一种用于气象学中寻找三体散射的方法

摘要

本发明公开了一种用于气象学中寻找三体散射的方法，所述方法包括以下步骤：从雷达反射率图中寻找反射率值大于等于60dBZ的图像区域，并根据所述图像区域寻找目标区域；对所述目标区域进行图像预处理，得到弱回波区的标记图；对所述标记图进行短三体散射识别；对所述标记图进行长三体散射识别。本方法实现了三体散射自动检测，对灾害进行及时的预警，减少了经济损失和人员伤亡；并通过实验验证了本方法的有效性。

说明书

技术领域

本发明涉及气象学领域，特别涉及一种用于气象学中寻找三体散射的方法。

背景技术

天气雷达是对强对流天气进行监测和预警的主要工具之一。天气雷达发射 脉冲形式的电磁波，当电磁波遇到降水物质（雪花、雨滴和冰雹等），大部分 能量继续前进，而有一小部分能量被降水物质向四面八方散射，向后散射的能 量被雷达接收。1987年Zrnic发现三体散射的气象现象，并命名为“三体散射” （TBSS），根据Zrnic的理论，1）雷达发出的波被强冰雹类降水物质强烈的向 下散射到地面；2）散射到地面的波又被地面散射向原来的降水物质；3）最后， 波又返回雷达。

设雷达发射的电磁波在A点遇到强冰雹，如图1所示，此后，电磁波的大 部分能量继续向前传输，剩余部分向周围散射，其中，散射波的一小部分返回 雷达，以示探测到目标A，另有一部分散射向地面，再形成返回波反射回冰雹A， 返回波的部分能量被A吸收，另有一部分向雷达继续行进。容易看出，当冰雹 A的强度很大时，源于冰雹A的散射波到达地面的路径越长，回到冰雹A的波 的能量就越弱，设只有落到图1中以BC（或BD）为半径的圆形区域内的返回 波剩余能量才能够支撑该波行进至雷达，这时，雷达会将这部分途径地面的返 回波信号误读为在沿电磁波发出方向且远离冰雹一定距离连续存在着弱的回波 E、F、G，而该距离理论上大于等于A到地面距离，即 AF=h,AG=AC=AD>AF,h=R×sinα，从而在FG范围内出现窄带弱回波图像。

廖玉芳，俞小鼎[1]对中国11个强对流事件中出现的23个强风暴产生的三 体散射现象进行了统计，发现每一个强风暴都产生了直径在2cm以上的强冰雹， 其中有4个强风暴产生了直径为10cm以上的冰雹。也就是说，如果S波段新一 代天气雷达产生三体散射现象，则强冰雹的可能性几乎是100%，同时大多伴随 地面灾害性大风。在湖南北部的统计表明，80%左右的2cm以上直径冰雹都出 现了三体散射。又由于TBSS的持续时间多为30-60min之间，并且地面降雹的 时间滞后于三体散射出现的时间，所以三体散射可作为强有力的冰雹预警指标， 不仅如此，D.S.ZRNIC[2]证明了三体散射还与冰雹大小有关系，这样，三体散 射对于短时冰雹预警起到至关重要的作用。然而美国和我国新一代天气雷达强 冰雹算法是检验50dBz的强反射率因子有没有扩展到-20℃层所在高度以上，命 中率仅为70%，虚报率为49%。对湖南北部数据进行统计，在2002年到2005 年间共19个雹暴中，有16次三体散射，占84%，

发明人在实现本发明的过程中，发现现有技术中至少存在以下缺点和不足：

国内外目前还没有自动检测三体散射的方法，又由于三体散射可能出现在 各个仰角中，人为观测费时费力，会影响到预报的时效性；且不能对冰雹灾害 进行及时预警，造成经济损失和人员伤亡。

