一种基于弦切法的天气槽脊线提取方法与流程

本发明涉及天气数据处理领域，具体涉及一种基于弦切法的天气槽脊线提取方法。

背景技术：

某一个地区某一时刻的天气状况可以通过天气图来反映，因此通过天气图进行天气系统分析是气象人员进行天气预报、分析的本质方法，是气象部门进行天气分析和预报的一种重要工具。天气系统以及各种气象探测数据都会严格准确地显示在天气图中，气象预报员从而能够对当下的天气情况有所了解，并对未来的天气情况作出预报。因此天气图在气象领域内得到了广泛的使用。

天气预报中海量实时监测资料的自动分析、天气系统计算机自动化处理的手段仍然相对滞后：由于大气科学的复杂性，引起天气变化的气象条件很多，目前世界各国气象业务分析平台还未能实现天气系统自动识别工作，在业务中依然采用人机交互的方式，通过人工对天气系统进行主观分析。在预报产品急剧增加、人工处理效率低下、自动分析需求迅速增长的情况下，当前预报中仍然由预报员手工分析天气系统，因效率低下而难以满足业务发展。防灾减灾工作对天气系统自动分析提出了迫切的需求。而槽脊线自动识别是天气图自动化分析的重要内容，得到的槽脊线能帮助预报员分析天气形势和天气系统，进行天气预报，但目前的气象槽脊线分析主要通过人工实现。

技术实现要素：

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于弦切法的天气槽脊线提取方法解决了气象槽脊线需要依靠人工进行识别，识别效率低的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

提供一种基于弦切法的天气槽脊线提取方法，其包括以下步骤：

s1、根据气象的格点数据计算等值线；

s2、判断每条等值线是否为闭合等值线，若是则进入步骤s3，否则进入步骤s4；

s3、根据每条闭合等值线内部格点数据和外部格点数据的大小获取该闭合等值线上的脊点和槽点，并进入步骤s6；

s4、获取每条非闭合等值线上的弦切点；

s5、根据每条非闭合等值线左右两侧的格点数据和该等值线在每一弦切点处的弯曲方向将该弦切点作为脊点或槽点；

s6、根据槽线连接规则和脊线连接规则分别将槽点和脊点连接为槽线和脊线，完成天气槽脊线的提取。

进一步地，步骤s1的具体方法为：

通过开源软件meteoinfo将气象的格点数据转化为以4为间隔值的等值线，并得到等值线每个点的经纬度。

进一步地，步骤s2中判断每条等值线是否为闭合等值线的具体方法为：

若任一等值线首尾两点的经纬度相同，则为闭合等值线，否则非闭合等值线。

进一步地，步骤s3的具体方法为：

若任一条闭合等值线内部的格点数据的值大于外部格点数据的值，则将该等值线上最北、最东和最西的点作为脊点；

若任一条闭合等值线内部的格点数据的值小于外部格点数据的值，则将该等值线上最北、最南、最东和最西的点作为槽点。

进一步地，步骤s4的具体方法包括以下步骤：

s4-1、采用直线连接位于同一条非闭合等值线的首尾两点，获取该等值线上距离直线最远的点，即弦切点；

s4-2、将步骤s4-1中得到的弦切点作为该等值线的截断点，得到两条子等值线；

s4-3、将每一条子等直线作为新的非闭合等值线并重复步骤s4-1和s4-2，获取每一条子等值线上的弦切点，并舍弃弦切点至切线的距离小于距离阈值的弦切点；直至初始非闭合等值线上的弦切点数量等于或大于该非闭合等值线上总格点数的一半。

进一步地，步骤s5的具体方法为：

获取每一非闭合等值线的左侧格点数据和右侧格点数据，将每条非闭合等值线上每一弦切点与位于其前端的第一个格点形成向量并作为前端向量；将位于该弦切点后端的第一个格点与该弦切点形成向量，并作为后端向量；

若非闭合等值线的任一弦切点的左侧格点数据小于右侧格点数据，且该弦切点处的前端向量位于后端向量的左侧，则将该弦切点作为槽点；

若非闭合等值线的任一弦切点的左侧格点数据大于右侧格点数据，且该弦切点处的前端向量位于后端向量的右侧，则将该弦切点作为槽点；

若非闭合等值线的任一弦切点的左侧格点数据大于右侧格点数据，且该弦切点处的前端向量位于后端向量的左侧，则将该弦切点作为脊点；

若非闭合等值线的任一弦切点的左侧格点数据小于右侧格点数据，且该弦切点处的前端向量位于后端向量的右侧，则将该弦切点作为脊点。

进一步地，步骤s6的具体方法包括以下步骤：

s6-1、将所有槽点按其所在等值线的值进行从小到大排序，将值最小的槽点作为起点按照槽线连接规则连接一个槽点；若无符合槽线连接规则的槽点，则根据排序结果选取下一个槽点作为起点；

