基于双线性内插值的 CD雷达垂直剖面算法

熊 伟,周明飞,潘徐艳

(1.贵州省气象台,贵州 贵阳 550002;2.贵州省气候中心,贵州 贵阳 550002)

基于双线性内插值的 CD雷达垂直剖面算法

熊 伟1,周明飞1,潘徐艳2

(1.贵州省气象台,贵州 贵阳 550002;2.贵州省气候中心,贵州 贵阳 550002)

该文针对贵州 CD型号新一代多普勒天气雷达反射率因子,采用 C#编程,经坐标转换后处理成三维网格数据,基于双线性内插值法,实现任意方向雷达反射率因子垂直剖面制作,结合贵阳雷达分析,结果表明双线性内插值法放大后的图像质量较高,解决了因垂直剖面图像较小不利于显示及放大的问题。

CD雷达;垂直剖面;双线性内插值;图像

1 引言

目前,新一代多普勒天气雷达在天气预报业务中得到了广泛的应用,主要针对灾害性天气,特别是短时强降水、雷雨大风、冰雹等灾害性天气的监测和预警。为了清楚地看出风暴的回波结构,需分析雷达回波特征及对风暴相应位置作垂直剖面分析。贵州所有的雷达均为成都 784厂 CD型号新一代多普勒天气雷达 (以下简称 CD雷达),目前没有成熟的基于雷达反射率因子的垂直剖面分析软件,而业务工作又急需实现贵州 CD雷达反射率因子垂直剖面分析及高质量图像的显示应用。

本文针对贵州 CD雷达反射率因子,采用 C#编程,经坐标转换后处理成三维网格数据,实现任意方向垂直剖面分析,利用双线性内插值法解决垂直剖面图像显示放大且不失真的现象,结合贵阳雷达分析双线性内插值法在雷达垂直剖面图像中的应用。

2 CD雷达反射率因子分析处理

2.1 极坐标下 CD雷达反射率因子转换为三维网格数据

CD雷达理论探测距离为 250Km,实际有效探测距离在 160Km左右,径向库长为 250m。采用VCP21模式 (6min完成 9个仰角的扫描：0.5°,1.45°,2.4°,3.4°,4.3°,6.0°,9.9°,14.6°,19.5°)进行扫描,如图 1所示。

本方法在垂直方向取 20Km,分辨率为 0.5Km,水平方向取 300Km,分辨率为 1Km的三维数据矩阵Data(40,300,300),这样可得到 40层不同高度平面上的 CAPPI数据,此 CAPPI数据,实际上是由不同仰角不同距离上的雷达回波观测值通过内插得到的。利用同一高度上的 CAPPI数据,可以较方便地分析雷达回波信息在某高度上的水平分布,便于与邻近该高度的天气图分析相结合;而用不同高度上的 CAPPI数据还可以了解风暴的三维结构。

不同高度上的 CAPPI数据可通过网格反插得到,网格反查是以雷达站为网格中点。利用数学公式得到网格中任意网格点 D到雷达站的距离 R及与正北方向的夹角β。这样,D网格点的分析值就近似等于方位角为β,径向距离为 R的点的观测值。

对于三维网格点,如图 2,D网格点到雷达站高度为 H、距离为 R、与雷达站水平面的夹角为θ、方位角为β,D网格点的雷达回波分析值按照最邻近插值法及内插平均有以下 3种情况：

①θ ＜0.5°或 θ＞19.5°(第 1个和最后 1个仰角)

③α＜θ＜α′(α′为α仰角的下一扫描仰角 )

式中 f(H,R,θ,β)代表 D网格点的雷达回波分析值,f′(R,αβ)代表仰角为α,方位角为β,径向距离为 R处的雷达回波观测值。α为 VCP21扫描模式中的体扫仰角。经过循环计算可求出三维网格数据 Data(40,300,300)。

2.2 实例对比分析

图 3、图 4分别是 2008-07-28T 18：18贵阳雷达 2Km及 5Km高度雷达反射率因子 CAPPI图像,图 (a)为本方法得出,图 (b)是 784厂雷达显示软件计算的,从图中可以看出,雷达反射率因子的强度及位置比较一致,本文还经过大量的对比分析,表明本方法得到的结果是准确的,算法是可行的。

2.3 反射率因子垂直剖面计算

通过对雷达反射率因子处理后得到三维网格数据 Data(40,300,300),网格中心的经纬度为雷达站经纬度,如图 5,在屏幕上从 A到 B点画任意一直线,通过屏幕坐标转换得到 A和 B点的经纬度,而网格点的边界经纬度是已知的,通过计算,A、B点的雷达反射率因子大小为 Data(40,x1,y1)、Data(40,x2,y2),进而可求 AB直线上任意 C点的雷达反射率因子 Data(40,x,y)。

x1,y1,x2,y2分别为 A、B点与网格点边界的网格距离,dis为 A、B两点之间的网格距离,通过相关数学计算可得沿 AB直线切面的网格数据 PouMianDbz[40,dis]。

3 双线性内插值法

最简单的插值算法是最邻近插值法,该方法计算量小,速度快,在多数情况下能得到令人满意的结果,但是当对图像进行多倍放大处理时,最邻近算法往往满足不了放大的要求。双线性内插值算法计算量大,但计算结果更符合实际情况,成像后图像质量高,不会出现像素值不连续的的情况。

对于一个新网格点 NewGridData(i+a,j+b),其中 i、j均为非负整数,a、b为 [0,1]区间的浮点数,则这个网格点的值NewGridData(i+a,j+b)可由原网格中 OldGridData(i,j)、OldGridData(i+l,j)、Old-GridData(i,j+1)、OldGridData(i+l,j+1)4个网格点的值决定,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),依次类推 ,求出所有新网格点数值,这就是双线性内插值法。

3.1 主要 C#代码

由于篇幅原因,在这里省略了部分代码：

{

//zoomW为 X轴方向的放大倍数,zoomH为 Y轴方向的放大倍数

通过以上计算得到新的网格数据 NewGridData,利用此网格数据即可进行成像处理。

3.2 经双线性内插值法与未经插值得到的图像对比

图 6是 2008-07-28 T 18：18贵阳雷达组合反射率因子图像,图 7是图 6中 A点向 B点作垂直剖面得到的图像,其中 (a)为未经插值处理得到的图像,图像小,视觉效果差,(c)是 (a)通过看图软件放大后的图像,出现模糊现象,(b)为经双线性内插值后得到的图像,清晰度高,视觉效果好。

4 小结

本文介绍了基于 CD型号雷达反射率因子垂直剖面的实现方法以及利用双线性内插值法应用到垂直剖面图像向中。通过比较说明本方法中将雷达原始数据转换成三维网格数据、任意方向作垂直剖面分析方法是可行的。最后利用双线内插值法实现图像缩放的算法,结果表明经双线性内插值法放大后的图像质量较高,解决了因垂直剖面图像较小不利于显示及放大的问题。

[1] 俞小鼎,姚秀萍,等 .多普勒天气雷达原理与业务应用[M].北京：气象出版社,2006.

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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

熊伟 (1978-),男,工程师,主要从事短时临近天气预报工作。

贵州省科技厅黔科合重大专项字 (2006)6034号。