聯(lián)合毫米波測(cè)云儀和全天空成像儀云分類方法

傾鵬程，陶法，胡樹貞，朱舒曼，溫強(qiáng)

（1.中山市氣象局，廣東中山 528400；2.中國氣象局探測(cè)數(shù)據(jù)中心，北京 100081）

云是影響氣候變化的重要因素，觀測(cè)云的演變規(guī)律是揭示大氣運(yùn)動(dòng)規(guī)律的重要手段，對(duì)提高天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率有重要意義。云的觀測(cè)也是氣象行業(yè)一直研究的重要課題，不僅影響天氣預(yù)報(bào)的質(zhì)量，同時(shí)對(duì)航空行業(yè)及國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有重要研究意義［1］。在天氣預(yù)報(bào)中，云的觀測(cè)資料可以幫助判斷天氣現(xiàn)象，尤其是對(duì)于晴雨的判別；在航空行業(yè)，云的觀測(cè)資料對(duì)于民用航空及軍事演練和作戰(zhàn)都有重要價(jià)值；在經(jīng)濟(jì)方面，云層帶來的降水直接影響當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)。云的地面觀測(cè)反映著大氣的水汽條件、輻射和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，特定的云狀常伴隨不同的天氣情況，云的觀測(cè)是不可或缺的因素［2］。

目前，云的觀測(cè)暫時(shí)依靠天氣現(xiàn)象智能觀測(cè)儀實(shí)現(xiàn)，識(shí)別準(zhǔn)確度和有效性都還需要考驗(yàn)。近幾年，國內(nèi)外學(xué)者普遍傾向于使用毫米波測(cè)云儀和全天空成像儀對(duì)云開展研究。毫米波測(cè)云儀在云的識(shí)別方面要優(yōu)于激光云高儀［3］，全天空成像儀可以直觀準(zhǔn)確的完成部分云狀的識(shí)別［4］。隨著地面觀測(cè)自動(dòng)化的轉(zhuǎn)變，人工目測(cè)識(shí)云的方法也將被器測(cè)識(shí)云所取代。為了保證觀測(cè)數(shù)據(jù)的連貫性，在人工識(shí)云方法的基礎(chǔ)上對(duì)器測(cè)云數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別分類則顯得既科學(xué)又必要［5］。本研究以中國氣象局大氣探測(cè)試驗(yàn)基地2017年Ka波段毫米波測(cè)云儀和全天空成像儀全年的采集數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，嘗試改進(jìn)人工云識(shí)別的分類方法，形成一套適用于現(xiàn)有地基自動(dòng)觀測(cè)設(shè)備云分類的方法。

1 云分類的標(biāo)準(zhǔn)

科學(xué)有效的分類標(biāo)準(zhǔn)是研究的基礎(chǔ)。目前的標(biāo)準(zhǔn)主要有3種：衛(wèi)星云圖的云分類、人工觀測(cè)云分類、地基器測(cè)云分類。

衛(wèi)星云圖根據(jù)云的光學(xué)厚度和云頂氣壓，將云分成9類。人工觀測(cè)主要通過氣象觀測(cè)員定時(shí)定點(diǎn)對(duì)天空中云的情況進(jìn)行目測(cè)和分類，現(xiàn)在氣象觀測(cè)中主要采用的是世界氣象組織（WMO）在1975年對(duì)云狀標(biāo)準(zhǔn)的定義，將云按照3族、10屬、29類的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行劃分［6］。隨著地基探測(cè)設(shè)備的發(fā)展和成熟，開始出現(xiàn)了一些器測(cè)云分類的標(biāo)準(zhǔn)。Buch等［7］把WSI云圖分成高積云、卷云、層云、積云和晴空等5種天空類型；Singh等［8］把利用數(shù)字相機(jī)得到的圖像區(qū)分為積云、濃積云、積雨云、晴空和其他云類共5種天空類型；Caibo等［9］把位于不同地區(qū)的TSI和WSC云圖分為晴空、波狀云、卷云、層狀云和積狀云5類；Peura［10］按照10屬的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了分類試驗(yàn)，由此可見，地基器測(cè)云分類的標(biāo)準(zhǔn)伴隨探測(cè)設(shè)備的更迭而變化，因此，制定適合新型探測(cè)設(shè)備的分類標(biāo)準(zhǔn)是首要工作。

分類標(biāo)準(zhǔn)依照4大原則制定：大氣代表性原則、觀測(cè)可行性原則、歷史繼承性原則和可擴(kuò)展性原則。大氣代表性原則表明，層狀云和積狀云影響大氣的穩(wěn)定狀態(tài)，是識(shí)別必須項(xiàng)，降水云和非降水云對(duì)降水天氣有指導(dǎo)意義，也必須進(jìn)行區(qū)分；觀測(cè)可行性原則表明，卷云多伴隨晴天，層積云和碎雨云伴有降水，需要進(jìn)行區(qū)分；歷史繼承性原則表明，云的分類研究是從宏觀云類識(shí)別到微觀云類識(shí)別；可擴(kuò)展性原則表明，利用探測(cè)設(shè)備協(xié)同配合將完成更準(zhǔn)確真實(shí)的云分類識(shí)別［6］?；谏鲜鲅芯?，本研究將云分為層狀云、對(duì)流云、高積云、積云、卷云、晴空5大類，如表1所示。

