專利名稱：基于氣象雷達基數(shù)據(jù)三維重構(gòu)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氣象領(lǐng)域，根據(jù)氣象雷達獲得的基數(shù)據(jù)進行三維重構(gòu)，具體講，涉及基于氣象雷達基數(shù)據(jù)三維重構(gòu)方法。
背景技術(shù)：
氣象預(yù)報一直都是一項關(guān)乎民生、民計的重要工作。多年來，許多相關(guān)科技人員都致力于氣象領(lǐng)域的研究，希望能夠幫助預(yù)報員對天氣尤其是對強對流天氣做出準(zhǔn)確、及時的預(yù)報，降低自然災(zāi)害所造成的損失。目前，所有氣象領(lǐng)域的研究工作大多在二維空間中進行，缺乏直觀性，可視化程度低。為此，本發(fā)明致力于三維空間的建模研究。對于計算機可視化技術(shù)，因其可以把通過數(shù)據(jù)采集獲得的大量數(shù)據(jù)或無法直接方
便觀察的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為人更容易理解和接受的視覺圖像?？梢暬夹g(shù)在很多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，但是，國內(nèi)外研發(fā)的可視化系統(tǒng)軟件大都是基于二維圖像顯示的，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，這些已不能滿足人們科研和工作的需要。因此，三維可視化技術(shù)必將成為可視化領(lǐng)域的主流。在天氣預(yù)報方面，人們對能夠及時、準(zhǔn)確掌握天氣的現(xiàn)狀和變化趨勢方面的需求越來越大，由此研究人員開始廣泛的借助計算機進行數(shù)值天氣預(yù)報，所以在此基礎(chǔ)上迫切需要建立與之配套的氣象可視化系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提高氣象數(shù)據(jù)直觀性，通過一定的三維可視化算法借助二維圖像信息重現(xiàn)單體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使其立體化，最大限度地挖掘氣象雷達基數(shù)據(jù)的潛在信息，從而為氣象科學(xué)研究工作提供一種更直觀的數(shù)據(jù)顯示方式以及相關(guān)的氣象特征。為達到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，基于氣象雷達基數(shù)據(jù)三維重構(gòu)方法，包括如下步驟I)斷層輪廓線的提取和采樣，包括對圖像進行二值化處理、開運算進行邊界平滑、區(qū)域標(biāo)記去除微小面積、邊界跟蹤進行邊界提取和弦采樣進行邊界采樣；2)單體的三維建模，包括斷層間輪廓的對應(yīng)、斷層間輪廓拼接、斷層間插值和分叉處理；3)基于OpenGL的三維渲染和顯示，包括三角片面的繪制、光照和顏色的設(shè)定、坐標(biāo)變換和利用顏色混合進行透明顯示。斷層輪廓線的提取和采樣是首先，提取出選定區(qū)域在9個仰角下所對應(yīng)的斷層圖像的輪廓線；其次，對所得輪廓線標(biāo)號并采樣，整個過程的步驟細(xì)化如下步驟一將選定區(qū)域的某反射率強度值作為閾值，采用閾值為20dBZ，對選定的區(qū)域進行二值化處理；步驟二利用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)里的開運算對二值化后的圖像進行平滑去噪，使用開運算即先腐蝕后膨脹，進行圖像平滑去噪；步驟三利用區(qū)域標(biāo)記法，去掉面積小于一定閾值的區(qū)域；
