本發(fā)明涉及氣象衛(wèi)星云圖的處理技術(shù)，尤其涉及一種衛(wèi)星云圖上海岸線的精確繪制方法。

背景技術(shù)：

鑒于衛(wèi)星云圖對大氣環(huán)流、中長期天氣預(yù)報以及災(zāi)害性天氣學(xué)的研究中的重要作用，且災(zāi)害性天氣對人類的財產(chǎn)和生命安全帶來的具大危害，使得對衛(wèi)星云圖的研究變得至關(guān)重要。而對其進(jìn)行研究首要的便是有最好的方法去將衛(wèi)星灰度矩陣轉(zhuǎn)化為衛(wèi)星云圖并添加海岸線。假設(shè)地球是被探測溫度的唯一來源，當(dāng)天空無云時，同步衛(wèi)星探測到的溫度可以看作是地球表面的溫度；當(dāng)天空有云層時，探測到的溫度相對來說會比較低，并且溫度隨著云層升高而降低，綜上可知，探測到的溫度可看成云層所在區(qū)域的溫度。利用已知的灰度數(shù)據(jù)與溫度數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化關(guān)系，將探測到的溫度矩陣轉(zhuǎn)換成灰度矩陣，再將衛(wèi)星灰度矩陣轉(zhuǎn)化為衛(wèi)星云圖，便可以在這個衛(wèi)星云圖上添加海岸線。目前衛(wèi)星云圖上海岸線的圖像與作圖方法并不完善，提供一種海岸線精確繪制方法具有重要的意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種衛(wèi)星云圖上海岸線的精確繪制方法，以解決目前衛(wèi)星云圖上海岸線的圖像與作圖不完善的問題。

實現(xiàn)本發(fā)明目的的具體技術(shù)方案是：

一種衛(wèi)星云圖上海岸線的精確繪制方法，該方法包括以下具體步驟：

步驟一：設(shè)地球是理想橢球，在其上建立直角坐標(biāo)系，找到衛(wèi)星云圖灰度矩陣與地球經(jīng)緯度的對應(yīng)關(guān)系，計算每個衛(wèi)星云圖灰度矩陣像素位置對應(yīng)的地球經(jīng)緯度；

步驟二：建立地球的球坐標(biāo)系數(shù)學(xué)模型，找到衛(wèi)星云圖灰度矩陣與地球經(jīng)緯度的對應(yīng)關(guān)系，計算每個衛(wèi)星云圖灰度矩陣像素位置對應(yīng)的地球經(jīng)緯度，并與直角坐標(biāo)系下的計算結(jié)果進(jìn)行比較與驗證；

步驟三：驗證后，使用直角坐標(biāo)系下衛(wèi)星云圖灰度矩陣與地球經(jīng)緯度的對應(yīng)關(guān)系將測量海岸線的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)投影到衛(wèi)星云圖上，并通過數(shù)值擬合繪制出海岸線。

步驟一中，所述在其上建立直角坐標(biāo)系，找到衛(wèi)星云圖灰度矩陣與地球經(jīng)緯度的對應(yīng)關(guān)系，具體為：

在直角坐標(biāo)系下，根據(jù)空間幾何關(guān)系得到衛(wèi)星云圖灰度矩陣與地球經(jīng)緯度的對應(yīng)關(guān)系如下：

其中θ、分別為地球緯度和地球經(jīng)度；x、y、z為球面上探測點的直角坐標(biāo)；a為地球長半軸b為地球短半軸；

$\frac{x}{a}=\frac{\frac{l}{a}({\tan }^2\mathrm{\β}+{\left(\frac{a}{b}\right)}^2{\tan }^2\mathrm{\α})+\sqrt{1-(\frac{l^2}{a^2}-1)\[{\tan }^2\mathrm{\β}+{\left(\frac{a}{b}\right)}^2{\tan }^2\mathrm{\α}\]}}{1+{\tan }^2\mathrm{\β}+{\left(\frac{a}{b}\right)}^2{\tan }^2\mathrm{\α}}$

