專利名稱：一種氣象衛(wèi)星遙感云圖的處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氣象衛(wèi)星遙感云圖的處理方法，屬于氣象技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著空間對地遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，氣象衛(wèi)星的多譜段探測信息已經(jīng)成為短期天氣預(yù)報、突發(fā)性自然災(zāi)害監(jiān)測以及氣候研究等方面最為重要的天基觀測數(shù)據(jù)源，并以其高精度、高時效以及覆蓋范圍廣等特點在防災(zāi)減災(zāi)、軍事保障等領(lǐng)域發(fā)揮著巨大的社會和經(jīng)濟效益。氣象衛(wèi)星作為氣象要素的重要觀測平臺，其探測的主要目標包括大氣的溫度、濕度垂直分布，云以及地表等目標在不同譜段內(nèi)的輻射信息等。對于特定譜段的探測而言，觀測目標自身發(fā)射輻射或反射的太陽輻射經(jīng)遙感儀器探測后得到的信息，將以計數(shù)值的形式給出。例如，通常所說的8比特(bit)量化是指，表征探測信息的計數(shù)值由8位二進制數(shù)給出，范圍介于0到255(注28-1＝255)，共256個等級(level，亦稱為階)，其他量化比特情況依此類推。事實上，遙感儀器總是將能準確探測到的最大目標能量所對應(yīng)的計數(shù)值用最大量化階來表示，顯然，對于相同觀測目標而言，量化比特數(shù)的增加意味著儀器能夠刻畫目標更多的細節(jié)；同時，儀器所能探測到的最小目標信號也將減小，即探測靈敏度得到提高。
目前，國內(nèi)外氣象衛(wèi)星主流遙感儀器在紅外波段，包括熱紅外(10.3μm-11.3μm)、熱紅外分裂窗(11.5μm-12.5μm)以及中紅外(3.5μm-4.0μm)，和水汽波段(6.5μm-7.0μm)的量化等級均達到了10比特，甚至更高。為此，在現(xiàn)有顯示標準下，如何設(shè)計一套合理、有效的顯示方法，即將各波段探測信息以圖像形式給出，從而為云圖目視分析(包括云類型分類，大氣中干、濕區(qū)判斷等)提供更好的觀測依據(jù)，是氣象衛(wèi)星遙感云圖處理所必須解決的一項關(guān)鍵技術(shù)。
考慮到人眼對目標的分辨能力，對于單色系而言，現(xiàn)有顯示標準只支持256階，即顯示深度為8比特，因而，無法在灰度模式下完全展示遙感儀器的探測能力；另一方面，雖然基于R、G、B三原色的彩色模式可以就10比特探測信息給出偽彩色顯示，但卻無法直觀地反映探測信息間的相對能量變化關(guān)系。因此，在通常情況下，量化階大于256的遙感云圖一般均采用高8位的可視化方案，保留了探測數(shù)據(jù)中的主要信息(參見陳渭民編著的《衛(wèi)星氣象學(xué)》，氣象出版社，2003年2月第一版，pp189-195)。
需要指出的是，通常采用的高8位顯示方法，雖然可以保留探測目標間主要的能量相對變化關(guān)系，但這是以在整個探測計數(shù)值范圍內(nèi)模糊若干相鄰計數(shù)值為代價的。例如，假定原始探測信息計數(shù)值的量化比特數(shù)為10，則采用高8位顯示方法的實質(zhì)是將原始探測信息計數(shù)值除以4，并將去掉小數(shù)部分后的整數(shù)作為在云圖中代表該探測信息的顯示值，這屬于典型的線性壓縮技術(shù)。顯然，對于探測信息而言，從計數(shù)值0開始，每相鄰的4個計數(shù)值將對應(yīng)同一個顯示值(如探測計數(shù)值為0-3時，其對應(yīng)的顯示值均為0)，這必然導(dǎo)致在生成的云圖中丟失了目標的微小變化特性，尤其是對于能量很弱的云目標，其細微的云形結(jié)構(gòu)將無法在上述顯示結(jié)果中得到充分展示。