[发明专利]一种强风暴结构特征的三维显示方法

摘要

本发明公开了一种强风暴结构特征的三维显示方法，包括以下步骤：①雷达数据预处理；②强风暴区域识别；③计算识别出的强风暴区域内的雷达水平反射率梯度分布,依据梯度的变化特征自适应地抽取强风暴内包括短时强降水、雷雨大风和冰雹类型的特征区域的边界阀值；④强风暴结构特征的三维显示，特点是通过计算抽取各种类型的特征区域的边界阈值，可以自适应识别出强风暴的区域，并进而根据上述的边界阈值自动调节各个区域的透明度，绘制出的三维图像能动态地反映雷达反射率数据和其梯度的变化规律。

主权项

一种强风暴结构特征的三维显示方法，包括以下步骤：①雷达数据预处理；②强风暴区域识别；③计算识别出的强风暴区域内的雷达水平反射率梯度分布,依据梯度的变化特征自适应地抽取强风暴内包括短时强降水、雷雨大风和冰雹类型的特征区域的边界阀值；④强风暴结构特征的三维显示，其特征在于：步骤③的具体方式为：③－1：计算强风暴区域中的平均反射率梯度值的分布曲线；对于单个强风暴，遍历强风暴区域中的所有格点，以离散差分的形式计算每个格点的反射率强度所对应的梯度值，然后计算强风暴区域中所有格点的反射率强度对应的梯度值的平均值，得到该强风暴区域中平均梯度值相对于反射率强度变化的分布曲线G(r)，其中，r∈[25,60]dBZ，表示反射率强度的变化值区域；③－2：计算强风暴区域的边界阀值T_cov，即确定强风暴体的内边界；首先，根据强风暴区域中平均梯度值相对于反射率强度变化的分布曲线G(r)，计算r∈[25,60]dBZ区域范围内平均梯度值相对于反射率强度变化的分布曲线G(r)的平均值，定义为G_d，其中，abs表示取数值绝对值，然后根据上述公式找到强风暴区域中平均梯度值相对于反射率强度变化的分布曲线G(r)上的最大值G(r_p)和最小值G(r_v)，并定义G(r_p)＝max(G(r)),r∈[25,45]，G(r_v)＝min(G(r)),r∈[35,55]，其中，r_p和r_v分别是最大值G(r_p)和最小值G(r_v)所对应的反射率强度，再根据公式G_a＝(G(r_p)‑G(r_v))/(r_v‑r_p)计算强风暴区域中r∈[r_v,r_p]dBZ区间的平均梯度值相对于反射率强度变化的分布曲线G(_r)的平均递减率G_a；然后，继续分析强风暴区域中平均梯度值相对于反射率强度变化的分布曲线G(_r)在r∈[30,38]dBZ区间的曲线特征，并定义下面的布尔关系式：B(r,s)＝(G(r)‑G(r‑s))>G_d&(G(r)‑G(r+s))>G_d，S(r,s)＝(G(r)‑G(r+s))>s×G_a，其中&表示逻辑与，×表示标量乘法，s为1或2或3，然后逐点计算B(r,s)和S(r,s)，如果B(r,1)&B(r,2)&B(r,3)为真，则该强风暴区域中平均梯度值相对于反射率强度变化的分布曲线G(r)中的反射率强度r对应的位置具有局部峰值特征；如果S(r,1)&S(r,2)&S(r,3)为真，则该强风暴区域中平均梯度值相对于反射率强度变化的分布曲线G(r)中的反射率强度r对应的位置右侧具有显著递减特征；当强风暴区域中平均梯度值相对于反射率强度变化的分布曲线G(r)具有局部峰值特征或者右侧显著递减特征时，定义该处的反射率强度r为强风暴区域的边界阀值T_cov；③－3：计算强风暴内核区域的边界阀值T_incov，即确定强风暴内核区域的内边界；遍历反射率强度r∈[40,48]dBZ区域的平均梯度值相对于反射率强度变化的分布曲线G(r)，计算B(r,1)&B(r,2)&B(r,3)和S(r,1)&S(r,2)&S(r,3)，如果B(r,1)&B(r,2)&B(r,3)为真，则该强风暴内核区域中平均梯度值相对于反射率强度变化的分布曲线G(r)中的反射率强度r对应的位置具有局部峰值特征；如果S(r,1)&S(r,