基于雙線性內(nèi)插值的 CD雷達垂直剖面算法

熊 偉,周明飛,潘徐艷

(1.貴州省氣象臺,貴州 貴陽 550002;2.貴州省氣候中心,貴州 貴陽 550002)

基于雙線性內(nèi)插值的 CD雷達垂直剖面算法

熊 偉1,周明飛1,潘徐艷2

(1.貴州省氣象臺,貴州 貴陽 550002;2.貴州省氣候中心,貴州 貴陽 550002)

該文針對貴州 CD型號新一代多普勒天氣雷達反射率因子,采用 C#編程,經(jīng)坐標轉(zhuǎn)換后處理成三維網(wǎng)格數(shù)據(jù),基于雙線性內(nèi)插值法,實現(xiàn)任意方向雷達反射率因子垂直剖面制作,結合貴陽雷達分析,結果表明雙線性內(nèi)插值法放大后的圖像質(zhì)量較高,解決了因垂直剖面圖像較小不利于顯示及放大的問題。

CD雷達;垂直剖面;雙線性內(nèi)插值;圖像

1 引言

目前,新一代多普勒天氣雷達在天氣預報業(yè)務中得到了廣泛的應用,主要針對災害性天氣,特別是短時強降水、雷雨大風、冰雹等災害性天氣的監(jiān)測和預警。為了清楚地看出風暴的回波結構,需分析雷達回波特征及對風暴相應位置作垂直剖面分析。貴州所有的雷達均為成都 784廠 CD型號新一代多普勒天氣雷達 (以下簡稱 CD雷達),目前沒有成熟的基于雷達反射率因子的垂直剖面分析軟件,而業(yè)務工作又急需實現(xiàn)貴州 CD雷達反射率因子垂直剖面分析及高質(zhì)量圖像的顯示應用。

本文針對貴州 CD雷達反射率因子,采用 C#編程,經(jīng)坐標轉(zhuǎn)換后處理成三維網(wǎng)格數(shù)據(jù),實現(xiàn)任意方向垂直剖面分析,利用雙線性內(nèi)插值法解決垂直剖面圖像顯示放大且不失真的現(xiàn)象,結合貴陽雷達分析雙線性內(nèi)插值法在雷達垂直剖面圖像中的應用。

2 CD雷達反射率因子分析處理

2.1 極坐標下 CD雷達反射率因子轉(zhuǎn)換為三維網(wǎng)格數(shù)據(jù)

CD雷達理論探測距離為 250Km,實際有效探測距離在 160Km左右,徑向庫長為 250m。采用VCP21模式 (6min完成 9個仰角的掃描：0.5°,1.45°,2.4°,3.4°,4.3°,6.0°,9.9°,14.6°,19.5°)進行掃描,如圖 1所示。

本方法在垂直方向取 20Km,分辨率為 0.5Km,水平方向取 300Km,分辨率為 1Km的三維數(shù)據(jù)矩陣Data(40,300,300),這樣可得到 40層不同高度平面上的 CAPPI數(shù)據(jù),此 CAPPI數(shù)據(jù),實際上是由不同仰角不同距離上的雷達回波觀測值通過內(nèi)插得到的。利用同一高度上的 CAPPI數(shù)據(jù),可以較方便地分析雷達回波信息在某高度上的水平分布,便于與鄰近該高度的天氣圖分析相結合;而用不同高度上的 CAPPI數(shù)據(jù)還可以了解風暴的三維結構。

不同高度上的 CAPPI數(shù)據(jù)可通過網(wǎng)格反插得到,網(wǎng)格反查是以雷達站為網(wǎng)格中點。利用數(shù)學公式得到網(wǎng)格中任意網(wǎng)格點 D到雷達站的距離 R及與正北方向的夾角β。這樣,D網(wǎng)格點的分析值就近似等于方位角為β,徑向距離為 R的點的觀測值。

對于三維網(wǎng)格點,如圖 2,D網(wǎng)格點到雷達站高度為 H、距離為 R、與雷達站水平面的夾角為θ、方位角為β,D網(wǎng)格點的雷達回波分析值按照最鄰近插值法及內(nèi)插平均有以下 3種情況：

①θ ＜0.5°或 θ＞19.5°(第 1個和最后 1個仰角)

③α＜θ＜α′(α′為α仰角的下一掃描仰角 )

式中 f(H,R,θ,β)代表 D網(wǎng)格點的雷達回波分析值,f′(R,αβ)代表仰角為α,方位角為β,徑向距離為 R處的雷達回波觀測值。α為 VCP21掃描模式中的體掃仰角。經(jīng)過循環(huán)計算可求出三維網(wǎng)格數(shù)據(jù) Data(40,300,300)。

2.2 實例對比分析

圖 3、圖 4分別是 2008-07-28T 18：18貴陽雷達 2Km及 5Km高度雷達反射率因子 CAPPI圖像,圖 (a)為本方法得出,圖 (b)是 784廠雷達顯示軟件計算的,從圖中可以看出,雷達反射率因子的強度及位置比較一致,本文還經(jīng)過大量的對比分析,表明本方法得到的結果是準確的,算法是可行的。