$\frac{y}{a}=\left(\frac{l-x}{a}\right)tan\mathrm{\β}=\[\frac{{\left(\frac{l}{a}\right)}^2-1}{\frac{l}{a}+\sqrt{1-(\frac{l^2}{a^2}-1)\[{\tan }^2\mathrm{\β}+{\left(\frac{a}{b}\right)}^2{\tan }^2\mathrm{\α}\]}}\]tan\mathrm{\β}$

$\frac{z}{a}=\left(\frac{l-x}{a}\right)tan\mathrm{\α}=\[\frac{{\left(\frac{l}{a}\right)}^2-1}{\frac{l}{a}+\sqrt{1-(\frac{l^2}{a^2}-1)\[{\tan }^2\mathrm{\β}+{\left(\frac{a}{b}\right)}^2{\tan }^2\mathrm{\α}\]}}\]tan\mathrm{\α}$

其中α為南北方向列步進(jìn)角與xoy-平面所成夾角；β為東西方向行掃描角與xoz-平面所成夾角；l為衛(wèi)星到地心的距離；

所述計算每個衛(wèi)星云圖灰度矩陣像素位置對應(yīng)的地球經(jīng)緯度，是根據(jù)以上得到的公式，代入衛(wèi)星云圖灰度矩陣像素位置值計算對應(yīng)的地球緯度θ和地球經(jīng)度其中衛(wèi)星云圖灰度矩陣像素位置的行值與列值即為α與β。

步驟二中，所述建立地球的球坐標(biāo)系數(shù)學(xué)模型，找到衛(wèi)星云圖灰度矩陣與地球經(jīng)緯度的對應(yīng)關(guān)系，具體為：

將之前建立的直角坐標(biāo)系yoz平面平移至原點與衛(wèi)星重合，組成Ozyx以衛(wèi)星為原點的直角坐標(biāo)系，地心的坐標(biāo)為(0,0,-l)，在這個坐標(biāo)系中建立球坐標(biāo)；

根據(jù)空間幾何關(guān)系得到衛(wèi)星云圖灰度矩陣與地球經(jīng)緯度的對應(yīng)關(guān)系如下：

其中r為探測點A到衛(wèi)星的距離，分別為與y軸正向和x軸正向的夾角可以通過以下公式得到：

其中α為在直角坐標(biāo)系下南北方向按步進(jìn)角與xoy-平面所成夾角；β為在直角坐標(biāo)系下東西方向行掃描角與xoz-平面所成夾角；

所述計算每個衛(wèi)星云圖灰度矩陣像素位置對應(yīng)的地球經(jīng)緯度，是根據(jù)以上得到的公式，代入衛(wèi)星云圖灰度矩陣像素位置值計算對應(yīng)的地球緯度θ和地球經(jīng)度其中衛(wèi)星云圖灰度矩陣像素位置的行值與列值即為α與β；

所述與直角坐標(biāo)系下的計算結(jié)果進(jìn)行比較與驗證，是使用兩種方法計算衛(wèi)星云圖灰度矩陣所有像素位置對應(yīng)的地球經(jīng)緯度，并作比較與統(tǒng)計，如果結(jié)果中95％以上點的誤差都在0.01度以內(nèi)便認(rèn)為直角坐標(biāo)系的計算結(jié)果是正確的。

步驟三中：所述使用直角坐標(biāo)系下衛(wèi)星云圖灰度矩陣與地球經(jīng)緯度的對應(yīng)關(guān)系將測量海岸線的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)投影到衛(wèi)星云圖上，投影公式如下：

$sin\mathrm{\α}=\frac{\frac{z}{a}}{\sqrt{{\left(\frac{z}{a}\right)}^2+{(\frac{l}{a}-\frac{x}{a})}^2}},sin\mathrm{\β}=\frac{\frac{y}{a}}{\sqrt{{\left(\frac{y}{a}\right)}^2+{(\frac{l}{a}-\frac{x}{a})}^2}}$