2)&S(r,3)为真，则该强风暴内核区域中平均梯度值相对于反射率强度变化的分布曲线G(r)中的反射率强度r对应的位置右侧具有显著递减特征；当强风暴内核区域中平均梯度值相对于反射率强度变化的分布曲线G(r)具有局部峰值特征或者右侧显著递减特征时，定义该处的反射率强度r为强风暴内核区域的边界阀值T_incov，如果计算出的强风暴内核区域边界阈值T_incov满足abs(G(T_incov)‑G(T_cov))<G_d时，则将强风暴内核区域的边界阀值T_incov用强风暴区域的边界阀值T_cov表示；③－4：计算强风暴暴雨内核区域边界阀值T_heavyrain，判定短时强降水特征的存在与否；定义B_hr1(r,s)＝(G(r+s)‑G(r))>s×G_d，B_hr2(r,s)＝(G(r+s)‑G(r))<s×G_d，然后遍历反射率强度r∈[48,55]dBZ区域的曲线G(r)，当B_hr1(r,1)&B_hr1(r,2)&B_hr1(r,3)为真时，则该强风暴区域中平均梯度值相对于反射率强度变化的分布曲线G(r)中的反射率强度r对应的位置具有右侧连续递增特征；当B_hr2(r,1)&B_hr2(r,2)&B_hr2(r,3)为真时，则该强风暴区域中平均梯度值相对于反射率强度变化的分布曲线G(r)中的反射率强度r对应的位置具有右侧连续递减特征；当强风暴区域中平均梯度值相对于反射率强度变化的分布曲线G(r)具有右侧连续递增特征或者右侧连续递减特征时，定义短时强降水特征存在，并将该处的反射率强度r定义为强风暴暴雨内核区域边界阀值T_heavyrain；③－5：计算强风暴冰雹区域边界阀值T_hail，判定冰雹结构特征的存在与否；定义B_h(r,s)＝(G(r)‑G(r+s))>G_d，遍历反射率强度r∈[52,60]dBZ区域的曲线G(r)，当B_h(r,1)&B_h(r,2)&B_h(r,3)&(G(r)>G(r‑1))为真时，判定冰雹结构特征的存在，并将该处的反射率强度r定义为强风暴冰雹区域的边界阀值T_hail；步骤④的具体方式为：④‑1：点采样，用光线投射算法在图像空间对每个屏幕像素发射一条射线，取相等间隔对三维网格体数据进行点采样，首先检查射线上的每个采样点对应的反射率强度r，当反射率强度r属于特征区域的边界阀值以内时，定义该采样点为有效采样点；④‑2：采用如下步骤设置所有有效采样点的透明度：1)如果只存在强风暴区域的边界阀值T_cov，则将反射率强度大于T_cov的采样点透明度设置为1.0，即全透明；2)如果只存在强风暴区域的边界阀值T_cov和强风暴内核区域的边界阀值T_incov，则将反射率强度大于T_incov的采样点透明度设置为1.0，将反射率强度满足r∈[T_cov‑1，T_cov+1]的采样点透明度设置为0.3；3)如果存在强风暴区域的边界阀值T_cov、强风暴内核区域的边界阀值T_incov和强风暴暴雨内核区域边界阀值T_heavyrain,则将反射率强度大于T_heavyrain的采样点透明度设置为1.0，将反射率强度满足r∈[T_cov‑1,T_cov+1]的采样点透明度设置为0.1，将反射率强度满足r∈[T_incov‑1,T_incov+1]的采样点透明度设置为0.5；4)如果存在强风暴区域的边界阀值T_cov、强风暴内核区域的边界阀值T_incov和强风暴冰雹区域的边界阀值T_hail,则将反射率强度大于T_hail的采样点透明度设置为1.0，将反射率强度满足r∈[T_cov‑1,T_cov+1]的有效采样点透明度设置为0.1，将反射率强度满足r∈[T_incov‑1,T_incov+1]的采样点透明度设置为0.5；④‑3：根据步骤③得到的强风暴的结构特征，根据步骤④‑2中设置采样点透明度的原则，采用直接立体绘制技术，所有的有效采样点进行三维绘制，得到该特征区域的形状特征。