基于航海雷达图像遮挡区多特性参数组合的雨强等级反演方法技术

本发明专利技术提供一种基于航海雷达图像遮挡区多特性参数组合的雨强等级反演方法，首先，离线开展观测实验，确定降雨强度与遮挡区零强度百分比、回波强度均值的拟合关系式；然后，对待反演雷达原始图像进行预处理，计算遮挡区特性参数：零强度百分比、回波强度均值；之后，将其分别代入零强度百分比与降雨强度拟合关系式、回波强度均值与降雨强度拟合关系式，得到两个降雨强度；最后，将得到的两个降雨强度求平均值作为最后的降雨强度，从而确定降雨强度等级。利用实测数据检验了效果，本方法反演降雨强等级整体正确率达85％，本方法为航海过程中的降雨测量提供了一种新的便捷途径。

【技术实现步骤摘要】
基于航海雷达图像遮挡区多特性参数组合的雨强等级反演方法
本专利技术涉及一种基于航海雷达图像遮挡区多特性参数组合的雨强等级反演方法，属于海洋遥感
，具体涉及的是利用航海雷达图像遮挡区多特性参数组合进行降雨强度等级反演计算的海洋遥感

技术介绍
占地球表面积71％的海洋拥有丰富的资源，21世纪以来，人类对海洋这一特殊空间有了更深刻的认识，海洋资源的探索、海洋环境的监测对促进海洋经济可持续发展，加强海洋生态文明建设，推进海洋进步有着重大的意义[1]，对海洋环境的实时监测已经迫在眉睫，随着遥感技术的不断进步，应用具有高分辨率特性的航海雷达，可以便捷地、实时地利用回波图像提取风、浪、流等海洋动力学参数[2][3][4]，其中海浪信息的获取尤为重要，应用海浪监测设备可以反演海浪谱、波高、波长、波向、波周期等海浪信息。在进行海浪信息的反演过程中，降雨的存在会改变海洋表面的粗糙度，使雷达的后向散射面积发生改变，影响海面回波强度，同时，降雨会阻碍电磁波的传播，增大电磁波的衰减，从而缩小雷达的测波范围[5][6]。目前针对降雨在海浪反演过程中产生的不利影响，大多是将降雨时的雷达图像进行识别、筛选出来，抑制其产生的不利影响。针对较为严重的降雨，雷达图像大面积模糊，对信号产生不可恢复的干扰，严重影响海浪信息的提取，所以对雷达图像中降雨特征的监测有着重要的意义。见参考文献[1-6](朱心科,金翔龙,陶春辉等.海洋探测技术与装备发展探讨[J].机器人,2013,35(3):376-384.卢志忠，杨建坡,黄玉.运动平台下X波段雷达海面风向反演算法[J].系统工程与电子技术,2016,38(4):879-803.J.N.Borge,G.Rodriguez,K.Hessner,andP.Gonzalez,Inversionofmarineradarimagesforsurfacewaveanalysis[J],JournalofAtomosphericandOceanTechnology,2004,21(8):1291-1300.周蓓.X波段雷达海面流场信息提取技术研究[D].中国海洋大学硕士学位论文.2009:32-35.D.Houk,T.Green,Anoteonsurfacewaveduetorain,JournalofGeophysicalResearch,1976,81(24):4482-4484.盖昀，刘维芳.X波段天气雷达雨区衰减订正方法分析[J].内蒙古气象.2016(2):36-38.)需要指出的是，之前的研究大多将降雨视为干扰，对其进行抑制，但在航海过程中利用航海雷达回波信息对降雨强度估测方面的研究几乎处于空白状态。应用航海雷达实测数据估测降雨，能够在航行中实时估测海上降雨情况，在成本、维护和时效性上均具有优势。因此利用航海雷达图像进行降雨强度的估测研究有重要的理论和现实意义。在雷达图像中降雨特征的识别方面，目前的研究主要有：郝燕玲、唐艳红等人利用图像统计特性——回波均值、差异系数(标准差和回波均值的比)来识别降雨图像[7]；沈继红、李英等基于质量控制、能反映图像纹理特征的三维表面粗糙度评定参数及信噪比进行降雨识别方法[8]；赵慧将质量控制与二维表面粗糙度相结合，考虑了图像回波强度的特性及表面纹理的变化情况，实现降雨图像的识别[9]；Lund等人提出零强度百分比法[10]，统计图像中零强度像素点百分比识别降雨图像，其统计区域为整幅雷达图像；向拓依据零强度百分比进行了具体设计，并利用遮挡区的零强度百分比进行降雨图像识别[11]。