步驟四利用邊界跟蹤算法，進行輪廓線提取，并標(biāo)號存儲；步驟五利用弦采樣算法，對提取的輪廓線進行采樣、標(biāo)號和存儲。斷層輪廓線的拼接是，先通過兩相鄰輪廓線長軸找初始對應(yīng)點，并通過兩長軸的空間夾角進行微調(diào)，再利用拼接算法進行相鄰斷層輪廓線的拼接，其中A各斷層初始對應(yīng)點選取，具體操作步驟如下I)在每條輪廓線上，找出距離最大的兩個點的連線作為長軸；2)從低仰角到高仰角依次計算兩相鄰斷層輪廓線長軸的空間夾角，如果夾角小于給定閾值，則選擇長軸的兩個端點作為輪廓拼接的待選初始點；如果夾角大于給定閾值則進行微調(diào)，即在較高仰角的輪廓線上，將每個點和與其對應(yīng)的距離最大的點湊成點對，并連 接兩個點形成一條線段，然后在這些線段里找出與其相鄰低仰角的輪廓線長軸的夾角小于給定閾值的線段作為該輪廓線的長軸，此長軸的兩個端點即為微調(diào)后的輪廓拼接待選初始占.3)選取最低仰角斷層的待選初始點中任一點作為初始點，其后每一斷層均從其相鄰斷層輪廓線待選初始點中選取與初始點所對應(yīng)的點作為初始對應(yīng)點。B斷層輪廓線對應(yīng)點的尋找與連接從兩相鄰斷層輪廓線上的初始對應(yīng)點開始，依次找到后續(xù)對應(yīng)點對，并按照拓?fù)湟恢滦缘脑瓌t連接成一系列三角形面片模擬表面，具體操作步驟I)連接兩斷層輪廓線初始對應(yīng)點，依次沿輪廓線尋找下一個對應(yīng)點對；2)判斷此時對應(yīng)點對的連線的斜率與空間Z軸的空間夾角是否小于給定閾值，如果小于給定閾值，則判定為對應(yīng)點對；如果大于給定閾值則進行插值，先連接P1P2,其與Z軸的空間夾角大于給定閾值，則在P3P2中選擇一點P4,滿足P1P4與Z軸的空間夾角小于給定閾值，此時Pp P4為對應(yīng)點對；同理繼續(xù)尋找下一對應(yīng)點對；3)連接對應(yīng)點對，用三角形圖元模擬建立對象表面模型，相鄰斷層間兩個對應(yīng)點對連線以及同一輪廓線上對應(yīng)點的連線組成了一個四邊形，如P1P5P6P4組成了一個四邊形，為保證重構(gòu)表面的拓?fù)湟恢滦跃B接四邊形左上點和右下點，即P1P6將四邊形分為兩個三角形，同理依次連接后續(xù)對應(yīng)點對。包括對圖像進行二值化處理，其中的圖像是由基數(shù)據(jù)生成的圖像，基數(shù)據(jù)為每6分鐘I個體掃(9個仰角)的數(shù)據(jù)，通過讀取該基數(shù)據(jù)，獲取9個仰角下的反射率因子圖像。本發(fā)明的技術(shù)特點及效果本發(fā)明斷層輪廓線的提取和采樣、單體的三維建模和基于OpenGL的三維渲染和顯示，最大限度地挖掘氣象雷達基數(shù)據(jù)的潛在信息，實現(xiàn)了為氣象科學(xué)研究工作提供更直觀的數(shù)據(jù)顯示方式；在給出單體三維重構(gòu)的結(jié)果的同時，也給出了單體中每個反射率值所對應(yīng)的實際高度、高度中心以及單體中心距離雷達中心的實際距離，同時添加了旋轉(zhuǎn)和放縮的功能，使預(yù)報人員可以從各個角度和細(xì)節(jié)對單體進行觀測。另外通過該單體不同時刻高度的變化，確定單體的下降速度。


圖I本發(fā)明顯示界面示意圖。
圖2本發(fā)明效果圖。圖3反射率原圖。圖4 二值化處理結(jié)果。圖5圖4開運算處理結(jié)果。圖6圖5保留主體結(jié)果。圖7邊界跟蹤算法示意圖。圖8圖6邊界提取將結(jié)果。圖9弦采樣示意圖。
