气旋的图像特征提取、描述及台风中心定位

论文摘要

国内外研究人员发现,中尺度气旋与龙卷、暴雨、强风和冰雹等灾害性天气密切相关,而多普勒雷达提供的中尺度气旋信息可在强烈天气和龙卷风警报发布的准确性和及时性等方面做出贡献。台风是严重影响人类生产生活的灾害性天气之一,对台风进行识别及定位具有极其重要的现实意义。由于台风形态及结构的复杂性,目前对于台风的自动预报及定位仍处于研究及探索阶段。本文应用图像处理及计算机视觉技术,结合专家经验,在以下方面展开了研究:1.螺旋云带的特征提取及描述。2.台风中心定位。3.对中气旋识别方法的改进。螺旋云带的提取建立在对云图恰当分割的基础上。本文针对台风云系在雷达反射率图像中的特点,提出自适应的二值化方法和有向多尺度生长法,有效地提取了螺旋云带。从云团的骨架中提取出能够反映螺旋云带特征的局部螺旋线。然后利用Hough变换对局部螺旋线进行拟合,以解决对螺旋云带的描述及对台风的自动定位问题。在中气旋识别方面,通过对反射率图像有效区域分割方法的改进,采用兰金模式对伪速度对的滤除,提出三人投票法兰金模式以减少环境风等的影响,使中气旋的识别准确性和识别速度均得到提高。以上研究所涉及算法均已编程实现,并结合OPenCV库函数进行了算法优化,在测试过程中表现出较强的稳定性和良好的台风定位及中气旋识别效果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 气旋与灾害性天气
• 1.2 多普勒雷达对气旋的探测
• 1.3 气旋的识别方法研究现状
• 1.3.1 关于中气旋的研究
• 1.3.2 关于台风云系的研究
• 1.3.3 关于螺旋云带及螺旋线的研究
• 1.3.4 关于台风中心定位的研究
• 1.4 本课题的主要内容与组织安排
• 1.5 课题意义
• 第二章 雷达回波图象的处理方法
• 2.1 数学形态学
• 2.1.1 数学形态学基本运算
• 2.1.2 极限腐蚀与条件膨胀
• 2.1.3 骨架化
• 2.1.4 细化（Thining）
• 2.2 图像分析与边缘检测
• 2.2.1 图像分割
• 2.2.2 边缘检测
• 2.2.3 Hough 变换
• 2.3 曲线拟合
• 2.3.1 螺旋线拟合
• 2.3.2 曲线拟合测量标准
• 第三章 基于雷达反射率强度的螺旋云带提取
• 3.1 云图分割
• 3.1.1 常见的对象与背景分离方法
• 3.1.2 常用分割算法的结果比较与失效分析
• 3.1.3 自适应的二值化方法
• 3.2 具有一定密度的弥散区域的分割
• 3.2.1 使用经典膨胀算法引发的问题
• 3.2.2 有向多尺度生长法
• 3.3 局部螺旋线提取
• 3.4 小结
• 第四章 螺旋云带的描述及中心定位
• 4.1 人工台风定位方法
• 4.2 利用 Hough 变换检测螺旋线
• 4.2.1 利用 Hough 变换直接检测螺旋线的问题
• 4.2.2 局部螺旋线的坐标变换
• 4.2.3 直线的检测算法
• 4.2.4 螺旋线中心及参数的最后确定
• 4.3 螺旋线的重绘及中心定位
• 4.3.1 理想螺旋线与广义线性模型图的分析
• 4.3.2 基于广义线性空间的线型连续化处理螺旋线
• 4.3.3 台风中心定位
• 4.4 算法小结
• 第五章 中气旋识别
• 5.1 区域分割的改进方法
• 5.1.1 原算法及算法改进
• 5.1.2 改进效果
• 5.2 基于速度对的中尺度气旋识别的片面性
• 5.2.1 中尺度气旋的不同阶段及其流场结构特点
• 5.2.2 中尺度气旋流场分布在径向速度中的表象
• 5.2.3 兰金模式
• 5.3 蓝金模式对伪速度对的鉴别方法
• 5.4 识别效果
• 第六章 总结与展望
• 6.1 工作总结
• 6.1.1 螺旋云带的提取和台风中心的定位
• 6.1.2 中气旋识别方法的改进
• 6.2 设想及展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