另一方面，就基于線性和非線性處理的通用圖像增強顯示技術(shù)而言，雖然它可以在一定程度上提高人眼對目標細微結(jié)構(gòu)的識別能力，但從本質(zhì)上來說，這僅僅是將探測信息中的細節(jié)“放大”了，而并沒有增加顯示信息量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種氣象衛(wèi)星遙感云圖的處理方法，采用優(yōu)化后的非線性壓縮技術(shù)，將氣象衛(wèi)星觀測得到的高精度(量化比特數(shù)大于8)探測信息轉(zhuǎn)換為適應(yīng)現(xiàn)有單色顯示標準的云圖顯示階數(shù)，并保留探測信息中有關(guān)云等弱信號目標的細微結(jié)構(gòu)特征，為云圖目視分析提供觀測依據(jù)。
本發(fā)明提出的氣象衛(wèi)星遙感云圖的處理方法，包括以下步驟(1)對地面獲得的原始探測信息計數(shù)值進行非線性壓縮，得到云圖顯示階數(shù)O=int[exp(μ·I2m-1)exp(μ)·(2n-1)]]]>上式中，I為原始探測信息計數(shù)值，m為原始探測信息最大量化比特數(shù)，n為云圖顯示比特數(shù)，int(·)為對函數(shù)取整，μ為壓縮參數(shù)；(2)建立原始探測信息計數(shù)值與上述云圖顯示階數(shù)之間的映射表；(3)根據(jù)原始探測信息計數(shù)值，從上述映射表中檢索得到供顯示的云圖顯示階數(shù)；(4)根據(jù)上述步驟(3)的云圖顯示階數(shù)，構(gòu)建衛(wèi)星云圖。
上述云圖處理方法中的壓縮參數(shù)μ，其取值范圍為1＜μ＜2m-n，其中m為原始探測信息最大量化比特數(shù)，n為云圖顯示比特數(shù)。在壓縮參數(shù)μ的取值范圍內(nèi)，對于10比特量化的探測信息，熱紅外及紅外分裂窗的壓縮參數(shù)取為2.5，中紅外和水汽通道的壓縮參數(shù)為3.5。
本發(fā)明提出的氣象衛(wèi)星遙感云圖的處理方法，其優(yōu)點在于(1)由于對原始探測信息計數(shù)值采用非線性壓縮，因此將高精度(量化比特數(shù)大于8)的衛(wèi)星觀測信息變換為適應(yīng)于現(xiàn)有單色顯示標準的云圖顯示階數(shù)，并保留探測信息中有關(guān)云等弱信號目標的細微結(jié)構(gòu)特征，為云圖的目視分析提供觀測依據(jù)。
(2)本發(fā)明方法提供了非線性壓縮參數(shù)的理論取值范圍，實際應(yīng)用中可根據(jù)不同探測波段確定最佳的壓縮參數(shù)，以獲得最佳的目視效果。
(3)本發(fā)明方法中，從探測信息到云圖顯示階數(shù)的變換過程中，非線性壓縮操作可由對預(yù)先生成的映射表的檢索來替代，因此本方法易于實現(xiàn)。
(4)使用本發(fā)明方法得到的云圖中，云目標的紋理更加清晰，高、中、低云間的層次更分明，而且云和地面目標間的反差進一步加大，因此有利于對云圖的目視分析，改善云圖的視覺效果，提高了氣象應(yīng)用中云圖目視分析的準確性。
(5)本發(fā)明方法在現(xiàn)有顯示標準下，將量化比特數(shù)大于8的高性能探測信息以云圖形式顯示出來，相對于傳統(tǒng)的高8位顯示方法，增加了更多的云目標信息量，從而為目視判決提供依據(jù)。
(6)利用本發(fā)明方法得到的云圖信息具有相同的顯示基準，因而可以為以后多幅云圖的比對提供可能。


圖1是原始探測信息計數(shù)值的量化比特數(shù)為10時，與不同μ值相對應(yīng)的原始探測信息計數(shù)值與云圖顯示階數(shù)的映射關(guān)系圖。
圖2是我國FY-2C氣象衛(wèi)星熱紅外波段高8位區(qū)域云圖。
圖3是日本MTSAT-1R多功能(含氣象觀測)衛(wèi)星熱紅外波段高8位區(qū)域云圖。
圖4是利用本發(fā)明方法對圖2所依據(jù)的原始探測信息計數(shù)值進行壓縮系數(shù)為2.5的非線性壓縮后得到的云圖。
具體實施例方式