发明内容

本发明提供了一种用于气象学中寻找三体散射的方法，本方法能自动检测 出三体散射，对灾害进行及时的预警，减少经济损失和人员伤亡，详见下文描 述：

一种用于气象学中寻找三体散射的方法，所述方法包括以下步骤：

（1）从雷达反射率图中寻找反射率值大于等于60dBZ的图像区域，并根据 所述图像区域寻找目标区域；

（2）对所述目标区域进行图像预处理，得到弱回波区的标记图；

（3）对所述标记图进行短三体散射识别；

（4）对所述标记图进行长三体散射识别。

所述根据所述图像区域寻找目标区域的步骤具体为：

将所述雷达反射率图的中心作为探测中心，将所述探测中心到所述图像区 域的几何中心的射线为角平分线，做张开30°角的两条射线，定义所述探测中心 到所述图像区域的几何中心的距离为半径r，几何中心到地面的距离为h， h=r×sinα，以r+h作为第一距离，第一距离加20为第二距离，α为所述雷达反射 率图的仰角；以所述探测中心为中心，分别以所述第一距离和所述第二距离为 半径画圆，将两条射线与两圆相交的扇形区域作为所述目标区域。

所述对所述目标区域进行图像预处理，得到弱回波区的标记图的步骤具体 为：

1）做所述目标区域的外接矩形，对所述外接矩形进行图像预处理；

2）以所述雷达反射率图的正东方向为角平分线，以所述探测中心为顶点， 做45夹角，将夹角所在区域作为第0等分区域，以所述第0等分区域为基准沿 逆时针方向将雷达反射率图8等分，依次标记为第1至第7等分区域，记录所 述目标区域所在等分区域的编号。

所述对所述外接矩形进行图像预处理的步骤具体为：

在所述目标区域中将0到25dBZ的区域标记为白色，对应值为1；剩余的 为背景，标记为黑色，对应值为0，得到所述标记图。

所述对所述标记图进行短三体散射识别的步骤具体为：

1）对每个等分区域设置一个模板，获取模板函数；

2）把每个所述模板函数代入所述标记图，获取图像函数Q(x,y)，若所述图 像函数Q(x,y)中存在大于阈值29的点，则存在三体散射。

所述对所述标记图进行长三体散射识别的步骤具体为：

对所述标记图提取出边缘线，对所述边缘线进行八个方向上的链码提取， 每个方向对应一个等分区域，若所述图像区域的几何中心在第N等分区域，则 主方向为第N方向，反方向为所述主方向相对的方向；当所述主方向和所述反 方向上的编码总数与总码数的比值大于阈值时，所述标记图中存在三体散射。

本发明提供的技术方案的有益效果是：本方法通过对标记图进行短三体散 射和长三体散射的识别，得到三体散射，实现了三体散射自动检测，对灾害进 行及时的预警，减少了经济损失和人员伤亡；并通过实验验证了本方法的有效 性。

附图说明

图1为三体散射形成原理示意图；

图2为目标区域示意图；

图3为本发明提供的8等分区域示意图；

图4为本发明提供的一种用于气象学中寻找三体散射的方法的流程图；

图5为实验效果图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明 实施方式作进一步地详细描述。

为了能自动检测出三体散射，对灾害进行及时的预警，减少经济损失和人 员伤亡，本发明实施例提供了一种用于气象学中寻找三体散射的方法，参见图4， 详见下文描述：

101：从雷达反射率图中寻找反射率值大于等于60dBZ的图像区域，并根据 图像区域寻找目标区域；

其中，寻找目标区域的方法如下：从雷达反射率图中寻找反射率值大于等 于60dBZ的图像区域，将雷达反射率图的中心作为探测中心，将探测中心到图 像区域的几何中心的射线为角平分线，做张开30°角的两条射线，参见图2， 定义探测中心到图像区域的几何中心的距离为半径r，几何中心到地面的距离为 h，h=r×sinα，以r+h作为第一距离，第一距离加20为第二距离，α为雷达反射 率图的仰角；以探测中心为中心，分别以第一距离和第二距离为半径画圆，将 两条射线与两圆相交的扇形区域作为目标区域。

