强对流云体三维结构的可视化方法及其构成特征的提取

论文摘要

天气雷达是探测降水系统的主要手段,是对强对流天气（冰雹、大风、龙卷和暴洪）进行监测和预警的主要工具。为了以图像的形式从各个视角直观展现雷达基数据文件所蕴含的信息,以辅助气象预报和研究工作,本文主要做了以下几方面的研究和探索。1.构建并显示雷达反射率图像和径向速度图像我国新一代天气雷达的优点之一是基数据为数字化的,经过算法的处理可以形成一系列的产品。本文依据雷达基数据产品文件结构,从中读取数据信息并生成反射率图像和径向速度图像。经测试,一组18张图像的总体生成时间小于3秒,图像质量及真实率达到已有产品的水平。2.实现基于多锥面数据的任意三维剖面为了使云体的立体结构和回波强度分布可视化,本文汇集各仰角即多锥面的数据信息研究云体的三维剖面图像的生成方法。与已有的剖面图不同的是,本文将剖面置于三维坐标系中,使其携带有丰富的空间位置信息;同时因剖面截线的长度和方位不受任何限制,又使其具有了很强的灵活性。3.基于三维剖面的云体结构可视化方法在实现了一个位置上的静止剖面图之后,令剖面的截线沿径向平行移动,随之形成一个剖面系列组,再根据气象工作者的专业知识和经验,确定最佳的截线角度;根据视觉特点,确定最佳的观测角度,从而实现了对所剖云体在最佳剖面角度和最佳观测视角下的云体构成的展现。4.分析并提取云体三维构成特征云体在三维构成上有很多特征有待研究、归纳和自动提取,及时恰当地将它们提取出来,将有助于定量地描述云体的三维结构,有助于对天气状况的分析和理解,有助于提高预警预报强对流天气的准确率。本文对此项工作做了初步尝试,定义并提取了反映云体三维构成的能量、厚度、高度及其变化特征。本文工作均在Visual C++ 6.0软件开发平台下实现,实验测试结果达到预期目标。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 强对流云体构成特点
• 1.3 传统三维图像可视化方法研究
• 1.4 国内外气象业务使用的雷达图像的剖面图
• 1.5 本文的主要工作及本课题的目标
• 第二章 雷达基数据产品的可视化研究
• 2.1 雷达基数据产品文件剖析
• 2.1.1 雷达工作原理及雷达基数据
• 2.1.2 基数据文件结构
• 2.1.3 基数据文件信息读取
• 2.1.4 数据丢失及补救措施
• 2.2 从基数据到位图文件
• 2.2.1 位图文件
• 2.2.2 雷达反射率图像及平均径向速度图像的构建
• 2.2.3 雷达反射率图像及平均径向速度图像的显示
• 2.2.4 更换欲显示的图像
• 第三章 基于多锥面数据的任意三维剖面实现方法
• 3.1 云体的系列三维剖面图的实现
• 3.1.1 总体构架
• 3.1.2 截线向平面的映射
• 3.1.3 基于横坐标的剖面图逐点生成方法
• 3.1.4 插值
• 3.2 对三维剖面的变比例放大
• 3.2.1 应用需求
• 3.2.2 三维剖面放大算法
• 3.3 本系统中的三维剖面图的特点
• 第四章 基于三维剖面的云体结构可视化方法
• 4.1 序列三维剖面及其实现
• 4.2 特定视角下的三维序列剖面
• 4.2.1 前期的工作
• 4.2.2 特定视角的确定
• 4.2.3 坐标变换问题的提出
• 4.2.4 序列剖面示例
• 第五章 云体三维构成特征的分析与提取
• 5.1 能量及能量变化特征
• 5.1.1 基本定义
• 5.1.2 算法及工作流程
• 5.2 厚度及厚度变化特征
• 5.2.1 基本定义
• 5.2.2 算法及工作流程
• 5.3 高度及高度变化特征
• 5.3.1 基本定义
• 5.3.2 算法及工作流程
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文的算法实现
• 6.2 系统功能结构
• 6.3 本文工作的特色和创新
• 6.4 展望和建议
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