本發(fā)明提出的氣象衛(wèi)星遙感云圖的處理方法，首先對地面獲得的原始探測信息計數(shù)值進行非線性壓縮，得到云圖顯示階數(shù)O=int[exp(μ·I2m-1)exp(μ)·(2n-1)]]]>上式中，I為原始探測信息計數(shù)值，m為原始探測信息最大量化比特數(shù)，n為云圖顯示比特數(shù)，int(·)為對函數(shù)取整，μ為壓縮參數(shù)；然后建立原始探測信息計數(shù)值與上述云圖顯示階數(shù)之間的映射表；根據(jù)原始探測信息計數(shù)值，從上述映射表中檢索得到供顯示的云圖顯示階數(shù)；根據(jù)上述云圖顯示階數(shù)，構(gòu)建衛(wèi)星云圖。
上述云圖處理方法中的壓縮參數(shù)μ，其取值范圍為1＜μ＜2m-n，其中m為原始探測信息最大量化比特數(shù)，n為云圖顯示比特數(shù)。在壓縮參數(shù)μ的取值范圍內(nèi)，對于10比特量化的探測信息，熱紅外及紅外分裂窗的壓縮參數(shù)取為2.5，中紅外和水汽通道的壓縮參數(shù)為3.5。
對于遙感云圖而言，習慣上云總是以白色來表示，以顯示比特數(shù)為8時為例，云目標所對應(yīng)的云圖計數(shù)值應(yīng)位于顯示范圍的高端。然而，事實上，由于云目標的能量相對較小，為滿足顯示要求，地面獲得的原始探測信息計數(shù)值都是對遙感儀器獲得的探測信息計數(shù)值在星上進行了逐位取反操作，即用二進制數(shù)表示時，“1”->“0”，“0”->“1”，后傳送到地面的。因此，本發(fā)明的非線性壓縮方法盡可能地保留探測目標在高端的計數(shù)值信息，具體如下
O=int[exp(μ·I2m-1)exp(μ)·(2n-1)]]]>上式中，I為原始探測信息，m為最大量化比特數(shù)，0為對應(yīng)的云圖顯示階數(shù)，n為顯示比特數(shù)，本發(fā)明方法中n取8，int(·)為對函數(shù)取整，μ為壓縮參數(shù)。從實際應(yīng)用出發(fā)，保留弱信號目標細微特征的關(guān)鍵就是要使上述非線性壓縮計算在計數(shù)值的高端變化律大于線性壓縮時的平均斜率，但必須小于1，即12m-n<2n-12m-1·μ<⇒1<2m-n]]>上式中給出了壓縮參數(shù)μ的理論取值范圍。實際應(yīng)用表明，對于10比特量化的探測信息而言，熱紅外及紅外分裂窗的最佳壓縮參數(shù)取2.5，而中紅外和水汽通道的最優(yōu)壓縮參數(shù)取3.5。
顯然，當壓縮參數(shù)μ確定后，針對原始探測信息計數(shù)值的非線性壓縮過程將不隨探測過程而改變，因此，可將具體的壓縮過程以映射表的形式給出，具體計算方法是在原始探測信息計數(shù)值可能的范圍內(nèi)，以10比特量化為例，將0-1023共1024個整數(shù)依次代入到非線性壓縮方程中，利用預(yù)先確定的壓縮參數(shù)，計算對應(yīng)的云圖顯示階數(shù)，生成所需的映射表，如表1所示，圖示如圖1所示，圖1中的細實線即為μ＝3.5時的映射圖。圖1中，黑色的粗虛線表示已有的高8位顯示方法，是典型的線性壓縮，曲線變化律恒定為1/4；黑色的粗點劃線代表可完全顯示弱目標細節(jié)(對于計數(shù)值大于769的目標，曲線變化律為1)的顯示方法，但該方法的明顯不足在于，對于計數(shù)值小于769的目標統(tǒng)一用0(即黑色)來顯示，這將不可避免地丟失大部分目標信息；細虛線和細實線分別代表μ取2.5和3.5時的非線性壓縮曲線。顯然，隨著探測計數(shù)值的增加，曲線的變化律也增加，這將在很大程度上保留弱目標信號，有利于云圖目視分析。
表1 非線性壓縮映射表(μ＝3.5)

為了獲得云圖顯示階數(shù)，必須根據(jù)實際觀測過程，將原始探測信息計數(shù)值按一定的二維矩陣形式給出。這里假定不同探測目標之間的相對位置關(guān)系已經(jīng)確定，并表示為I(i，j)，其中i和j分別表示探測目標在二維坐標系內(nèi)的行號和列號，則對應(yīng)的云圖顯示階數(shù)可用如下映射關(guān)系給出O(i，j)＝P[I(i，j)]上式中，P[·]代表類似于表1映射表的映射算子。在具體實現(xiàn)過程中，可將該算子理解為一個一維數(shù)組，以表1為例，數(shù)組的下標即原始探測信息計數(shù)值分別為0-1023，對應(yīng)的數(shù)組值即云圖顯示階數(shù)分別為7，7，7，…，119，119，120，…，253，254，255。因此利用上述公式即可構(gòu)建云圖。