圖10弦采樣結(jié)果。圖11求取長軸后結(jié)果。圖12對應(yīng)點尋找、連接示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明的步驟為I.斷層輪廓線的提取和采樣，包括對圖像進行二值化處理、開運算進行邊界平滑、區(qū)域標(biāo)記去除微小面積、邊界跟蹤進行邊界提取和弦采樣進行邊界采樣。2.單體的三維建模，包括斷層間輪廓的對應(yīng)、斷層間輪廓拼接、斷層間插值和分叉處理。3.基于OpenGL的三維渲染和顯示，包括三角片面的繪制、光照和顏色的設(shè)定、坐標(biāo)變換和利用顏色混合進行透明顯示。下面結(jié)合附圖和具體實施方式
進一步詳細(xì)說明本發(fā)明圖I中菜單欄、工具欄給出了三維重構(gòu)的中間操作過程；右邊子窗口給出了氣象雷達基數(shù)據(jù)的相關(guān)信息包括反射率圖的范圍、分辨率、基數(shù)據(jù)的時間、經(jīng)緯度、相關(guān)模式、體掃方式、雷達中心仰角和距離、仰角、最大反射率強度值、顏色卡等信息；中間窗口為單體重構(gòu)最終結(jié)果；左邊窗口為單體重構(gòu)中所使用的反射率強度值、與其對應(yīng)的描述顏色、每個反射率強度的高度(單位為千米)和單體中心距離雷達中心的距離；同時可以使用鍵盤的上下鍵對結(jié)果進行放縮，使用左右鍵對結(jié)果進行旋轉(zhuǎn)。圖2將雷達基數(shù)據(jù)2006062709. 59A-2006062710. 59A的12個基數(shù)據(jù)進行了三維
重構(gòu)和透明，并將結(jié)果送至氣象局，經(jīng)氣象局資深預(yù)報員審核，三維重構(gòu)效果較好，能夠從中看出氣流的上升和下沉以及云體的發(fā)展階段。右圖與左圖相比，氣流明顯加強。左圖時刻為10 :41，右圖為10 47o本發(fā)明的詳細(xì)步驟如下(I)雷達基數(shù)據(jù)的獲取本發(fā)明針對的是由CINRAD-SA雷達獲得的氣象基數(shù)據(jù)(主要包括反射率因子、徑向速度和速度譜寬)，其中反射率因子(單位為dBZ)為所選用的重要的參考變量。(2)斷層輪廓線的提取和采樣氣象雷達基數(shù)據(jù)為我們提供了 9個仰角下的圖像，即三維重構(gòu)所需的斷層圖像。如果要對選定區(qū)域進行三維重構(gòu)首先，提取出選定區(qū)域在9個仰角下所對應(yīng)的斷層圖像的輪廓線；其次，對所得輪廓線標(biāo)號并采樣。整個過程的步驟如下
步驟一將選定區(qū)域的某反射率強度值作為閾值，本發(fā)明采用閾值為20dBZ，對選定的區(qū)域進行二值化處理，將選定區(qū)域中強度不小于20dBZ的像素點賦為白色，其余像素點賦值為黑色。圖3為單體反射率原圖，圖4為二值化處理結(jié)果步驟二利用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)里的開運算對二值化后的圖像進行平滑去噪。本發(fā)明使用開運算(先腐蝕后膨脹)進行圖像平滑去噪能。其中結(jié)構(gòu)元素模板為4X4模板(1，0，0，1，O,O,O,O,O,O,O,O, I,O,O, I) O圖5為開運算處理結(jié)果。步驟三利用區(qū)域標(biāo)記法，去掉面積小于一定閾值(經(jīng)驗值)的區(qū)域。區(qū)域標(biāo)記算法按所選區(qū)域是4鄰域還是8鄰域進行標(biāo)記，分為4連通和8連通兩種方法。本文選取8連通加標(biāo)記，判斷過程為假設(shè)圖像中任意點P為需要加標(biāo)記的點，則判斷該點的上點、左上點、右上點和左前點的情況；如果四個點均為背景點，則該點加新標(biāo)記；如果存在一鄰點已加標(biāo)記，則該點也加以相同標(biāo)記；如果存在兩個點已加標(biāo)記，則該點與左前點加相同標(biāo)記。