一種用于槽脊線的特征點(diǎn)提取及自動繪制的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及氣象學(xué)領(lǐng)域中的槽脊線，尤其涉及一種用于槽脊線的特征點(diǎn)提取及自 動繪制的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 氣象預(yù)測主要是指對地面天氣圖、高空天氣圖的分析，根據(jù)不同氣壓層次溫度值 分別繪制出等高線和等溫線，從而顯示出天氣形勢的分布。溫度場的分析是為了判斷底層 的暖空氣和中高層的冷空氣，高度場的分析是為了判斷低壓槽線和高壓脊線。脊線是指高 溫區(qū)或者高壓區(qū)中延伸出來的較狹長區(qū)域，即從暖中心或者高壓中心出發(fā)，沿等溫線或者 等高線曲率極大值勾勒而成。脊線通常呈從南到北，從西到東或從西南到東北的走向，槽線 是指低溫區(qū)或者低壓區(qū)中延伸出來的較狹長區(qū)域，即從冷中心或者低壓中心出發(fā)，沿等溫 線或者等高線曲率極大值勾勒而成。槽線通常呈從北到南，從東到西或從東北到西南的走 向。
[0003] 脊線或者槽線的出現(xiàn)意味著一種天氣不穩(wěn)定因素的形成，因此，基于脊線和槽線 的正確識別對于天氣預(yù)報具有重要意義。我國在這方面的研宄起步較晚，對于脊線和槽線 的識別，目前仍然停留在人工或需要人工輔助的階段。如果可以從圖像中由計(jì)算機(jī)自動進(jìn) 行天氣特征的提取，將大大提高天氣預(yù)報的效率。
[0004] 發(fā)明人在實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的過程中，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)中至少存在以下缺點(diǎn)和不足：
[0005] 迄今為止，國內(nèi)氣象分析的MICAPS系統(tǒng)尚未實(shí)現(xiàn)脊線和槽線的自動識別，又由于 脊線和槽線的人工識別費(fèi)時費(fèi)力，會影響到預(yù)報的時效性；且不能對可能出現(xiàn)的災(zāi)害進(jìn)行 及時預(yù)警，造成經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明提供了一種用于槽脊線的特征點(diǎn)提取及自動繪制的方法，本發(fā)明能自動檢 測出脊線和槽線，對災(zāi)害進(jìn)行及時的預(yù)警，減少經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，詳見下文描述：
[0007] -種用于脊線的特征點(diǎn)提取及自動繪制的方法，所述方法包括以下步驟：
[0008] 根據(jù)溫度/高度場中脊線的走向，將離散化后梯度方向?yàn)?°、45°和90°的氣象 格點(diǎn)數(shù)據(jù)分別作為脊線候選特征點(diǎn)；
[0009] 對所述脊線候選特征點(diǎn)進(jìn)行糾偏、過濾，獲取最終的脊線特征點(diǎn)；
[0010] 根據(jù)所述最終的脊線特征點(diǎn)，定向搜索形成折線，將不滿足脊線條件的折線刪除， 獲取篩選后用折線表示的脊線；
[0011] 對篩選后的脊線進(jìn)行光滑中軸處理，獲取最終光滑的脊線。
[0012] 其中，對所述脊線候選特征點(diǎn)進(jìn)行糾偏、過濾，獲取最終的脊線特征點(diǎn)的步驟具體 為：
[0013] 對于90°特征點(diǎn)、0°特征點(diǎn)分別根據(jù)等值線分辨率為AV、氣象格點(diǎn)數(shù)據(jù)值，對 取整后的第一插值距離進(jìn)行重新判斷，獲取取整后的第二插值距離；
[0014] 對于90°特征點(diǎn)、0°特征點(diǎn)分別根據(jù)取整后的第二插值距離、溫度/高度差值法 獲取取整后的第三插值距離并判斷，分別獲取準(zhǔn)極值區(qū)；
[0015] 對于90°特征點(diǎn)、0°特征點(diǎn)，分別根據(jù)準(zhǔn)極值區(qū)獲取脊寬，根據(jù)脊寬分別獲取滿 足單調(diào)遞減條件下的顯著性脊的特征點(diǎn)；
[0016] 對于90°特征點(diǎn)、0°特征點(diǎn)，將脊寬的中心確定為顯著性脊的特征點(diǎn)；
[0017] 對于90°特征點(diǎn)、0°特征點(diǎn)，分別濾除無效的坡峰點(diǎn)；對于45°特征點(diǎn)有條件保 留。
[0018] 其中，對篩選后的脊線進(jìn)行光滑中軸處理，獲取最終光滑的脊線的步驟具體為：
