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1、编号：时间：2021年X月X日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第2页共1。页计算机应用论文范文：基于雷达产品基数据的计算机反算技 术研究摘 要： 新一代多普勒天气雷达是日常气象业务预报中不 可或缺的工具。但是，新一代多普勒雷达目前相对来说只覆盖 了全国有代表性的少数大中城市，特别对于西部来说，雷达布 点密度低已经成为影响当地研究和业务工作的一个重要因 素。对于全国大部分地区，由于缺少雷达基数据，只能依靠业 已形成的雷达产品进行业务应用，无法结合当地局地条件进 行相适合的雷达产品开发，这也很大程度限制了雷达应用的 效果。本研究结合数字图像处理技术,对雷达产品的RGB图 进行处理和反算,比较精
2、确的得到了相对于该产品的雷达基 数据。并且开发了反算雷达基数据的业务化平台，对2007年 8月9日11时16分的合肥多普勒雷达强度产品进行反算，得 到了很好的效果。关键词：气象雷达;基数据;数字图像处理;反算引言新一代天气雷达系统建设是我国20世纪末21世纪初的 一项跨世纪的气象现代化工程,具有重大的意义和深远的影 响,多普勒天气雷达对于强天气的探测和预警有着重要的意 义。根据新一代天气雷达的布点原则，在我国沿海和多强降水 地区部署S波段雷达，在我国强对流天气发生频繁和经济比较发达的中部地区，部署C波段雷达，其他地区仅在省会和一 些需要重点监测的大城市部署多普勒雷达。这种布点方式综 合考虑了经
3、济，网点代表性等各方面的因素，使得目前天气雷 达的业务使用效果得到了很好的验证和提高。但是，考虑到网 络传输，信号可靠性和计算机性能等各方面的原因，雷达基数 据的后续处理只是停留在已经建立了雷达站的市一级气象 局,其他各地只能通过已经处理好的雷达产品对当地的气象 状况进行监测和评估，这阻碍了雷达产品开发和应用的局地 化，限制了雷达产品的效率。同样，对于各个高校和研究机构 而言,雷达基数据是进行雷达研究的基础，由于获取雷达基数 据的困难，造成了研究的不方便,在一定程度上妨碍了研究的 进展。目前尚无该方面的行之有效的解决方法。本文结合数 字图像处理技术,对网络上截取的雷达产品生成图进行代数 运算，
4、反算出需要的雷达基数据，利用该基数据可以进行符合 当地条件的二次产品开发，或者利用PUP进行更多种产品的 显示，提高了天气雷达在一些没有雷达站地区的使用效率。1数字图像基础图像时由“照射源”和形成图像的“场景”元素对能量 的反射或者吸收相结合而产生。对于天气雷达系统来说 照射源”是雷达发射的电磁辐射“，场景”元素则是对电磁波 进行反射的气象目标物,天气雷达成像系统获取了场景反射 第3贞共10页编号：时间：2021年X月X日 书山有路勤为径，学海无涯苦作舟 页码：第3页共1。页的能量以后，经过一系列的计算处理,将其映射到图像平面，经 过采样，量化，和数据二次处理后即得到了计算机屏幕上显示 出的雷
5、达产品图像如PPI,RHI,VAD等等。一般来说，数字图像包括二值图,索引图，灰度图和RGB 图四种类型。一般来说，从计算机上看到的雷达产品图像属于 RGB图像。具有R（红色）,G（绿色）,B（蓝色）三个颜色通道，每个 颜色通道的值在0到255之间变化。在雷达产品图中,每个像 素由1 X 3的像素向量来表示,每一列向量分别表示R值,G值 和B值。比如说，对于方位角为30度,距离为100公里的某个 探测单元,假若其强度是5dBZ,则其强度产品图的RGB索引 （根据PUP应该是（15,255,15）,索引坐标和其方位角以及距离 相对应。2雷达产品图的获取和预处理目前全国的雷达站的各种产品图（包括基