其中α為在直角坐標(biāo)系下南北方向列步進(jìn)角與xoy-平面所成夾角；β為在直角坐標(biāo)系下東西方向行掃描角與xoz-平面所成夾角，同時α與β也為衛(wèi)星云圖灰度矩陣像素位置的行值與列值；x、y、z為球面上探測點的直角坐標(biāo)；a為地球長半軸；

所述通過數(shù)值擬合繪制出海岸線，是使用最小二乘多項式曲線擬合的方法將投影后的離散點連成曲線，構(gòu)成最終的海岸線。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明是一種衛(wèi)星云圖上海岸線的精確繪制方法，該方法首先通過建立地球的直角坐標(biāo)系來計算衛(wèi)星云圖圖像灰度矩陣與地球經(jīng)緯度之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系并用球坐標(biāo)系驗證結(jié)果的正確性，再將測量海岸線的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)投影到衛(wèi)星云圖上，繪制出海岸線，最后用數(shù)值擬合方法提升衛(wèi)星云圖海岸線繪制的精確度。本發(fā)明實現(xiàn)了這種精確海岸線標(biāo)注算法，對氣象臺的工作人員來說，便可以很容易辨認(rèn)出被云層覆蓋的國家與地區(qū)，有利于提高氣象預(yù)報工作的效率，相比其他理論方法具有實際應(yīng)用意義。

附圖說明

圖1為本發(fā)明建立的地球直角坐標(biāo)系；

圖2為本發(fā)明待繪制海岸線的衛(wèi)星云圖；

圖3為本發(fā)明繪制海岸線后的衛(wèi)星云圖。

圖1中:α為南北方向按步進(jìn)角與xoy-平面所成夾角，β為東西方向行掃描角與xoz-平面所成夾角，l為衛(wèi)星到地心的距離，a為長半軸，b為短半軸；A＝(x,y,z)為球面上的探測點；θ為探測點在地球上的經(jīng)度；為探測點在地球上的緯度。

具體實施方式

本發(fā)明的技術(shù)方案是，設(shè)計一種衛(wèi)星云圖上海岸線的精確繪制方法，為將發(fā)明的技術(shù)方案描述的更加清楚，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式作進(jìn)一步的詳細(xì)闡述，顯然以下所描述的實施例只是部分實施例，不是全部的實施例。根據(jù)本發(fā)明的實施例，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以在不經(jīng)過創(chuàng)造性勞動的基礎(chǔ)上實現(xiàn)本發(fā)明的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

步驟一：如圖1所示建立直角坐標(biāo)系，根據(jù)空間幾何關(guān)系滿足方程：

$y=tan\mathrm{\β}(l-x),z=tan\mathrm{\α}(l-x),\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{a^2}+\frac{z^2}{b^2}=1$

橢圓截面的長半軸(赤道半徑)a＝6378136.5m,短半軸(極半徑)b＝6356751.8m；同步衛(wèi)星離地球中心的高度為42164000米,星下點在東經(jīng)86.5度,北緯0度，星下點對應(yīng)的矩陣元素位于矩陣的第1145行和第1145列相交處。

可以從這個方程組求出x,y,z:

$x^2(\frac{1+{\tan }^2\mathrm{\β}}{a^2}+\frac{{\tan }^2\mathrm{\α}}{b^2})-2l(\frac{{\tan }^2\mathrm{\β}}{a^2}+\frac{{\tan }^2\mathrm{\α}}{b^2})x-(1-l^2(\frac{{\tan }^2\mathrm{\β}}{a^2}+\frac{{\tan }^2\mathrm{\α}}{b^2}\left)\right)=0$

