[发明专利]基于气象雷达基数据三维重构方法

说明书

技术领域

本发明涉及气象领域，根据气象雷达获得的基数据进行三维重构，具体讲，涉及基于气象雷达基数据三维重构方法。

背景技术

气象预报一直都是一项关乎民生、民计的重要工作。多年来，许多相关科技人员都致力于气象领域的研究，希望能够帮助预报员对天气尤其是对强对流天气做出准确、及时的预报，降低自然灾害所造成的损失。目前，所有气象领域的研究工作大多在二维空间中进行，缺乏直观性，可视化程度低。为此，本发明致力于三维空间的建模研究。

对于计算机可视化技术，因其可以把通过数据采集获得的大量数据或无法直接方便观察的数据，转换为人更容易理解和接受的视觉图像。可视化技术在很多领域都得到了广泛的应用，但是，国内外研发的可视化系统软件大都是基于二维图像显示的，随着科学技术的发展，这些已不能满足人们科研和工作的需要。因此，三维可视化技术必将成为可视化领域的主流。在天气预报方面，人们对能够及时、准确掌握天气的现状和变化趋势方面的需求越来越大，由此研究人员开始广泛的借助计算机进行数值天气预报，所以在此基础上迫切需要建立与之配套的气象可视化系统。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足，提高气象数据直观性，通过一定的三维可视化算法借助二维图像信息重现单体的内部结构，使其立体化，最大限度地挖掘气象雷达基数据的潜在信息，从而为气象科学研究工作提供一种更直观的数据显示方式以及相关的气象特征。为达到上述目的，本发明采取的技术方案是，基于气象雷达基数据三维重构方法，包括如下步骤：

1)断层轮廓线的提取和采样，包括对图像进行二值化处理、开运算进行边界平滑、区域标记去除微小面积、边界跟踪进行边界提取和弦采样进行边界采样；

2)单体的三维建模，包括断层间轮廓的对应、断层间轮廓拼接、断层间插值和分叉处理；

3)基于OpenGL的三维渲染和显示，包括三角片面的绘制、光照和颜色的设定、坐标变换和利用颜色混合进行透明显示。

断层轮廓线的提取和采样是：首先，提取出选定区域在9个仰角下所对应的断层图像的轮廓线；其次，对所得轮廓线标号并采样，整个过程的步骤细化如下：

步骤一将选定区域的某反射率强度值作为阈值，采用阈值为20dBZ，对选定的区域进行二值化处理；

步骤二利用数学形态学里的开运算对二值化后的图像进行平滑去噪，使用开运算即先腐蚀后膨胀，进行图像平滑去噪；

步骤三利用区域标记法，去掉面积小于一定阈值的区域；

步骤四利用边界跟踪算法，进行轮廓线提取，并标号存储；

步骤五利用弦采样算法，对提取的轮廓线进行采样、标号和存储。

断层轮廓线的拼接是，先通过两相邻轮廓线长轴找初始对应点，并通过两长轴的空间夹角进行微调，再利用拼接算法进行相邻断层轮廓线的拼接，其中

A各断层初始对应点选取，具体操作步骤如下：

1)在每条轮廓线上，找出距离最大的两个点的连线作为长轴；

2)从低仰角到高仰角依次计算两相邻断层轮廓线长轴的空间夹角，如果夹角小于给定阈值，则选择长轴的两个端点作为轮廓拼接的待选初始点；如果夹角大于给定阈值则进行微调，即在较高仰角的轮廓线上，将每个点和与其对应的距离最大的点凑成点对，并连接两个点形成一条线段，然后在这些线段里找出与其相邻低仰角的轮廓线长轴的夹角小于给定阈值的线段作为该轮廓线的长轴，此长轴的两个端点即为微调后的轮廓拼接待选初始点；

3)选取最低仰角断层的待选初始点中任一点作为初始点，其后每一断层均从其相邻断层轮廓线待选初始点中选取与初始点所对应的点作为初始对应点。

B断层轮廓线对应点的寻找与连接

从两相邻断层轮廓线上的初始对应点开始，依次找到后续对应点对，并按照拓扑一致性的原则连接成一系列三角形面片模拟表面，具体操作步骤：

1)连接两断层轮廓线初始对应点，依次沿轮廓线寻找下一个对应点对；

2)判断此时对应点对的连线的斜率与空间Z轴的空间夹角是否小于给定阈值，如果小于给定阈值，则判定为对应点对；如果大于给定阈值则进行插值，先连接P₁P₂，其与Z轴的空间夹角大于给定阈值，则在P₃P₂中选择一点P₄，满足P₁P₄与Z轴的空间夹角小于给定阈值，此时P₁、P₄为对应点对；同理继续寻找下一对应点对；