的圖像像,該區(qū)區(qū)域是要要進行雷雷達產品品基數據據反算的

9、的重點區(qū)區(qū)域。要要進行基基數據的的反算,首先需需要從截截圖中提提取基數數據分布布區(qū)?；鶖祿址植紖^(qū)有有其自身身相對于于其他區(qū)區(qū)域的特特點,其其中,最最主要的的特點就就是基數數據分布布區(qū)中根根據距離離雷達站站中心點點距離的的不同分分布著若若干距離離圈,這這些距離離圈方便便了雷達達探測區(qū)區(qū)域內各各點距離離的判斷斷。距離離圈相對對于背景景或者信信息顯示示區(qū),數數據空缺缺區(qū)以及及基數據據分布區(qū)區(qū)中的其其他各個個像素點點的RGGB值總總是存在在差異,這也就就是提取取基數據據分布區(qū)區(qū)的基本本原理。利用MAATLAAB為編編程工具具,實現現取得距距離圈的的RGBB值,可可以從任任意方向向上逼近近最外層層的距

10、離離圈,這這也就是是基數據據能達到到的最遠遠距離。程序設設計如下下(圖22)所示示:其中,cc和r是是截圖的的像素展展寬和展展高,符符合閾值值的RGGB數據據分別將將存儲入入R_hhonggse(i,jj),GG_lvvse(i,jj),BB_laansee(i,j),其中分分別表示示像素點點i,jj的R,G,BB值,另另外可設設K和MM是雷達達的探測測距離庫庫數,將將首次提提取出的的數據加加上K,M可得得掃描半半徑。通通過以上上方法,可以非非常準確確的截取取需要進進行基數數據反算算的區(qū)域域基數數據分布布區(qū)。在獲取了了基數據據分布區(qū)區(qū)之后,還需要要對“信息顯顯示區(qū)”的強度度或者速速度顯示示的彩

11、色色閾值的的RGBB進行提提取,本本工作可可以利用用imrreadd函數完完成。iimreead函函數的原原型如下下:X,mmap=immreaad(AA)其中,XX是像素素點色度度值分布布,maap是RRGB索索引,AA是獲取取的圖像像句柄。提取了了彩色閾閾值的RRGB值值之后,便可以以根據這這些值,對雷達達基數據據進行最最大程度度的還原原。3雷達基基數據的的反算本部分的的主要思思想是根根據在數數據預處處理中提提取的彩彩色閾值值的RGGB值,對位于于基數據據分布區(qū)區(qū)的各個個像素點點進行強強度和速速度值的的還原,在反算算成需要要最終還還原的基基數據種種類的格格式。以以SA資資料為例例,若地地i

12、,jj個像素素點的RRGB值值是(1140,1400,0),其對對應的彩彩色閾值值RGBB索引指指向的強強度為550DBBZ,則則可判斷斷地i,j個像像素點處處的強度度值為550DBBZ。即即可以假假設,每每個回波波點RDDataaij用i,j,RRDatta和LL表示。其中ii,j表表示該像像素點的的平面直直角坐標標,RDDataa表示該該回波點點的原始始強度,L表示示每個回回波點的的原始亮亮度。在按照直直角坐標標提取了了基數據據分布區(qū)區(qū)各個點點的強度度值以后后,對其其進行徑徑向投影影并且插插值,可可以得到到普遍意意義上雷雷達基數數據儲存存的格式式。另外外,在進進行了徑徑向投影影之后,需要對

13、對無效數數據,既既大于掃掃描半徑徑的數據據進行提提取和去去除。通通過以上上程序和和設計,可以非非常方便便的將格格點分布布的數據據恢復到到極坐標標上并進進行存儲儲。以存存儲為SSA格式式為例,只需在在各徑向向數據區(qū)區(qū)前加1128個個字節(jié)的的徑向頭頭即可,徑向頭頭由方位位角,仰仰角等信信息構成成。4基數據據反算平平臺的開開發(fā)基于以上上理論和和研究,為了業(yè)業(yè)務化和和研究的的方便,對基數數據反算算技術進進行了平平臺開發(fā)發(fā)(如圖圖3)。本平臺臺由MAATLAAB語言言設計,分為截截圖導入入,數據據預處理理,參數數設置,基數據據反算四四個模塊塊組成。并且包包括了截截圖顯示示和生成成基數據據二次反反演產品品