[0019] 基于最小二乘設(shè)計(jì)思想，對脊線上的特征點(diǎn)進(jìn)行順勢連接，獲取均勻地穿過離散 數(shù)據(jù)點(diǎn)的中軸折線，再用二次B樣條對中軸折線做進(jìn)一步平滑處理，得到光滑的脊線。
[0020] 一種用于槽線的特征點(diǎn)提取及自動繪制的方法，所述方法包括以下步驟：
[0021] 根據(jù)溫度/高度場中槽線的走向，將離散化后梯度方向?yàn)?180°、-135°和-90° 的氣象格點(diǎn)數(shù)據(jù)分別作為槽線候選特征點(diǎn)；
[0022] 分別對所述槽線候選特征點(diǎn)進(jìn)行糾偏、過濾，獲取最終的槽線特征點(diǎn)；
[0023] 根據(jù)所述最終的槽線特征點(diǎn)分別定向搜索形成折線，將不滿足槽線條件的折線刪 除，獲取篩選后用折線表示的槽線；
[0024] 對篩選后的槽線進(jìn)行光滑中軸處理，獲取最終光滑的槽線。
[0025] 其中，所述分別對所述槽線候選特征點(diǎn)進(jìn)行糾偏、過濾，獲取最終的槽線特征點(diǎn)的 步驟具體為：
[0026] 對于-90°特征點(diǎn)、-180°特征點(diǎn)分別根據(jù)等值線分辨率為AV、氣象格點(diǎn)數(shù)據(jù) 值，對取整后的第四插值距離進(jìn)行重新判斷，獲取取整后的第五插值距離；
[0027] 對于-90°特征點(diǎn)、-180°特征點(diǎn)分別根據(jù)取整后的第五插值距離、溫度/高度差 值法獲取取整后的第六插值距離并判斷，分別獲取準(zhǔn)極值區(qū)；
[0028] 對于-90°特征點(diǎn)、-180°特征點(diǎn)，分別根據(jù)準(zhǔn)極值區(qū)獲取槽寬，根據(jù)槽寬分別獲 取滿足單調(diào)遞增條件下的顯著性槽的特征點(diǎn)；
[0029] 對于-90°特征點(diǎn)、-180°特征點(diǎn)，分別濾除無效的坡峰點(diǎn)；對于-135°特征點(diǎn)有 條件保留。
[0030] 其中，所述對篩選后的槽線進(jìn)行光滑中軸處理，獲取最終光滑的槽線的步驟具體 為：
[0031] 基于最小二乘設(shè)計(jì)思想，對槽線上的特征點(diǎn)進(jìn)行順勢連接，獲取均勻地穿過離散 數(shù)據(jù)點(diǎn)的中軸折線，再用二次B樣條對中軸折線做進(jìn)一步平滑處理，得到光滑的槽線。
[0032] 本發(fā)明提供的技術(shù)方案的有益效果是：本方法通過對氣象圖上槽脊線特征點(diǎn)、槽 脊線的識別，得到光滑的槽脊線，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了槽脊線的自動檢測，有助于對天氣災(zāi)害進(jìn)行 及時的預(yù)報，以減少經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡；并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本方法的有效性。
【附圖說明】
[0033] 圖1為根據(jù)MICAPS提供的850hPa下的溫度格點(diǎn)數(shù)據(jù)繪制的等溫線和利用斷面極 值法得到的暖脊候選特征點(diǎn)標(biāo)識；
[0034] 其中，空心圓表示0°特征點(diǎn)，實(shí)心圓表示45°特征點(diǎn)，三角形表示90°特征點(diǎn)；
[0035] 圖2為以點(diǎn)M為例說明具體插值方法的插值示意圖；
[0036] 圖3為在圖1得到的暖脊候選特征點(diǎn)基礎(chǔ)上，進(jìn)行糾偏、過濾以及有條件保留后得 到的最終暖脊特征點(diǎn)；
[0037] 其中，空心圓表示0°特征點(diǎn)，實(shí)心圓表示45°特征點(diǎn)，三角形表示90°特征點(diǎn)；
[0038] 圖4為根據(jù)圖3中最終的脊線特征點(diǎn)，定向搜索形成折線，將不滿足脊線條件的折 線刪除，畫出用折線表示的篩選后的脊線；
[0039] 圖5為光滑中軸擬合算法中離散序列的中軸示意圖；
[0040] 圖6為本發(fā)明提供的測試效果圖，為光滑中軸算法得到的暖脊線效果圖；
[0041] 圖7為本發(fā)明提供的一種用于脊線的特征點(diǎn)提取及自動繪制的方法的流程圖；
[0042] 圖8為本發(fā)明提供的一種用于槽線的特征點(diǎn)提取及自動繪制的方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0043] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面對本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一步 地詳細(xì)描述。