102：对目标区域进行图像预处理，得到弱回波区的标记图；

其中，该步骤具体为：

1）做目标区域的外接矩形，对外接矩形进行图像预处理；

即在目标区域中将0到25dBZ（弱回波）的区域标记为白色，对应值为1； 剩余的为背景，标记为黑色，对应值为0，得到标记图；定义标记图函数为f(x,y)， x和y分别为像素点的行数和列数，f的取值为0或1。

2）以雷达反射率图的正东方向为角平分线，以探测中心为顶点，做45夹 角，将夹角所在区域作为第0等分区域，以第0等分区域为基准沿逆时针方向 将雷达反射率图8等分，依次标记为第1至第7等分区域，如图3所示，记录 目标区域所在等分区域的编号。

103：对标记图进行短三体散射识别；

其中，该步骤具体为：

1）对每个等分区域设置一个模板，获取模板函数；

对每个等分区域设置一个模板，定义模板函数g(i,j)，i,j分别为行数和列数， 取值为0-6。第0和第1等分区域的模板如表1和表2所示，其他等分区域按此 模板进行旋转，第2、4、6等分区域的模板分别以第0等分区域的模板为基准 逆时针旋转90°、180°、270°；第3、5、7等分区域的模板分别以第1等分区域 的模板为基准逆时针旋转90°、180°、270°。

表1

0.5 0.5 -1 -1 -1 -1 -1 1 1 1 0.5 0.5 -1 -1 1 1 1 1 1 1 0.5 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0.5 1 1 1 0.5 0.5 -1 -1 0.5 0.5 -1 -1 -1 -1 -1

表2

-1 -1 -1 -1 -1 0.5 1 -1 -1 0.5 0.5 1 1 0.5 0.5 0.5 1 1 1 1 -1 1 1 1 1 1 0.5 -1 1 1 1 1 1 0.5 -1 1 1 1 1 0.5 -1 -1 1 1 1 1 0.5 -1 -1

2）把每个模板函数代入标记图，获取图像函 数Q(x,y)，若Q(x,y)中存在大于阈值29的点，则存在三体散射。

104：对标记图进行长三体散射识别。

首先对标记图提取出边缘线，然后对边缘线进行八个方向上的链码[3]提取， 每个方向对应一个等分区域，若图像区域的几何中心在第N等分区域，则主方 向为第N方向，反方向为主方向相对的方向；当主方向和反方向上的编码总数 与总码数（八个方向上的编码总数）的比值大于阈值时，则说明这个边界图像 是沿主方向生长的，则标记图中存在三体散射。

例如：如果目标区域位于第0方向（主方向），那么要求第0方向和第4 方向（反方向）的编码和与编码总数的比大于阈值，阈值取值为1/3。则说明这 个边界图像是沿主方向生长的，则标记图中存在三体散射。

下面以具体的实验来验证本发明实施例提供的一种用于气象学中寻找三体 散射的方法的可行性，参见图5，详见下文描述：

对广东、江西、天津共144幅含有三体散射的反射率图进行了测试。在144 个实例中，包含“长三体散射”27幅图，占18.75%，“短三体散射”共117幅 图，占81.25%。144张图中检出三体散射共133幅图，检出率为92.36%。又对 天津200张不含三体散射的反射率图进行了测试，有两张误检为三体散射，误 检率为1%。图5展示了实验效果图，其中可见中间云单体的左上角出现三体散 射，并被方框圈住检测出来的三体散射区域。

参考文献

[1]廖玉芳,俞小鼎,吴林林,何彩芬,尹忠海.强雹暴雷达三体散射统计与个例 分析[J].高原气象,2007,26(4):812-820.

[2]D,S,Zrnic,G,Zhang.Three-Body Scattering and Hail Size[J].JOURNAL OF  APPLIED METEOROLOGY AND CLIMATOLOGY,2010,49:687-700.

[3]冈萨雷斯.数字图像处理[M].2.北京:电子工业出版社,2003:522-524.

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。