6、本反射率，组合 反射率，液态水含量和多普勒速度等）均可以在中国气象局网 站上获取。另外，各个省局或者有雷达站的市局的业务平台也 可以获取该地的常用雷达产品图集。但是,对于其他地方，下 设县局或者高校科研机构来说,只能被动的接受这些雷达产 品，无法进一步进行扩展和开发。为了解决这个问题,需要对 雷达产品成品图进行截取和处理，提取出其中的有效信息，最 大程度上真实的还原出雷达基数据的水平和垂直分布。基于上面的陈述，首先需要截取雷达产品成品图片，目前 可使用的截图工具非常多，包括QQ截图或者抓图猎手等，技 术成熟并且简便易用，普及面广,不需要再进行新的截图工具 的开发。手动截取的雷达产品成品图片一般
7、包括信息显示区, 数据空缺区和基数据分布区三个部分（如图1）。其中,信息显 示区包括了产品种类，探测范围，站点信息，体扫方式,扫描仰 角方位角等信息。数据空缺区主要适用于雷达的扫描特性和 截图大小的不同所造成的。基数据分布区是雷达产品的主要 信息提供区，它可以显示该区域内强度，速度，谱宽和各种二次 产品的图像，该区域是要进行雷达产品基数据反算的重点区 域。要进行基数据的反算，首先需要从截图中提取基数据分布 区。图1雷达产品手动截图示意图基数据分布区有其自身相对于其他区域的特点，其中，最 主要的特点就是基数据分布区中根据距离雷达站中心点距 离的不同分布着若干距离圈，这些距离圈方便了雷达探测区 域
8、内各点距离的判断。距离圈相对于背景或者信息显示区,数据空缺区以及基数据分布区中的其他各个像素点的RGB 值总是存在差异,这也就是提取基数据分布区的基本原理。利用MATLAB为编程工具，实现取得距离圈的RGB值, 可以从任意方向上逼近最外层的距离圈，这也就是基数据能 达到的最远距离。程序设计如下(图2)所示：遢历MIREDCREEKGLUE不符合依- 不一宫阉a卜 不得啥.阈值一符含阈值 I : |提取处理|图2 MATLAB提取雷达产品RGB示意图其中,c和r是截图的像素展宽和展高，符合阈值的RGB 数据分别将存储入R_hongse(i,j),Gvse(i,j),Banse(i,j),其中 分
9、别表示像素点i,j的R,G,B值，另外可设K和M是雷达的探 测距离库数，将首次提取出的数据加上K,M可得扫描半径。 通过以上方法，可以非常准确的截取需要进行基数据反算的 区域基数据分布区。在获取了基数据分布区之后，还需要对“信息显示区”的 强度或者速度显示的彩色阈值的RGB进行提取，本工作可以 利用imread函数完成。imread函数的原型如下：X,map=imread(A)其中,X是像素点色度值分布,m叩是RGB索引,A是获取 的图像句柄。提取了彩色阈值的RGB值之后，便可以根据这 些值，对雷达基数据进行最大程度的还原。3雷达基数据的反算本部分的主要思想是根据在数据预处理中提取的彩色 阈值
10、的RGB值，对位于基数据分布区的各个像素点进行强度 和速度值的还原,在反算成需要最终还原的基数据种类的格 式。以SA资料为例，若地i,j个像素点的RGB值是(140,140,0), 其对应的彩色阈值RGB索引指向的强度为50DBZ,则可判断 地i,j个像素点处的强度值为50DBZo即可以假设，每个回波 点RDataij用i,j,RData和L表示。其中i,j表示该像素点的 平面直角坐标,RData表示该回波点的原始强度,L表示每个回 波点的原始亮度。在按照直角坐标提取了基数据分布区各个点的强度值 以后,对其进行径向投影并且插值，可以得到普遍意义上雷达 基数据储存的格式。另外，在进行了径向投影之
11、后，需要对无 效数据，既大于扫描半径的数据进行提取和去除。通过以上程 序和设计,可以非常方便的将格点分布的数据恢复到极坐标 上并进行存储。以存储为SA格式为例,只需在各径向数据区 前加128个字节的径向头即可，径向头由方位角，仰角等信息 构成。4基数据反算平台的开发基于以上理论和研究，为了业务化和研究的方便，对基数第7页共10页编号：时间：2021年X月X日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟 页码：第9页共10页据反算技术进行了平台开发（如图3）。本平台由MATLAB语 言设计，分为截图导入，数据预处理，参数设置,基数据反算四 个模块组成。并且包括了截图显示和生成基数据二次反演产 品的显示两个附加