表1 地基器測(cè)云分類標(biāo)準(zhǔn)

2 識(shí)別分類方法

目前主要通過視覺圖像對(duì)云狀進(jìn)行識(shí)別和分類。常用的觀測(cè)設(shè)備有兩種：一種為基于掃描的全天空成像系統(tǒng)；另一種為基于魚眼鏡頭的全天空成像系統(tǒng)?；趻呙璧娜炜粘上裣到y(tǒng)采用普通攝像頭或者鏡頭，通過旋轉(zhuǎn)云臺(tái)1′12″的速率完成36張地基云圖，攝像頭易損壞設(shè)備穩(wěn)定性差。魚眼鏡頭的全天空成像系統(tǒng)具有極大視角和仰角，可以對(duì)天空全景進(jìn)行一次性成像，但圖像邊緣的區(qū)域會(huì)發(fā)生一定畸變。針對(duì)這類問題，近幾年許多學(xué)者通過灰度共生矩陣［11］、光譜相態(tài)特征［12］、Gabor濾波器［13］、小波分析方法［14］等識(shí)別方法對(duì)云圖進(jìn)行處理，提升云圖的準(zhǔn)確性。但云觀測(cè)中，最重要的是地基云圖像的特征提取，因此標(biāo)準(zhǔn)樣本的選取就極為關(guān)鍵。

本研究數(shù)據(jù)來自安裝在中國氣象局大氣探測(cè)試驗(yàn)基地相距不超過5 m的兩臺(tái)設(shè)備，分別是江蘇無線電研究所生產(chǎn)的DUHI-ASI可見光成像儀和華騰微波生產(chǎn)的ka波段測(cè)云儀。選取兩臺(tái)設(shè)備2017年全年的有效采集數(shù)據(jù)開展研究。全天空成像儀負(fù)責(zé)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集；毫米波測(cè)云儀負(fù)責(zé)提供協(xié)同觀測(cè)數(shù)據(jù)。

近幾年的研究表明，毫米波測(cè)云儀對(duì)比激光云高儀、全天空成像儀具有較強(qiáng)穿透力，受視程類障礙天氣影響小的優(yōu)勢(shì)［3］。全天空成像儀的主要產(chǎn)品是云圖信息，設(shè)置定時(shí)1 min對(duì)全天空進(jìn)行1次成像；毫米波測(cè)云儀的主要產(chǎn)品是云底高、云頂高、云層厚度，設(shè)置每分鐘得到一次采集信息，24 h不間斷連續(xù)采集。

依據(jù)表1的分類標(biāo)準(zhǔn)，以全天空成像儀云圖產(chǎn)品為基礎(chǔ)，綜合云的顏色、形態(tài)、排列、所占天空成數(shù)等特征信息進(jìn)行人工分類，針對(duì)不確定分類項(xiàng)，提取同時(shí)間毫米波測(cè)云儀數(shù)據(jù)，補(bǔ)充云高、云層厚度及連續(xù)演變過程信息，完成最終分類識(shí)別。

3 易混淆云分類的提升

試驗(yàn)證明，通過融合毫米波測(cè)云儀和全天空成像儀兩種數(shù)據(jù)，解決了全天空成像儀由于探測(cè)角度和探測(cè)頻率限制，只能識(shí)別固定位置固定小區(qū)域的平面圖形的問題，提升了分類效果。尤其是對(duì)于易混淆云體，如不同高度積云、對(duì)流云與層狀云等。

對(duì)于積云的識(shí)別分類提升。積云是一種比較常見的云狀，存在于不同高度，由于不同高度的形狀紋理大致相同，很難從全天空成像儀上進(jìn)行識(shí)別分類。如圖1a和圖1b所示，從全天空成像儀云圖上只可以判斷出當(dāng)前云狀為積云，對(duì)于是低層云還是中層云無法區(qū)分，當(dāng)引入圖1c和圖1d對(duì)應(yīng)時(shí)間毫米波測(cè)云儀產(chǎn)品后，可以明顯區(qū)分出圖1a屬于低層積狀云，高度在1 000 m以下；圖1b屬于高層積狀云，高度在3 000 m以上。

圖1 全天空成像儀（a、b）和毫米波測(cè)云儀（c、d）

對(duì)于對(duì)流云的識(shí)別提升。對(duì)流云常伴隨不穩(wěn)定的天氣產(chǎn)生，多形成在降雨前后，此時(shí)天空以陰天為主，云量多為10或10-份，這和層狀云的情況很接近。如圖2a和圖2b所示。從全天空成像儀看兩者顏色紋理形態(tài)都基本一致，很難判斷是否是對(duì)流云，當(dāng)引入圖2c和圖2d的同時(shí)間毫米波測(cè)云儀產(chǎn)品后，可以明顯區(qū)分出圖2a屬于對(duì)流云，圖2b屬于層積云，圖中時(shí)間為北京時(shí)。