s6-2、将选取的槽点作为起点并按照槽线连接规则连接下一个槽点，直到无符合槽线连接规则的槽点，完成一条槽线的提取；

s6-3、除开已被连接的槽点，重复步骤s6-1和s6-2，完成所有槽线的提取；

s6-4、将所有脊点按其所在等值线的值进行从大到小排序，将值最大的脊点作为起点按照脊线连接规则连接一个脊点；若无符合脊线连接规则的脊点，则根据排序结果选取下一个脊点作为起点；

s6-5、将选取的脊点作为起点并按照脊线连接规则连接下一个脊点，直到无符合脊线连接规则的脊点，完成一条脊线的提取；

s6-6、除开已被连接的脊点，重复步骤s6-4和s6-5，完成所有脊线的提取；

其中槽线连接规则和脊线连接规则均包括：

①即将相连两点位于不同的等值线且还未被选取；

②即将相连两点位于相邻等值线，即两点所在等值线数值之差的绝对值为4；

③若符合规则①和②的即将相连点有多个，则选取即将相连两点之间距离最小且小于阈值的点；

④即将相连两点不能与等值线、已经连接的槽线或脊线相交；

⑤即将相连两点的距离大于该两点所形成直线与最近的闭合等值线中心的距离的两倍。

本发明的有益效果为：本发明合理采用数据源，将气象的格点数据转化为等值线，并自动从等值线中提取出槽脊线，有效提高槽脊线的提取效率，便于相关人员分析天气形势和天气系统，进行天气预报。

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2为非闭合等值线的任一弦切点的左侧格点数据小于右侧格点数据，且该弦切点处的前端向量位于后端向量的左侧的示意图；

图3为非闭合等值线的任一弦切点的左侧格点数据大于右侧格点数据，且该弦切点处的前端向量位于后端向量的右侧的示意图；

图4为非闭合等值线的任一弦切点的左侧格点数据大于右侧格点数据，且该弦切点处的前端向量位于后端向量的左侧的示意图；

图5为非闭合等值线的任一弦切点的左侧格点数据大于右侧格点数据，且该弦切点处的前端向量位于后端向量的左侧的示意图；

图6为等值线高低压识别结果示意图；

图7为采用本方法提取的槽脊线的一个示意图；

图8为采用本方法提取的槽脊线的一个示意图；

图9为采用本方法提取的槽脊线的一个示意图；

图10为非闭合等值线进行弦切的示意图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，该基于弦切法的天气槽脊线(即槽线和脊线)提取方法包括以下步骤：

s1、根据气象的格点数据计算等值线；

s2、判断每条等值线是否为闭合等值线，若是则进入步骤s3，否则进入步骤s4；

s3、根据每条闭合等值线内部格点数据和外部格点数据的大小获取该闭合等值线上的脊点和槽点，并进入步骤s6；

s4、获取每条非闭合等值线上的弦切点；

s5、根据每条非闭合等值线左右两侧的格点数据和该等值线在每一弦切点处的弯曲方向将该弦切点作为脊点或槽点；

s6、根据槽线连接规则和脊线连接规则分别将槽点和脊点连接为槽线和脊线，完成天气槽脊线的提取。

步骤s1的具体方法为：通过开源软件meteoinfo将气象的格点数据转化为以4为间隔值的等值线，并得到等值线每个点的经纬度。

步骤s2中判断每条等值线是否为闭合等值线的具体方法为：若任一等值线首尾两点的经纬度相同，则为闭合等值线，否则非闭合等值线。

步骤s3的具体方法为：

若任一条闭合等值线内部的格点数据的值大于外部格点数据的值，则将该等值线上最北、最东和最西的点作为脊点；

若任一条闭合等值线内部的格点数据的值小于外部格点数据的值，则将该等值线上最北、最南、最东和最西的点作为槽点。

步骤s4的具体方法包括以下步骤：

s4-1、采用直线连接位于同一条非闭合等值线的首尾两点，获取该等值线上距离直线最远的点，即弦切点；

s4-2、将步骤s4-1中得到的弦切点作为该等值线的截断点，得到两条子等值线；

s4-3、将每一条子等直线作为新的非闭合等值线并重复步骤s4-1和s4-2，获取每一条子等值线上的弦切点，并舍弃弦切点至切线的距离小于距离阈值的弦切点；直至初始非闭合等值线上的弦切点数量等于或大于该非闭合等值线上总格点数的一半。