2.3 反射率因子垂直剖面計算

通過對雷達反射率因子處理后得到三維網(wǎng)格數(shù)據(jù) Data(40,300,300),網(wǎng)格中心的經(jīng)緯度為雷達站經(jīng)緯度,如圖 5,在屏幕上從 A到 B點畫任意一直線,通過屏幕坐標轉(zhuǎn)換得到 A和 B點的經(jīng)緯度,而網(wǎng)格點的邊界經(jīng)緯度是已知的,通過計算,A、B點的雷達反射率因子大小為 Data(40,x1,y1)、Data(40,x2,y2),進而可求 AB直線上任意 C點的雷達反射率因子 Data(40,x,y)。

x1,y1,x2,y2分別為 A、B點與網(wǎng)格點邊界的網(wǎng)格距離,dis為 A、B兩點之間的網(wǎng)格距離,通過相關數(shù)學計算可得沿 AB直線切面的網(wǎng)格數(shù)據(jù) PouMianDbz[40,dis]。

3 雙線性內(nèi)插值法

最簡單的插值算法是最鄰近插值法,該方法計算量小,速度快,在多數(shù)情況下能得到令人滿意的結果,但是當對圖像進行多倍放大處理時,最鄰近算法往往滿足不了放大的要求。雙線性內(nèi)插值算法計算量大,但計算結果更符合實際情況,成像后圖像質(zhì)量高,不會出現(xiàn)像素值不連續(xù)的的情況。

對于一個新網(wǎng)格點 NewGridData(i+a,j+b),其中 i、j均為非負整數(shù),a、b為 [0,1]區(qū)間的浮點數(shù),則這個網(wǎng)格點的值NewGridData(i+a,j+b)可由原網(wǎng)格中 OldGridData(i,j)、OldGridData(i+l,j)、Old-GridData(i,j+1)、OldGridData(i+l,j+1)4個網(wǎng)格點的值決定,即：NewGridData(i+a,j+b)=(1-a)×(1-b)×OldGridData(i,j)+(1-a)×b×Old-GridData(i,j+1)+a ×(1-b)×OldGridData(i+l,j)+a ×b ×OldGridData(i+1,j+1),依次類推 ,求出所有新網(wǎng)格點數(shù)值,這就是雙線性內(nèi)插值法。

3.1 主要 C#代碼

由于篇幅原因,在這里省略了部分代碼：

{

//zoomW為 X軸方向的放大倍數(shù),zoomH為 Y軸方向的放大倍數(shù)

通過以上計算得到新的網(wǎng)格數(shù)據(jù) NewGridData,利用此網(wǎng)格數(shù)據(jù)即可進行成像處理。

3.2 經(jīng)雙線性內(nèi)插值法與未經(jīng)插值得到的圖像對比

圖 6是 2008-07-28 T 18：18貴陽雷達組合反射率因子圖像,圖 7是圖 6中 A點向 B點作垂直剖面得到的圖像,其中 (a)為未經(jīng)插值處理得到的圖像,圖像小,視覺效果差,(c)是 (a)通過看圖軟件放大后的圖像,出現(xiàn)模糊現(xiàn)象,(b)為經(jīng)雙線性內(nèi)插值后得到的圖像,清晰度高,視覺效果好。

4 小結

本文介紹了基于 CD型號雷達反射率因子垂直剖面的實現(xiàn)方法以及利用雙線性內(nèi)插值法應用到垂直剖面圖像向中。通過比較說明本方法中將雷達原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成三維網(wǎng)格數(shù)據(jù)、任意方向作垂直剖面分析方法是可行的。最后利用雙線內(nèi)插值法實現(xiàn)圖像縮放的算法,結果表明經(jīng)雙線性內(nèi)插值法放大后的圖像質(zhì)量較高,解決了因垂直剖面圖像較小不利于顯示及放大的問題。

[1] 俞小鼎,姚秀萍,等 .多普勒天氣雷達原理與業(yè)務應用[M].北京：氣象出版社,2006.

[2] 黃云仙,張英 .多普勒天氣雷達數(shù)據(jù)插值方法比較研究[J].遙感信息 ,2008,2：39-45.

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[5] 羅斌,越飛,等 .VisualC#2005編程實例精粹[M].北京：中國水利水電出版社,2006.

Vertical profile and dual-linear interpolation’s application of CD radar in its image

XiongWei1,ZhouMing-fei1,Pan Xu-yan2

(1.GuizhouMeteorologicalObservatory,Guiyang 550002;2.The Climate centre of Guizhou,Guiyang 550002)

The New Generation DopplerWeatherRadarReflectivity factorof Guizhou is transfor med to the coordinate transfor mation into three-dimensional grid data post-processing byC#programming.Based on bilinear interpolation method,Any direction vertical section of radar reflectivity factor is achieved.Combining Guiyang radar analysis,the results showed that the bilinear interpolation method of high quality image amplifier and the method solve for vertical section is s maller and enlarge images.

CD radar;vertical section;quadratic interpolation;image

TP31

A

1003-6598(2010)03-0007-04

2010-01-11

熊偉 (1978-),男,工程師,主要從事短時臨近天氣預報工作。

貴州省科技廳黔科合重大專項字 (2006)6034號。