第二遍掃描把同一物體的標(biāo)記統(tǒng)一化。區(qū)域標(biāo)記后，統(tǒng)計每個不連通區(qū)域的面積，即該區(qū)域所包含像素點的個數(shù)，選取像素點數(shù)最多的區(qū)域。圖6為保留主體后結(jié)果。 步驟四利用邊界跟蹤算法，進行輪廓線提取，并標(biāo)號存儲。邊界跟蹤算法的跟蹤過程可以描述為選擇初始點為起始點，定義初始的跟蹤方向是左上方O方向，判斷該點是否為目標(biāo)點，如果是目標(biāo)點，則把該點作為跟蹤的當(dāng)前點，逆時針旋轉(zhuǎn)90°作為新的跟蹤方向，繼續(xù)檢測新的跟蹤方向上的點；若不是目標(biāo)點，則順時針旋轉(zhuǎn)45° ,—直找到目標(biāo)點。找到之后,在當(dāng)前的跟蹤方向基礎(chǔ)上,逆時針旋轉(zhuǎn)90°作為新的跟蹤方向，以此類推，直到回到起始點。整個過程如圖7示意圖所示，將圖6用邊界跟蹤算法進行邊界提取，結(jié)果如圖8所示步驟五利用弦采樣算法，對提取的輪廓線進行采樣、標(biāo)號和存儲。弦采樣方法的基本步驟如圖9所示I)找到邊界中距離最大的兩個點V0，VI，它們的連線為D。2) VO, Vl將邊界分為兩部分，順時針選取VOVl段，找到其中距離線段VOVl最大的點，記為V2 ;順時針選取VlVO段，找到其中距離線段VlVO最大的點，記為Ti。3)V0, VI，V2，V3將邊界分為四部分，同理依次找到這四條線段中距離其相應(yīng)的弦最大的點，并記錄。4)直到點到弦的距離小于一定給定閾值(本發(fā)明取O. 05)，則停止采樣。圖9中白色曲線為原輪廓線，粉色點為利用弦采樣方法對原輪廓線進行采樣所得的采樣點。由圖可見，采樣點包含了曲線的大多數(shù)特征點，保留了曲線中大多數(shù)信息，另外采樣點密度比較均勻合理。(3)斷層輪廓線的拼接本文先通過兩相鄰輪廓線長軸找初始對應(yīng)點，并通過兩長軸的空間夾角進行微調(diào)，再利用拼接算法進行相鄰斷層輪廓線的拼接。I.初始點選取具體步驟如下I)在每條輪廓線上，找出距離最大的兩個點的連線作為長軸。2)從低仰角到高仰角依次計算兩相鄰斷層輪廓線長軸的空間夾角，如果夾角小于給定閾值(經(jīng)驗值)，則選擇長軸的兩個端點作為輪廓拼接的待選初始點；如果夾角大于給定閾值則進行微調(diào)，即在較高仰角的輪廓線上，將每個點和與其對應(yīng)的距離最大的點湊成點對，并連接兩個點形成一條線段，然后在這些線段里找出與其相鄰低仰角的輪廓線長軸的夾角小于給定閾值的線段作為該輪廓線的長軸，此長軸的兩個端點即為微調(diào)后的輪廓拼接待選初始點。3)選取最低仰角斷層的待選初始點中任一點作為初始點，其后每一斷層均從其相鄰斷層輪廓線待選初始點中選取與初始點對應(yīng)的點作為初始點。圖11求取長軸后結(jié)果。可統(tǒng)一選取紅色點為輪廓線初始點，或統(tǒng)一選取黃色點作為輪廓線初始點。各輪廓線初始點構(gòu)成初始對應(yīng)點。2.斷層輪廓線對應(yīng)點的尋找與連接由于本文輪廓線采樣點是按照順序依次存入容器中，因此在構(gòu)建表面時，可從兩相鄰斷層輪廓線上的初始對應(yīng)點開始，依次找到后續(xù)對應(yīng)點對，并按照拓?fù)湟恢滦缘脑瓌t連接成一系列三角形面片模擬表面。尋找連接過程如圖12所示。