如图10所示，对于非闭合等值线ab，将点a和点b通过直线连接起来，得到该等值线上距离直线ab最远的点c(点c至切线的距离为h1)，将c点作为截断点，得到初始非闭合等值线ab的子(非闭合)等值线ac和cb，将子(非闭合)等值线ac和cb分别作为新的非闭合等值线，重复上述过程，即采用直线分别连接ac和cb，得到子等值线ac上距离直线ac最远的点d(点d据切线的距离为h2)，得到子等值线cb上距离直线cb最远的点e(点e据切线的距离为h3)，舍弃弦切点至切线的距离小于距离阈值的弦切点，以此类推，直至初始非闭合等值线上的弦切点数量等于或大于该非闭合等值线上总格点数的一半，或无弦切点至切线的距离大于等于距离阈值。

弦切点的点数与弦切次数的关系为：

其中n为弦切次数，x为弦切点的点数。

步骤s5的具体方法为：获取每一非闭合等值线的左侧格点数据和右侧格点数据，将每条非闭合等值线上每一弦切点与位于其前端的第一个格点形成向量并作为前端向量；将位于该弦切点后端的第一个格点与该弦切点形成向量，并作为后端向量；

如图2所示，若非闭合等值线的任一弦切点的左侧格点数据小于右侧格点数据，且该弦切点处的前端向量位于后端向量的左侧，则将该弦切点作为槽点；

如图3所示，若非闭合等值线的任一弦切点的左侧格点数据大于右侧格点数据，且该弦切点处的前端向量位于后端向量的右侧，则将该弦切点作为槽点；

如图4所示，若非闭合等值线的任一弦切点的左侧格点数据大于右侧格点数据，且该弦切点处的前端向量位于后端向量的左侧，则将该弦切点作为脊点；

如图5所示，若非闭合等值线的任一弦切点的左侧格点数据小于右侧格点数据，且该弦切点处的前端向量位于后端向量的右侧，则将该弦切点作为脊点。

步骤s6的具体方法包括以下步骤：

s6-1、将所有槽点按其所在等值线的值进行从小到大排序，将值最小的槽点作为起点按照槽线连接规则连接一个槽点；若无符合槽线连接规则的槽点，则根据排序结果选取下一个槽点作为起点；

s6-2、将选取的槽点作为起点并按照槽线连接规则连接下一个槽点，直到无符合槽线连接规则的槽点，完成一条槽线的提取；

s6-3、除开已被连接的槽点，重复步骤s6-1和s6-2，完成所有槽线的提取；

s6-4、将所有脊点按其所在等值线的值进行从大到小排序，将值最大的脊点作为起点按照脊线连接规则连接一个脊点；若无符合脊线连接规则的脊点，则根据排序结果选取下一个脊点作为起点；

s6-5、将选取的脊点作为起点并按照脊线连接规则连接下一个脊点，直到无符合脊线连接规则的脊点，完成一条脊线的提取；

s6-6、除开已被连接的脊点，重复步骤s6-4和s6-5，完成所有脊线的提取；

其中槽线连接规则和脊线连接规则均包括：

①即将相连两点位于不同的等值线且还未被选取；

②即将相连两点位于相邻等值线，即两点所在等值线数值之差的绝对值为4；

③若符合规则①和②的即将相连点有多个，则选取即将相连两点之间距离最小且小于阈值的点，阈值可以提前设置；

④即将相连两点不能与等值线、已经连接的槽线或脊线相交；

⑤即将相连两点的距离大于该两点所形成直线与最近的闭合等值线中心(闭合等值线内部格点数据值最大或最小的点，若内部大于外部，则取最大，反之取最小)的距离的两倍。即不能离闭合等值线太接近，防止将两个天气系统合为一个天气系统。

在本发明的一个实施例中，由于在高层大气系统完整清晰，稳定性好，可预报性强，但对强烈的灾害性天气反应不够敏感。而低层大气中，受地形的影响，系统破碎，完整性、稳定性欠缺，但对剧烈天气反应十分显著。一般情况下海平面标准大气压力为1013hpa，500hpa，基本处于大气垂直分布的质量中间层面，其特征是兼顾了大气系统的完整性、稳定性可对灾害性天气的敏感性，是日常天气预报的核心层面。并且500hpa预报业务中最为常用的资料是位势高度场，所以本发明可以采用micaps第4类500hpa位势高度格点数据作为程序分析的原数据。

如图6所示，本发明统一规定从图像的左到右来判断等值线的高低压位于左侧还是右侧，高压侧可以采用g来标识，低压侧可以采用d来标识。如图7、图8和图9所示，图中圆点为槽点，过圆点的线为槽线，三角形为脊点，过三角形的线为脊线。本方法可以自动提取由气象的格点数据转化为等值线的数据图中的槽脊线，其中图8和图9是图7在随时间推移后，数据发生部分改变情况下实时提取的槽脊线。

综上所述，本发明合理采用数据源，将气象的格点数据转化为等值线，并自动从等值线中提取出槽脊线，有效提高槽脊线的提取效率，便于相关人员分析天气形势和天气系统，进行天气预报。