[0044] 本方法在分析山脊線算法用于提取脊線或者槽線時暴露出的問題的基礎(chǔ)上，提出 一種糾偏算法，配合使用為反映脊線或槽線氣象特點(diǎn)所構(gòu)建的規(guī)則，提取到干擾較少的脊 線或者槽線特征點(diǎn)；根據(jù)最小二乘法點(diǎn)擬合線的思想，提出一種光滑中軸算法，得到質(zhì)量較 高的脊線或者槽線，下面結(jié)合具體的實(shí)施例對本方法進(jìn)行詳細(xì)的描述：
[0045] 實(shí)施例1
[0046] -種用于脊線的特征點(diǎn)提取及自動繪制的方法，參見圖7,該方法包括以下步驟：
[0047] 101 :根據(jù)溫度/高度場中脊線的走向，將離散化后梯度方向?yàn)?°、45°和90°的 氣象格點(diǎn)數(shù)據(jù)分別作為脊線候選特征點(diǎn)；
[0048] 102 :對脊線候選特征點(diǎn)進(jìn)行糾偏、過濾，獲取最終的脊線特征點(diǎn)；
[0049] 103:根據(jù)最終的脊線特征點(diǎn)，定向搜索形成折線，將不滿足條件的脊線刪除，獲取 篩選后的脊線；
[0050] 104 :對篩選后的脊線進(jìn)行光滑中軸處理，獲取最終光滑的脊線。
[0051] 其中，對脊線候選特征點(diǎn)進(jìn)行糾偏、過濾，獲取最終的脊線特征點(diǎn)的步驟具體為：
[0052] 對于90°特征點(diǎn)、0°特征點(diǎn)分別根據(jù)等值線分辨率為AV、氣象格點(diǎn)數(shù)據(jù)值，對 取整后的第一插值距離進(jìn)行重新判斷，獲取取整后的第二插值距離；
[0053] 對于90°特征點(diǎn)、0°特征點(diǎn)分別根據(jù)取整后的第二插值距離、溫度/高度差值法 獲取取整后的第三插值距離并判斷，分別獲取準(zhǔn)極值區(qū)；
[0054] 對于90°特征點(diǎn)、0°特征點(diǎn)，分別根據(jù)準(zhǔn)極值區(qū)獲取脊寬，根據(jù)脊寬分別獲取滿 足單調(diào)遞減條件下的顯著性脊的特征點(diǎn)；
[0055] 對于90°特征點(diǎn)、0°特征點(diǎn)，將脊寬的中心確定為顯著性脊的特征點(diǎn)；
[0056] 對于90°特征點(diǎn)、0°特征點(diǎn)，分別濾除無效的坡峰點(diǎn)；對于45°特征點(diǎn)有條件保 留。
[0057] 進(jìn)一步地，對篩選后的脊線進(jìn)行光滑中軸處理，獲取最終光滑的脊線的步驟具體 為：
[0058] 基于最小二乘設(shè)計(jì)思想，對脊線上的特征點(diǎn)進(jìn)行順勢連接，獲取均勻地穿過離散 數(shù)據(jù)點(diǎn)的中軸折線，再用二次B樣條對中軸折線做進(jìn)一步平滑處理，得到光滑的脊線。
[0059] 綜上所述，通過上述101-104步驟的處理，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了脊線的自動檢測，對災(zāi)害 進(jìn)行及時的預(yù)警，減少了經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。
[0060] 下面結(jié)合具體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、計(jì)算公式和圖表對實(shí)施例1中溫度場脊線的特征點(diǎn)提 取及自動繪制的方案進(jìn)行詳細(xì)描述，參見實(shí)施例2。
[0061] 實(shí)施例2
[0062] 201 :根據(jù)溫度場中脊線的走向，將離散化后梯度方向?yàn)?°、45°和90°的氣象 格點(diǎn)數(shù)據(jù)作為脊線候選特征點(diǎn)；
[0063] 該步驟具體為：
[0064] 1)掃描每一個氣象格點(diǎn)數(shù)據(jù)，設(shè)（i，j)代表每一個氣象格點(diǎn)數(shù)據(jù)的位置（第i行， 第j列），設(shè)氣象格點(diǎn)位置（i，j)上的數(shù)據(jù)值為Zu，對于離散的格點(diǎn)數(shù)據(jù)，用差分代替微 分，利用（1)式可知fy和fx的三階反距離平方權(quán)差分計(jì)算方法（計(jì)算方法詳細(xì)步驟參考文 獻(xiàn)1陳楠等，2007)。
[0065] 其中，fy為縱向差分值，匕為橫向差分值，Ay為縱向增量，Ax為橫向增量，Z 1 = Zi-i，j-