[发明专利]热带气旋中心定位的红外亮温偏差角梯度分布均匀性方法

说明书

本发明利用红外亮温偏差角梯度分布均匀性定位热带气旋中心位置。首先，从红外卫星云图中截取感兴区域，并分别进行Bezier直方图分割和K均值聚类分割得到热带气旋主体云系二值图像和红外亮温变化剧烈位置二值图像。将上述两幅二值图像相乘得到热带气旋主体云系红外亮温变化剧烈位置的二值图像。然后，对得到的二值图像进行Hough变换检测圆以减小热带气旋中心的搜索范围。最后，以检测区域内每个像素点为参考中心计算得到偏差角梯度分布均匀性矩阵，偏差角梯度分布均匀性矩阵中值最大的位置为热带气旋中心位置。实验表明，该方法对有眼和无眼热带气旋的中心定位都取得了令人满意的结果。

技术领域

本发明属于图像处理技术及气象灾害监测领域。具体来说，涉及一种以定位出红外卫星云图的热带气旋中心位置为目的的基于红外亮温偏差角梯度分布均匀性定位方法。

背景技术

热带气旋(Tropical cyclone,TC)具有突发性强、破坏力大的特点,是世界上最严重的气象灾害之一,给沿海一带造成严重的人员伤亡和经济损失。确定热带气旋中心位置对热带气旋预报至关重要，但是目前主要的定位方法除少数客观定位方法外，绝大多数是通过卫星和气象雷达进行人工或半自动定位。因为红外静止卫星图像有较高的时间分辨率，因而目前被较多用于定位热带气旋的中心位置。

目前对热带气旋中心客观定位的方法主要包括风场分析、模式匹配、通过相关跟踪雷达回波(TREC)算法和云自动跟踪技术。有学者利用静止红外卫星图像提取TC的螺旋特征并用螺旋线拟合的方法定TC中心。还有学者利用梯度矢量流(Gradient Vector Flow-GVF)Snake模型提取TC的轮廓，并结合距离信息确定TC的中心位置。有学者提出了一种运动场结构分析方法，通过使用多普勒雷达数据来修正TC的中心。也有用非线性螺旋线拟合螺旋雨带的方法用于定位TC中心。

此外，还可以借助被动微波辐射观测专用传感器微波成像仪/探测器(SSMIS)监测TC结构并辅助用于定位TC中心位置。也有学者利用红外静止卫星图像中每个像素点的梯度信息来定位TC中心。还有学者提出了一种基于显著区域的半自动中心位置方法检测和模式匹配算法。Qing Xu等人在2016年提出了基于合成孔径雷达图像一种自动方法来确定热带气旋的中心。Oscar G.Rodríguez-Herrera等人在2015年提出一种基于形状分析的客观自动定位方法，其中使用了偏差角方差信息。近年来还有学者提出使用形态学算子来分析和提取TC眼睛覆盖的区域，以确定TC眼的相对中心，然后得出最可能的路径。上述方法在某些情况下可以起到不错的定位效果，但是都有其不足之处。如有的方法比较适合于定位有眼TC的中心位置，而对无眼TC的效果一般。用模式匹配来定位TC的中心的算法会在TC强度较小外部轮廓不明显时定位结果会有较大的偏差。与中国气象局(CMA)、日本气象厅(JMA)和美国联合台风警报中心(JTWC)的定位结果相比，本发明提出的方法对有眼和无眼TC都有较好的定位效果，并且在TC强度较小外部轮廓不明显时定位结果的偏差仍然在可接受的范围内。

发明内容

为了对红外卫星云图的热带气旋中心位置进行定位，本发明设计了一种基于偏差角梯度分布均匀性(DAGDU，Deviation Angle gradient distribution uniformity)的热带气旋中心定位方法。将热带气旋中心定位任务分成三步：第一步卫星云图在不同尺度下分别进行Bezier直方图分割(获得的二值图像称为A)和K均值聚类分割(获得的二值图像称为B)并将二幅二值图像进行与运算得到热带气旋主体云系亮温变化剧烈位置的二值图像并命名为二值图像C；第二步对上一步得到的二值图像C进行Hough变换得到检测区域；第三步检测区域以每个像素点为参考中心计算得到DAGDU矩阵，而矩阵中值最大的位置为热带气旋中心。实验表明，这种热带气旋中心定位方法有较好的定位效果。该方法包括：

对卫星云图中的包含热带气旋的目标区域分别进行Bezier直方图分割和K均值聚类分割，分割出热带气旋主体云系的位置和热带气旋中亮温变化剧烈的位置，将上述两幅图像进行与运算得到二值图像C；

对二值图像C进行Hough变换得到检测区域；