風(fēng)暴單體識(shí)別的工程實(shí)現(xiàn)方法

摘 要：本文給出了風(fēng)暴單體識(shí)別算法及其在工程上實(shí)現(xiàn)的方法，采用限制遞歸法對(duì)同一層上的風(fēng)暴分量進(jìn)行識(shí)別，引入用STL的有關(guān)技術(shù)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可同時(shí)兼顧識(shí)別效率和工程實(shí)現(xiàn)的便利性。

關(guān)鍵詞：風(fēng)暴識(shí)別；工程實(shí)現(xiàn)

中圖分類號(hào)：TN959.4

氣象雷達(dá)在對(duì)中小尺度強(qiáng)對(duì)流性風(fēng)暴造成的激烈天氣現(xiàn)象（比如冰雹、大雨等）的監(jiān)測(cè)中可以發(fā)揮很大的作用[1]。本文給出了根據(jù)雷達(dá)探測(cè)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)暴體識(shí)別的算法以及在工程上實(shí)現(xiàn)的方法。

1 風(fēng)暴單體識(shí)別算法

在氣象雷達(dá)的探測(cè)模式中有平掃（PPI）、高掃（RHI）和體掃（VOL），風(fēng)暴單體識(shí)別是基于體掃探測(cè)模式產(chǎn)生的體掃基數(shù)據(jù)。這種體掃基數(shù)據(jù)由若干仰角層上的平掃數(shù)據(jù)組成，能夠反映該掃描體積內(nèi)的三維回波結(jié)構(gòu)。雷達(dá)氣象學(xué)上將反射率因子超過(guò)一定閾值，并且有一定連續(xù)區(qū)域的定義為風(fēng)暴單體。風(fēng)暴單體由一系列不同仰角層上相關(guān)聯(lián)的風(fēng)暴分量組成，而風(fēng)暴分量由同一仰角層上反射率滿足一定條件的方位相關(guān)的風(fēng)暴段組成，風(fēng)暴段是一維徑向上反射率因子大于一定閾值的連續(xù)區(qū)域。

2 工程實(shí)現(xiàn)方法

在工程上按照風(fēng)暴段、風(fēng)暴分量、風(fēng)暴單體的順序?qū)A(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

2.1 風(fēng)暴段識(shí)別

風(fēng)暴段識(shí)別實(shí)現(xiàn)方法如下：

（1）從體掃數(shù)據(jù)第一層第一根徑向開(kāi)始，沿著徑向開(kāi)始搜索反射率因子大于閾值Dz的庫(kù)，記錄此庫(kù)以后連續(xù)滿足大于閾值條件Dz的庫(kù)，直到遇到小于閾Dz的庫(kù)出現(xiàn)。將記錄的符合條件的庫(kù)作歸入一個(gè)風(fēng)暴段。依照此方法搜索遍歷完所有層所有徑向的庫(kù)，并記錄所有搜索到的風(fēng)暴段；

（2）對(duì)于記錄的所有風(fēng)暴段進(jìn)行遍歷檢索，如果其長(zhǎng)度（具體對(duì)應(yīng)庫(kù)的個(gè)數(shù)）小于特定閾值L，則將其刪除；

（3）對(duì)于經(jīng)過(guò)步驟（1）、（2）保留下所有段再次進(jìn)行檢索，對(duì)于滿足以下1）和2）條件的風(fēng)暴段進(jìn)行合并：1）同屬于一根徑向；2）首尾距離相隔不多于2個(gè)距離庫(kù)。

對(duì)風(fēng)暴段的識(shí)別完成，計(jì)算以下物理特征量為風(fēng)暴分量的處理作準(zhǔn)備：風(fēng)暴段所在的方位角θ以及起始點(diǎn)位置rb；風(fēng)暴段內(nèi)最大的反射率因子Zemax以及其所在徑向位置rmax ze；風(fēng)暴段長(zhǎng)度L和反射率因子權(quán)重長(zhǎng)度Lze（如式（1）所示）；風(fēng)暴段的幾何中心ro（如式（2）所示），反射率因子權(quán)重中心rzeo（如式（3）所示）；風(fēng)暴段內(nèi)的最大徑向速度Vsmax和最小徑向速度Vsmin。

式中M為風(fēng)暴段所包含的距離庫(kù)數(shù)，ri為第i個(gè)距離庫(kù)的徑向距離，Zei為第i個(gè)距離庫(kù)上的反射率因子值。

2.2 風(fēng)暴分量識(shí)別

風(fēng)暴分量識(shí)別實(shí)現(xiàn)方法如下：

對(duì)屬于同一仰角層的風(fēng)暴段進(jìn)行搜索，同時(shí)滿足以下三個(gè)條件的風(fēng)暴段可以合并到同一個(gè)風(fēng)暴分量中。