圖2是我國FY-2C氣象衛(wèi)星熱紅外波段高8位區(qū)域云圖，圖3是日本MTSAT-1R多功能(含氣象觀測)衛(wèi)星熱紅外波段高8位區(qū)域云圖，這兩幅云圖都是在2006年7月31日世界時05:30兩顆衛(wèi)星觀測到的我國南海區(qū)域圖像。很顯然，雖然兩顆衛(wèi)星都采用了10比特量化技術(shù)，但同樣采用高8位顯示方法后，F(xiàn)Y-2C的圖像清晰度明顯不及MTSAT-1R，這主要是由二者遙感儀器性能及量化方式的差異所致。為了彌補這方面的不足，圖4給出了采用μ＝2.5的非線性壓縮顯示方法。相對于圖2而言，圖4中云目標的紋理更加清晰，高、中、低云間的層次更分明，且云和地面目標間的反差進一步加大，有利于對云圖的目視分析。此外，雖然圖4的清晰度不及圖3，但在不同云類型的區(qū)分度上卻優(yōu)于圖3的顯示結(jié)果。由此可見，本發(fā)明給出的一種氣象衛(wèi)星遙感云圖的處理方法可以提高氣象應(yīng)用中云圖目視分析準確性，保留更多的云目標信息，改善云圖的視覺效果。
權(quán)利要求
1.一種氣象衛(wèi)星遙感云圖的處理方法，其特征在于該方法包括以下步驟(1)對地面獲得的原始探測信息計數(shù)值進行非線性壓縮，得到云圖顯示階數(shù)O=int[exp(μ·I2m-1)exp(μ)·(2n-1)]]]>上式中，I為原始探測信息計數(shù)值，m為原始探測信息最大量化比特數(shù)，n為云圖顯示比特數(shù)，int(·)為對函數(shù)取整，μ為壓縮參數(shù)；(2)建立原始探測信息計數(shù)值與上述云圖顯示階數(shù)之間的映射表；(3)根據(jù)原始探測信息計數(shù)值，從上述映射表中檢索得到供顯示的云圖顯示階數(shù)；(4)根據(jù)上述步驟(3)的云圖顯示階數(shù)，構(gòu)建衛(wèi)星云圖。
2.如權(quán)利要求1所述的云圖處理方法，其特征在于其中所述的壓縮參數(shù)μ的取值范圍為1＜μ＜2m-n，其中m為原始探測信息最大量化比特數(shù)，n為云圖顯示比特數(shù)。
3.如權(quán)利要求2所述的云圖處理方法，其特征在于其中所述的壓縮參數(shù)μ的取值范圍，對于10比特量化的探測信息，熱紅外及紅外分裂窗的壓縮參數(shù)取為2.5，中紅外和水汽通道的壓縮參數(shù)為3.5。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種氣象衛(wèi)星遙感云圖的處理方法，屬于氣象技術(shù)領(lǐng)域。首先對地面獲得的原始探測信息計數(shù)值進行非線性壓縮，得到云圖顯示階數(shù)；建立原始探測信息計數(shù)值與云圖顯示階數(shù)之間的映射表；根據(jù)原始探測信息計數(shù)值，從映射表中檢索得到供顯示的云圖顯示階數(shù)；根據(jù)云圖顯示階數(shù)，構(gòu)建衛(wèi)星云圖。本發(fā)明方法的優(yōu)點是對原始探測信息計數(shù)值采用非線性壓縮，將高精度的衛(wèi)星觀測信息變換為適應(yīng)于現(xiàn)有單色顯示標準的云圖顯示階數(shù)，并保留探測信息中有關(guān)云等弱信號目標的細微結(jié)構(gòu)特征，為云圖的目視分析提供觀測依據(jù)。而且云圖中云目標的紋理清晰，層次分明，云和地面目標間的反差加大，提高了氣象應(yīng)用中云圖目視分析的準確性。
文檔編號G01S7/48GK1945353SQ20061011405
公開日2007年4月11日 申請日期2006年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月26日
發(fā)明者郭強 申請人:國家衛(wèi)星氣象中心