14、的顯示示兩個附附加功能能。經過本平平臺進行行基數據據反演后后的XSSA格式式數據,包括了了仰角,方位角角,掃描描雷達類類型和強強度,速速度數據據等部分分。經過過后續(xù)處處理,可可以非常常方便的的將XSSA格式式轉化為為SA,VTBB等常用用天氣雷雷達基數數據格式式,供PPUP或或者其他他二次產產品開發(fā)發(fā)平臺調調用,豐豐富了在在沒有雷雷達基數數據地區(qū)區(qū)雷達產產品的種種類和應應用范圍圍,具有有一定的的實用價價值。利用基數數據反算算平臺,從蘇州州移動氣氣象臺網網站上截截取20007年年8月99日111時166分的合合肥雷達達基本反反射率產產品截圖圖,如圖圖5中左左圖,在在進行數數據預處處理和參參數設置

15、置后,進進行基數數據反算算,得到到200070880911116601.*XAA數據,其中,2000708809111166表示產產品的時時間,001表示示第一層層數據。利用程程序讀取取200070880911116601.*XAA并且進進行插值值顯示,可以得得到該基基數據顯顯示的雷雷達基本本反射率率產品圖圖,如圖圖5中右右圖。對反算誤誤差進行行進一步步的分析析,利用用20007年88月9日日11時時16分分的合肥肥雷達站站反射率率基數據據(真值值數據)和公開開的當時時反射率率產品圖圖反算的的基數據據(反算算數據)進行對對比,提提取方位位角為3300度度,仰角角為0.5度的的徑向真真值數據據和

16、反算算數據,得到誤誤差分析析圖(如如圖6中中左圖)。如圖圖易知,真值數數據和反反算數據據具有較較高的近近似度,大部分分數據的的誤差在在5個DDBZ以以內;同同時,也也可以看看出,反反算出的的數據具具有普遍遍偏大的的特點,并且存存在少量量的缺失失點,這這也是本本研究需需要改進進的部分分。為了說明明誤差存存在的普普遍性,再取2270度度,仰角角為1.5度的的真值數數據和反反算數據據進行對對比,得得相應的的誤差圖圖如如圖圖6中右右圖所示示。從圖圖中可以以看出,大部分分的數據據誤差在在3個DDBZ之之內,同同樣也存存在數據據缺失問問題,但但是,就就數據整整體而言言,這樣樣的誤差差實在可可接受范范圍之內

17、內的。同樣,通通過“產品截截圖顯示示區(qū)”和“生成基基數據插插值顯示示區(qū)”兩個模模塊(如如圖8)可以直直觀的看看出,反反算出的的基數據據生成的的反射率率產品與與原反射射率產品品非常的的近似,說明了了利用反反算出的的基數據據進行二二次產品品開發(fā)的的可行性性。5總結本文研究究了利用用數字圖圖像截取取,從雷雷達產品品成品中中獲取基基數據的的技術。雷達基基數據反反算技術術理論上上可以通通過網站站雷達產產品截圖圖獲得全全國各地地,各個個時刻的的基數據據,成功功的解決決了目前前廣泛存存在的雷雷達資料料難以獲獲取,很很多臺站站和研究究機構無無法根據據自身情情況進行行雷達產產品二次次開發(fā)的的的問題題。本文作者者創(chuàng)新點點:本文文作者在在結合雷雷達基數數據反算算技術的的基礎上上,開發(fā)發(fā)了雷達達基數據據反算平平臺,該該平臺可可以快速速高效的的對截取取的雷達達基本反反射率和和徑向速速度產品品進行基基數據反反算,得得到精度度較高的的強度和和速度數數據,方方便于結結合各地地實際情情況的科科學研究究和應用用開發(fā)。參考文獻獻1俞俞小鼎等等.多普普勒天氣氣雷達原原理與業(yè)業(yè)務應用用M.氣象象出版社社.20009.12許許小峰。中國新新一代多多普勒天天氣雷達達網的建建設與技技術應用用