12、功能。雷区产品费因段揖质if-m格式数据连度去模相 截回豫索星调整医度去模世数需处遍植块产品皆 住扫塞 仰角图3基数据反演平台模块示例经过本平台进行基数据反演后的XSA格式数据,包括了 仰角，方位角,扫描雷达类型和强度，速度数据等部分。经过后 续处理，可以非常方便的将XSA格式转化为SA,VTB等常用 天气雷达基数据格式，供PUP或者其他二次产品开发平台调 用,丰富了在没有雷达基数据地区雷达产品的种类和应用范 围，具有一定的实用价值。利用基数据反算平台，从苏州移动气象台网站上截取 2007年8月9日11时16分的合肥雷达基本反射率产品截图, 如图5中左图，在进行数据预处理和参数设置后，进行基数
13、据 反算，得到 20070809111601.*XA 数据，其中,200708091116 表 示产品的时间,01表示第一层数据。利用程序读取 20070809111601.*XA并且进行插值显示，可以得到该基数据 显刁二的雷达基本反射率产品图，如图5中右图。图4 2（X）7年X月9日11时16分的合肥雷达基本反射率产品截图和反究后得到基数据的插值显示图分析对比示意图对反算误差进行进一步的分析，利用2007年8月9日11 时16分的合肥雷达站反射率基数据（真值数据）和公开的当时 反射率产品图反算的基数据（反算数据）进行对比，提取方位角 为300度,仰角为0.5度的径向真值数据和反算数据，得到误
14、差 分析图（如图6中左图）。如图易知，真值数据和反算数据具有 较高的近似度，大部分数据的误差在5个DBZ以内;同时，也可 以看出，反算出的数据具有普遍偏大的特点，并且存在少量的 缺失点，这也是本研究需要改进的部分。图5误差分析图（左图为方位角300度，仰角0.5度，右图为方位 角270度仰角1.5度）第8页共10页为了说明误差存在的普遍性，再取270度,仰角为1.5度的编号：时间：2021年X月X日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟 页码：第11页共10页真值数据和反算数据进行对比，得相应的误差图如如图6中 右图所示。从图中可以看出,大部分的数据误差在3个DBZ 之内，同样也存在数据缺失问题，但是
15、，就数据整体而言，这样 的误差实在可接受范围之内的。同样，通过“产品截图显示区”和“生成基数据插值显示 区”两个模块（如图8）可以直观的看出,反算出的基数据生成 的反射率产品与原反射率产品非常的近似，说明了利用反算 出的基数据进行二次产品开发的可行性。5总结本文研究了利用数字图像截取，从雷达产品成品中获取 基数据的技术。雷达基数据反算技术理论上可以通过网站雷 达产品截图获得全国各地，各个时刻的基数据，成功的解决了 目前广泛存在的雷达资料难以获取，很多台站和研究机构无 法根据自身情况进行雷达产品二次开发的的问题。本文作者创新点:本文作者在结合雷达基数据反算技术 的基础上，开发了雷达基数据反算平台
16、,该平台可以快速高效 的对截取的雷达基本反射率和径向速度产品进行基数据反 算，得到精度较高的强度和速度数据，方便于结合各地实际情 况的科学研究和应用开发。参考文献口俞小鼎等,多普勒天气雷达原理与业务应用M.气象出版社.2009.12许小峰。中国新一代多普勒天气雷达网的建设与技术 应用J.中国工程科学,2003,(06).34-373肖艳姣.新一代天气雷达三维组网技术及其应用研究 D.中国博士学位论文全文数据库,2007,(05)4董霖.MATLAB使用详解基础开发及工程应用M. 电子工业出版社2009.1.5805何东健.数字图像处理M.西安电子科技大学出版社20036程玉荣，刘向君,周建平，动态数据表在雷达模拟系统中 的应用J.微计算机信息,2009,10-1:198-2007张培昌等.雷达气象学M.气象出版社2003第8页共10页