圖12中，圓形黑色點為兩斷層輪廓線的初始對應(yīng)點，方形黑色點為兩斷層輪廓線的采樣點，叉形藍色點為尋找對應(yīng)點對過程中需要插值的點，紅色線為連接兩斷層輪廓線的跨距，即三角面片的邊。具體操作步驟I)連接兩斷層輪廓線初始對應(yīng)點，依次沿輪廓線尋找下一個對應(yīng)點對。2)判斷此時對應(yīng)點對的連線的斜率與空間Z軸的空間夾角是否小于給定閾值(經(jīng)驗值)，如果小于給定閾值，則判定為對應(yīng)點對；如果大于給定閾值則進行插值。如圖所示，先連接P1P2,其與Z軸的空間夾角大于給定閾值，則在P3P2中選擇一點P4,滿足P1P4與Z軸的空間夾角小于給定閾值，此時Pp P4為對應(yīng)點對；同理繼續(xù)尋找下一對應(yīng)點對。3)連接對應(yīng)點對，用三角形圖元模擬建立對象表面模型。相鄰斷層間兩個對應(yīng)點對連線以及同一輪廓線上對應(yīng)點的連線組成了一個四邊形，如圖所示P1P5P6P4組成了一個四邊形，為保證重構(gòu)表面的拓?fù)湟恢滦跃B接四邊形左上點和右下點，即P1P6將四邊形分為兩個三角形。同理依次連接后續(xù)對應(yīng)點對。(4)基于OpenCL的單體三維渲染和透明顯示對已構(gòu)建好的三維單體進行渲染和透明顯示，主要包括坐標(biāo)變換，光照的設(shè)定以及透明的實現(xiàn)。由于VC++在界面設(shè)計方面比較優(yōu)秀，OpenGL在三維圖形繪制和顯示方面非常突出，本文選擇VS2008為程序開發(fā)平臺，并結(jié)合OpenGL對本文研究技術(shù)的可行性和效果進行驗證。本發(fā)明有益效果基于氣象雷達基數(shù)據(jù)三維重構(gòu)系統(tǒng)，經(jīng)過樣本測試，并將重建結(jié)果交與某市氣象局的資深專家進行評定，經(jīng)評定重構(gòu)結(jié)果基本與實際情況一致。在本系統(tǒng)中，在給出單體三維重構(gòu)的結(jié)果的同時，也給出了單體中每個反射率層次的實際高度以及單體中心距離雷達中心的實際距離，同時添加了旋轉(zhuǎn)和放縮的功能，使預(yù)報人員可以從各個角度和細(xì)節(jié)對單體進行觀測。本文的創(chuàng)新之處在于將三維重構(gòu)應(yīng)用于氣象領(lǐng)域，并且取得不錯的效果。
權(quán)利要求
1.ー種基于氣象雷達基數(shù)據(jù)三維重構(gòu)方法，其特征是，包括如下步驟 1)斷層輪廓線的提取和采樣，包括對圖像進行ニ值化處理、開運算進行邊界平滑、區(qū)域標(biāo)記去除微小面積、邊界跟蹤進行邊界提取和弦采樣進行邊界采樣； 2)単體的三維建模，包括斷層間輪廓的對應(yīng)、斷層間輪廓拼接、斷層間插值和分叉處理； 3)基于OpenGL的三維渲染和顯示，包括三角片面的繪制、光照和顔色的設(shè)定、坐標(biāo)變換和利用顔色混合進行透明顯示。
2.如權(quán)利要求I所述的基于氣象雷達基數(shù)據(jù)三維重構(gòu)方法，其特征是，斷層輪廓線的提取和采樣是首先，提取出選定區(qū)域在9個仰角下所對應(yīng)的斷層圖像的輪廓線；其次，對所得輪廓線標(biāo)號并采樣，整個過程的步驟細(xì)化如下 步驟ー將選定區(qū)域的某反射率強度值作為閾值，采用閾值為20dBZ，對選定的區(qū)域進行ニ值化處理； 步驟ニ 利用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)里的開運算對ニ值化后的圖像進行平滑去噪，使用開運算即先腐蝕后膨脹，進行圖像平滑去噪； 步驟三利用區(qū)域標(biāo)記法，去掉面積小于一定閾值的區(qū)域； 步驟四利用邊界跟蹤算法，進行輪廓線提取，并標(biāo)號存儲； 步驟五利用弦采樣算法，對提取的輪廓線進行采樣、標(biāo)號和存儲。