解出：

$\frac{x}{a}=\frac{\frac{l}{a}({\tan }^2\mathrm{\β}+{\left(\frac{a}{b}\right)}^2{\tan }^2\mathrm{\α})+\sqrt{1-(\frac{l^2}{a^2}-1)\[{\tan }^2\mathrm{\β}+{\left(\frac{a}{b}\right)}^2{\tan }^2\mathrm{\α}\]}}{1+{\tan }^2\mathrm{\β}+{\left(\frac{a}{b}\right)}^2{\tan }^2\mathrm{\α}}$

$\frac{y}{a}=\left(\frac{l-x}{a}\right)tan\mathrm{\β}=\[\frac{{\left(\frac{l}{a}\right)}^2-1}{\frac{l}{a}+\sqrt{1-(\frac{l^2}{a^2}-1)\[{\tan }^2\mathrm{\β}+{\left(\frac{a}{b}\right)}^2{\tan }^2\mathrm{\α}\]}}\]tan\mathrm{\β}$

$\frac{z}{a}=\left(\frac{l-x}{a}\right)tan\mathrm{\α}=\[\frac{{\left(\frac{l}{a}\right)}^2-1}{\frac{l}{a}+\sqrt{1-(\frac{l^2}{a^2}-1)\[{\tan }^2\mathrm{\β}+{\left(\frac{a}{b}\right)}^2{\tan }^2\mathrm{\α}\]}}\]tan\mathrm{\α}$

再根據(jù)公式：

便可以求解出每個直角坐標(biāo)系下的探測點所對應(yīng)的經(jīng)緯度，該算法通過MATLAB程序?qū)崿F(xiàn)。求解的部分坐標(biāo)結(jié)果為：

500行500列經(jīng)緯度：(46.49E，32.74N)；

500行501列經(jīng)緯度：(46.57E，32.74N)；

500行502列經(jīng)緯度：(46.65E，32.73N)。

步驟二：將之前建立的直角坐標(biāo)系yoz平面平移至原點與衛(wèi)星重合，組成Ozyx以衛(wèi)星為原點的直角坐標(biāo)系，地心的坐標(biāo)為(0,0,-l)。在這個坐標(biāo)系中建立球坐標(biāo)，設(shè)r為探測點A到衛(wèi)星的距離，分別為與y軸正向和x軸正向的夾角于是可以得到：

設(shè)探測點A＝(x,y,z)滿足由此解得r滿足的一元二次方程，從中解得r，又得到x，y，z的值，再由

可以計算出經(jīng)緯度值，并與步驟一中直角坐標(biāo)系計算的結(jié)果做比較，驗證結(jié)果的正確性。

步驟三：設(shè)A＝(x,y,z)為球面上一點，對給定海岸線上點的經(jīng)度θ和緯度由解出(x,y,z):

再由y＝(l-x)tanβ，z＝(l-x)tanα解得：

$sin\mathrm{\α}=\frac{\frac{z}{a}}{\sqrt{{\left(\frac{z}{a}\right)}^2+{(\frac{l}{a}-\frac{x}{a})}^2}},sin\mathrm{\β}=\frac{\frac{y}{a}}{\sqrt{{\left(\frac{y}{a}\right)}^2+{(\frac{l}{a}-\frac{x}{a})}^2}}$

由于衛(wèi)星云圖的像素是離散的，而測量海岸線的經(jīng)緯度的數(shù)據(jù)也是離散的，并且測量點并不對應(yīng)著衛(wèi)星云圖上的像素點.因此要利用數(shù)值擬合將繪制的海岸和實際情況的誤差達(dá)到最小，最后通過閾值判別有云區(qū)域，繪制出衛(wèi)星云圖海岸線。

圖2表示的是未繪制海岸線的衛(wèi)星云圖，被云層覆蓋的國家與地區(qū)很難分辨，而圖3為繪制了海岸線后的衛(wèi)星云圖，這時被云層覆蓋的國家與地區(qū)就很容易辨識。