一种基于船用雷达图像的降雨预测方法

本发明涉及雷达图像处理和气象服务，具体涉及一种基于船用雷达图像的降雨预测方法。

背景技术：

1、我国国土覆盖面积辽阔，包含多种气候地区，气候特点突出的同时，各种气象灾害也影响着我国各地，因气象造成的损失不可忽视。降雨作为我国大部分地区的气候特点之一，有着帮助水分循环，促进作物生长等作用，但同时，降雨作为造成气象灾害的普遍因素之一，可能会引起暴洪、滑坡、泥石流等灾害。因此加大对降雨的研究，能够对防汛抗洪、加强建筑稳定性、降低损失等方面起到重要作用。随着技术的发展，天气雷达代替传统的雨量计进行降雨监测，已有很大进展，能逐渐了解更加复杂的天气。在降雨问题上，气象雷达应用较多，虽然在精度上有着优势，但造价高、设备复杂的因素限制了气象雷达的应用。船用雷达在降雨监测方面也可以有优势发挥之处，船用雷达的价格非常低廉，体积小巧便于安装；具有一定的距离分辨率和角度分辨率；对降雨比较敏感，能够较好地采集降雨图像，将其应用在降雨分析的问题上能够显著降低成本。对于天气的临近预报方法，主要有数值模式预报和雷达回波外推两种方式，模式预报在短时临近预报中准确率较低，但雷达回波的外推方法在短期预报中效果较好。因此，可以利用船用雷达数据进行预测降雨情况。

技术实现思路

1、根据上述提出造价高、设备复杂的技术问题，针对船用雷达回波序列的特点，本发明采用一种基于船用雷达图像的降雨预测方法，包括以下步骤：一种基于船用雷达图像的降雨预测方法，包括以下步骤：

2、获取雷达原始数据文件，将获取到的雷达原始数据文件进行方位提取，进行合并插值处理与坐标转换处理，调用显示函数，得到雷达回波图像；所述雷达回波图像包括雷达降雨图像与晴天雷达图像；

3、将雷达回波图像中的雷达降雨图像与晴天雷达图像进行差分，去除中心杂波干扰；

4、对雷达降雨图像进行缩小至固定分辨率，运用水平集方法进行雷达回波图像分割；

5、对连续n张分割后的雷达回波图像通过光流法计算运动矢量场；

6、结合雷达回波图像与运动矢量场实现对降雨的预测。

7、进一步地，所述获取雷达原始数据文件，将获取到的雷达原始数据文件进行方位提取，进行合并插值处理与坐标转换处理，调用显示函数，得到雷达回波图像；所述雷达回波图像包括雷达降雨图像与晴天雷达图像；包括以下步骤：

8、s21：在降雨情况下使用船用雷达，通过采集卡采集降雨数据，获取到雷达原始数据文件；

9、s22：将采集到的雷达原始数据文件进行方位提取，采样数据中的高2位分别为方位基准和方位数据；用最高位的0和1之间的跳变表示天线转过方位基准，随后提取次高位的方位数据信息，实现采集到的数据信息格式化；

10、s23：将格式化后的数据信息进行合并插值处理，在不同量程下，方位脉冲与触发脉冲的对应关系可能会有偏差，若一个方位脉冲对应多个触发脉冲，则保留第一条回波信息；若一个方位脉冲没有对应触发脉冲，则复制上一条回波信息到此方位脉冲，保证每一个方位都有对应的回波信息；

11、s24：将合并插值处理后的数据进行坐标转换，雷达信息是在极坐标下的，将极坐标转换为直角坐标系，然后生成矩阵数据，存储该矩阵数据文件；

12、s25：然后将矩阵数据文件读入，保存到相对应的矩阵在内存中的位置，将方位距离矩阵转换为笛卡尔坐标，存入一个新的矩阵，之后调用显示函数显示雷达回波图像。

13、进一步地，所述将雷达回波图像中的雷达降雨图像与晴天雷达图像进行差分，包括以下步骤：

14、s31：在晴天情况下，采集与雷达采集量程、增益相同的雷达数据，将其转换为雷达回波图像；

15、s32：通过将雷达降雨图像与晴天雷达图像的像素值对应相减进行差分处理，去除杂波干扰，只留下雨区信息。

16、进一步地，所述对雷达降雨图像进行缩小至固定分辨率，运用水平集方法进行雷达回波图像分割，包括以下步骤：

17、s41：将雷达降雨图像缩小至固定分辨率；

18、s42：设定初始参数λ1，λ2，α1加权常数和α2，最大迭代次数iternum，边缘检测矩阵g；

19、s43：初始化伪水平集，一部分伪水平集设置为u(x)＞0.5，其他部分伪水平集设置为u(x)＜0.5；

20、s44：设计两个拟合图像：全局模糊拟合图像和局部模糊拟合图像，构造包括全局项和拟合项的能量函数；

21、s45：计算整个图像域的能量，更新整个图像域的参数后，再计算整个图像域新的能量，更改隶属度，使用高斯滤波器对伪水平集函数进行正则化和平滑；

22、s46：重复s45步骤，直到迭代至iternum次后迭代完成；

23、s47：在图像分割之后，对降雨区域信息保留。

24、进一步地，所述对连续n张分割后的雷达回波图像通过光流法计算运动矢量场，包括以下步骤：

25、s51：将n张雷达回波图像利用lk光流法计算光流场；

26、s52：对n张图像的序列进行追踪，产生平滑的运动矢量场。

27、进一步地，所述n≥10。

28、进一步地，所述结合雷达回波图像与运动矢量场实现对降雨的预测，包括以下步骤：

29、通过将拉格朗日持久性的确定性分量和扰动项相结合，进行降水的动态缩放，

30、采用自回归ar过程，计算降水场的演变，从而进行降雨预测。

31、一种基于船用雷达图像的降雨预测方法，包括：

32、获取模块：用于获取雷达原始数据文件；

33、得到模块：用于将获取到的雷达原始数据文件进行方位提取，进行合并插值处理与坐标转换处理，调用显示函数，得到雷达回波图像；所述雷达回波图像包括雷达降雨图像与晴天雷达图像；

34、差分模块：用于将雷达回波图像中的雷达降雨图像与晴天雷达图像进行差分，去除中心杂波干扰；

35、分割模块：用于对雷达降雨图像进行缩小至固定分辨率，运用水平集方法进行雷达回波图像分割；

36、计算模块：用于对连续n张分割后的雷达回波图像通过光流法计算光流场；

37、预测模块：用于结合雷达回波图像与运动矢量场实现对降雨的预测。

38、本发明提供的一种基于船用雷达图像的降雨预测方法，该方法先利用差分法将数据中较大杂波干扰去除，然后利用水平集方法将降雨区域轮廓取出，之后在此基础上加入保留图像数据的模块，将降雨区域信息保留，对之后进行运动矢量场外推有重大意义，然后利用lk光流法计算连续10张雷达回波图像的运动矢量场，结合雷达图像与运动矢量场两者信息，预测30min后降雨情况。

39、本发明能够将图像分割方法应用到船用雷达的降雨分析中，能够通过性价比高的船用雷达来简易预测降雨情况，降低了降雨预测的成本。本发明中的水平集方法能够解决图像分割后有用信息的提取，在计算运动矢量场时可以满足lk光流法的条件，可以引入到预测模块中，提高了降雨量预测的准确性。