3.如權(quán)利要求I所述的基于氣象雷達基數(shù)據(jù)三維重構(gòu)方法，其特征是，斷層輪廓線的拼接是，先通過兩相鄰輪廓線長軸找初始對應(yīng)點，并通過兩長軸的空間夾角進行微調(diào)，再利用拼接算法進行相鄰斷層輪廓線的拼接，其中 A各斷層初始對應(yīng)點選取，具體操作步驟如下 1)在每條輪廓線上，找出距離最大的兩個點的連線作為長軸； 2)從低仰角到高仰角依次計算兩相鄰斷層輪廓線長軸的空間夾角，如果夾角小于給定閾值，則選擇長軸的兩個端點作為輪廓拼接的待選初始點；如果夾角大于給定閾值則進行微調(diào)，即在較高仰角的輪廓線上，將每個點和與其對應(yīng)的距離最大的點湊成點對，并連接兩個點形成一條線段，然后在這些線段里找出與其相鄰低仰角的輪廓線長軸的夾角小于給定閾值的線段作為該輪廓線的長軸，此長軸的兩個端點即為微調(diào)后的輪廓拼接待選初始點； 3)選取最低仰角斷層的待選初始點中任一點作為初始點，其后每ー斷層均選取與其相鄰斷層輪廓線待選初始點所對應(yīng)的長軸端點作為初始對應(yīng)點。
B斷層輪廓線對應(yīng)點的尋■找與連接 從兩相鄰斷層輪廓線上的初始對應(yīng)點開始，依次找到后續(xù)對應(yīng)點對，并按照拓?fù)湟恢滦缘脑瓌t連接成一系列三角形面片模擬表面，具體操作步驟 1)連接兩斷層輪廓線初始對應(yīng)點，依次沿輪廓線尋找下ー個對應(yīng)點對； 2)判斷此時對應(yīng)點對的連線的斜率與空間Z軸的空間夾角是否小于給定閾值，如果小于給定閾值，則判定為對應(yīng)點對；如果大于給定閾值則進行插值，先連接P1P2,其與Z軸的空間夾角大于給定閾值，則在P3P2中選擇一點P4，滿足P1P4與Z軸的空間夾角小于給定閾值，此時PpP4為對應(yīng)點對；同理繼續(xù)尋找下ー對應(yīng)點對； 3)連接對應(yīng)點對，用三角形圖元模擬建立對象表面模型，相鄰斷層間兩個對應(yīng)點對連線以及同一輪廓線上對應(yīng)點的連線組成了一個四邊形，如P1P5P6P4組成了一個四邊形，為保證重構(gòu)表面的拓?fù)湟恢滦跃B接四邊形左上點和右下點，即P1P6將四邊形分為兩個三角形，同理依次連接后續(xù)對應(yīng)點對。
4.如權(quán)利要求I所述的基于氣象雷達基數(shù)據(jù)三維重構(gòu)方法，其特征是，包括對圖像進行ニ值化處理，其中的圖像是由基數(shù)據(jù)生成的圖像，基數(shù)據(jù)為每6分鐘I個體掃9個仰角的數(shù)據(jù)，通過讀取該基數(shù)據(jù)，獲取9個仰角下的反射率因子圖像。
全文摘要
本發(fā)明涉及氣象領(lǐng)域。為提高氣象數(shù)據(jù)直觀性，通過一定的三維可視化算法借助二維圖像信息重現(xiàn)單體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使其立體化，最大限度地挖掘氣象雷達基數(shù)據(jù)的潛在信息，從而為氣象科學(xué)研究工作提供一種更直觀的數(shù)據(jù)顯示方式以及相關(guān)的氣象特征，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，基于氣象雷達基數(shù)據(jù)三維重構(gòu)方法，包括如下步驟1)斷層輪廓線的提取和采樣，包括對圖像進行二值化處理、開運算進行邊界平滑、區(qū)域標(biāo)記去除微小面積、邊界跟蹤進行邊界提取和弦采樣進行邊界采樣；2)單體的三維建模，包括斷層間輪廓的對應(yīng)、斷層間輪廓拼接、斷層間插值和分叉處理；3)基于OpenGL的三維渲染和顯示。本發(fā)明主要應(yīng)用于氣象領(lǐng)域。
文檔編號G06T15/00GK102855658SQ20121024724
公開日2013年1月2日 申請日期2012年7月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月17日
發(fā)明者路志英, 韓春艷, 靳鑫 申請人:天津大學(xué)