圖2 全天空成像儀成像（a、b）和毫米波測(cè)云儀成像（c、d）

對(duì)于云狀演變的識(shí)別提升。相比全天空測(cè)云儀的云圖資料，毫米波測(cè)云儀還可以提供云的發(fā)生和演變信息，幫助區(qū)分具體的云狀。如圖3a所示，當(dāng)日云層高度在上午08：00左右有明顯變化，但從圖3b到圖3d卻看不出明顯的變化，這主要是由于天陰造成全天空測(cè)云儀成像效果不佳造成，此時(shí)毫米波測(cè)云儀卻沒有受到影響，完整的反映了云層的變化情況。通過融合兩者的數(shù)據(jù)，可以綜合反映出當(dāng)日的云狀演變情況。

圖3 2017年1月5日毫米波測(cè)云儀（a）和2017年1月5日06：00（b）成像、08：00（c）、10：00（d）全天空成像儀成像

4 應(yīng)用與分析

根據(jù)本研究的識(shí)別分類方法，最終識(shí)別到10 636個(gè)有效云樣本，其中層狀云2 677個(gè)、對(duì)流云393個(gè)、高積云1 114個(gè)、積狀云1 624個(gè)、卷云4 828個(gè)。按照日期、時(shí)間、全天空成像儀云圖、云雷達(dá)回波強(qiáng)度圖以及其他地面氣象要素，分類建立地基識(shí)云樣本庫，如圖4所示。樣本庫已作為人工智能識(shí)云的學(xué)習(xí)樣本，投入AI識(shí)云的研究應(yīng)用中。

圖4 地基識(shí)云樣本庫部分截圖

通過選取特征樣本對(duì)不同天氣狀況的探測(cè)效果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了本研究建立的云識(shí)別方法的可行性，在今后的研究和應(yīng)用中都將具有指導(dǎo)價(jià)值。具體來說，本研究所建立的新的地基器測(cè)云分類標(biāo)準(zhǔn)，在成熟的人工識(shí)云基礎(chǔ)上，更符合現(xiàn)階段新型探測(cè)設(shè)備的探測(cè)特點(diǎn)，更好發(fā)揮設(shè)備的優(yōu)勢(shì)；為智能識(shí)云提供高質(zhì)量的樣本，識(shí)云樣本庫的特征樣本是圖像識(shí)別的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為今后自動(dòng)化云觀測(cè)及智慧氣象帶來幫助；結(jié)合特征樣本對(duì)不同天氣狀況的探測(cè)效果進(jìn)行對(duì)比的方法被驗(yàn)證有效，方法可推廣應(yīng)用到更多探測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)融合分析中。

5 結(jié)論

1）基于成熟的人工識(shí)云標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合現(xiàn)階段地基器測(cè)云探測(cè)設(shè)備性能特點(diǎn)，遵循自動(dòng)觀測(cè)云分類標(biāo)準(zhǔn)的4大原則：大氣代表性原則、觀測(cè)可行性原則、歷史繼承性原則和可擴(kuò)展性原則，得到新的地基器測(cè)云分類標(biāo)準(zhǔn)。

2）按照新的云分類標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)全天空成像儀和毫米波測(cè)云儀云資料進(jìn)行分類，建立識(shí)云樣本庫，其中層狀云2 677張、對(duì)流云393張、高積云1 114張、積狀云1 624張、卷云4 828張。

3）通過選取識(shí)云樣本庫中特征樣本對(duì)不同天氣狀況的探測(cè)效果進(jìn)行對(duì)比，研究得到全天空成像儀和毫米波測(cè)云儀在探測(cè)識(shí)別上的優(yōu)劣勢(shì)。具體來說，全天空成像儀的觀測(cè)效果直接，受視程類障礙物的影響嚴(yán)重，毫米波測(cè)云儀受雜波干擾，影響識(shí)別準(zhǔn)確度。

本研究基于探測(cè)設(shè)備協(xié)同觀測(cè)的思路開展研究，相較于目前的云觀測(cè)方法能夠更好的發(fā)揮各類探測(cè)設(shè)備的優(yōu)勢(shì)，通過相互補(bǔ)盲的方式達(dá)到分類目的。同時(shí)，研究中建立的識(shí)云樣本庫將成為人工智能的學(xué)習(xí)樣本，為智慧氣象提供幫助。但是，由于分析數(shù)據(jù)有限，在代表性上還有所欠缺，部分樣本可能不夠準(zhǔn)確，后期還需進(jìn)行校準(zhǔn)。本研究的分類方法通過驗(yàn)證被證實(shí)了可行性，隨著探測(cè)設(shè)備性能的不斷提升，特征樣本的不斷豐富，將會(huì)對(duì)云的自動(dòng)化識(shí)別帶來切實(shí)幫助，為預(yù)報(bào)預(yù)警應(yīng)用提供可靠的資料和信息。