（1）合并到同一風(fēng)暴分量中的風(fēng)暴段必須相鄰，且相鄰的最大方位間距不能超過(guò)Az（取1°）；

（2）合并到同一風(fēng)暴分量中的風(fēng)暴必須首尾重疊，重疊距離不小于L（取1km）；

（3）風(fēng)暴分量所包含的風(fēng)暴段個(gè)數(shù)必須大于N個(gè)（取12）。

同一仰角層中，每根徑向上可能同時(shí)出現(xiàn)多個(gè)風(fēng)暴段，而同一仰角層又有多條徑向，這就造成在進(jìn)行分量識(shí)別時(shí)候情況較復(fù)雜。為了避免重復(fù)搜索而增大計(jì)算量，在風(fēng)暴段的結(jié)構(gòu)體中加入了BOOL型bAdd字段，用于標(biāo)示風(fēng)暴段是否被搜索過(guò)。風(fēng)暴分量結(jié)構(gòu)體中也加入了類似的字段，也是基于同樣的考慮。以下是利用限制遞歸法對(duì)風(fēng)暴分量的工程實(shí)現(xiàn)步驟：1）從一個(gè)風(fēng)暴段開(kāi)始，搜索空間相鄰徑向上的可以組合成分量的風(fēng)暴段（可能是多個(gè)），然后采用遞歸的形式，以搜索到的風(fēng)暴段為開(kāi)始繼續(xù)同樣的搜索，直到搜索結(jié)束，所有搜索到的符合條件的風(fēng)暴段組合成一個(gè)風(fēng)暴分量，對(duì)已經(jīng)搜索到的風(fēng)暴段進(jìn)行標(biāo)記。2）對(duì)風(fēng)暴段子模塊中搜索到的所有風(fēng)暴段進(jìn)行遍歷，如果該風(fēng)暴段沒(méi)有被搜索過(guò)，則進(jìn)行步驟1），直到遍歷完所有的風(fēng)暴段。

需要計(jì)算或記錄以下各物理特征量，為風(fēng)暴單體識(shí)別作準(zhǔn)備：風(fēng)暴分量?jī)?nèi)最大反射率因子Zemax及其所在高度Hzemax（如式（4）所示，Hzemax是對(duì)地球表面而不是雷達(dá)站所在的X-Y平面），風(fēng)暴分量?jī)?nèi)最大最小速度Vmax、Vmin，風(fēng)暴分量的幾何面積S（如式（5）所示）和反射率因子權(quán)重面積Sze率（如式（6）所示）。

式（5）中 是風(fēng)暴分量?jī)?nèi)Zemax所對(duì)應(yīng)的徑向距離，α是仰角，Rm是地球半徑。

式（5）和式（6）中M為風(fēng)暴分量?jī)?nèi)的風(fēng)暴段數(shù)，Li、Lzei、Ri、Rzei、θi分別為第i個(gè)風(fēng)暴段的幾何長(zhǎng)度、反射率因子權(quán)重長(zhǎng)度、幾何中心、反射率因子權(quán)重中心和風(fēng)暴段的方位角。

2.3 風(fēng)暴單體識(shí)別

風(fēng)暴單體識(shí)別工程實(shí)現(xiàn)方法如下：風(fēng)暴單體識(shí)別主要是基于對(duì)不同仰角層上垂直相關(guān)的風(fēng)暴分量進(jìn)行識(shí)別處理的。遍歷所有的風(fēng)暴，找出相鄰仰角層的風(fēng)暴分量進(jìn)行處理。處理過(guò)程可以按以下步驟進(jìn)行：

（1）以第一仰角層記錄的第一個(gè)風(fēng)暴分量C1開(kāi)始，搜索第二仰角層的風(fēng)暴分量C2，若其反射率權(quán)重中心與C1水平距離小于R1，則C1、C2就作為垂直相關(guān)的風(fēng)暴分量。以此方法遍歷所有層的所有風(fēng)量，搜索出所有的垂直相關(guān)的風(fēng)暴分量組合為一個(gè)風(fēng)暴單體。

（2）按照步驟（1），遍歷所有未曾搜索過(guò)的風(fēng)暴分量，找出所有風(fēng)暴單體；

（3）對(duì)小于體積閾值V的風(fēng)暴單體予以刪除，以排除噪聲小區(qū)域地物雜波的干擾。

3 工程實(shí)現(xiàn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

風(fēng)暴識(shí)別和分析需要處理較大的數(shù)據(jù)量，為了提高識(shí)別速度，除了上述的算法上的優(yōu)化外，在設(shè)計(jì)使用STL的有關(guān)技術(shù)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。在識(shí)別過(guò)程有些元素的個(gè)數(shù)預(yù)先未知，這就需要用到動(dòng)態(tài)數(shù)組或者鏈表。MFC的動(dòng)態(tài)數(shù)組CArray，支持隨機(jī)查找，但在數(shù)據(jù)量較大，頻繁地進(jìn)行刪除增加的情況下可能會(huì)使程序運(yùn)行速度變慢。而MFC的CPtrList，由于不支持隨機(jī)查找，在查找的時(shí)候效率很低。STL的vector，可以預(yù)先申請(qǐng)空間，并且有函數(shù)可以得到實(shí)際存儲(chǔ)元素的個(gè)數(shù)，并且支持隨機(jī)查找，使用方便，且可以有效避免反復(fù)申請(qǐng)內(nèi)存而造成的程序效率低下。

參考文獻(xiàn)：

[1]張培昌.雷達(dá)氣象學(xué)[M].北京：氣象出版社，1985.

作者簡(jiǎn)介：屈凱峰（1980.03-），男，安徽合肥人，工程師，碩士研究生，研究方向：雷達(dá)終端軟件和數(shù)據(jù)處理，

作者單位：安徽四創(chuàng)電子股份有限公司，合肥 230088