见参考文献[7-11](郝燕玲，唐艳红，卢志忠.X波段航海雷达图像噪声检测与滤除方法研究[J].国土资源遥感.2008,20(2):14-17.沈继红,李英,戴运桃等.X-band雷达图像中降雨干扰的识别与抑制.光学精密工程.2012,20(8):1846-1853.赵慧.X波段雷达海杂波中噪声抑制的方法与实现[D].哈尔滨工程大学硕士论文.2014:9.LundB,GraberHC,RomeiserR.WindRetrievalFromShipborneNauticalX-BandRadarData[J].IEEETransactionsonGeoscienceandRemoteSensing.2012,50(10):3800-3811P.向拓.雷达测波仪图像去噪技术研究及软件设计[D].哈尔滨工程大学硕士学位论文.2015:1-3,31-40.)在降雨的估测方面，主要有两种方式，传统的雨量器或雨量计的测量和遥感探测。雨量计能够在单点上精确测量降水量[12]，中西方都对雨量器有着悠久的研究历史，随着科学家们不断的研究，具有自动记录功能的雨量计也逐渐发展起来，虹吸管雨量计就是一个代表，通过承雨管中浮筒和钟筒的配合，记录水面升降情况，自动绘制降雨量曲线。目前，雨量计技术已经成熟，现代雨量计的结构越来越精巧、操作流程简单，也逐渐实现无线传输、数字技术分析记录等功能。降雨量是空间和时间的函数，雨量计所测得是固定点的降雨量，具有明显的局限性。为了在空间更大范围内测量降雨，遥感探测技术逐渐发展起来。按照传感器所在的位置，遥感探测降雨经历了由地基遥感到机载遥感再到星载遥感的发展历程。遥感探测降雨所用传感器为气象雷达，所以按照传感器的类型，遥感探测又经历了模拟信号雷达、常规数字化天气雷达、多普勒雷达及相控阵天气雷达几个发展阶段[13]。气象雷达的发展为空间大范围定量估测降雨强度、实现降雨预测提供了有利手段。随着气象雷达技术的发展，为了实时地、规范地、系统地监测和预报气象情况，各国逐步建立起了自己的天气雷达网络。到2010年，我国的天气雷达网络由158部天气雷达全部建成。目前，我国的天气雷达网络还在不断升级发展，其为降雨的预测做出了很大的贡献。见参考文献[12-13](曹俊武，胡志群.X波段测雨雷达强度资料评估及改进方法[J].雷达科学与技术.2016.6,14(3):237-243.刘黎平，葛润生.中国气象科学研究院雷达气象研究50年[J].应用气象报.2006,17(6):682-689.)为了提高降雨估测的精度，国内外采用多平台降水信息融合技术，最常用的是利用雨量计来校准天气雷达，进行降雨估测，既能发挥雷达连续监测降水空间分布的特点，又能利用雨量计提高单点降水精度。20世纪70年代，SasakiNinomiya等就进行了此方面的研究，我国从上世纪80年代也开始了此方向的研究。1990年，戴铁丕、傅德胜等利用天气雷达和雨量计联合探测降水，证明了此方法对降水量估测的精度优于单独使用雷达或雨量计[14]；2004年，郑媛媛等对联合雨量计的多普勒天气雷达定量估测降水方法进行了大量研究[15]；2005年，尹忠海、张沛源、赵坤等人分别采用卡尔曼滤波和自适应卡尔曼滤波实现雨量计对雷达估测降雨的校准[16]；2007年，张利平对雷达联合雨量计估算区域降水量的精度进行研究[17]；2008年，田付友提出利用雨量计校准雷达估测雨的局地平均校准方法[18]，马慧等利用变分法融合雨量计和多普勒雷达进行测雨[19]；2009年，李建通等综合了卡尔曼和最优插值两种校准方法提出分步较准实现雷达和雨量计本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于航海雷达图像遮挡区多特性参数组合的雨强等级反演方法，其特征在于：步骤如下：步骤1，离线开展观测试验，确定遮挡区的零强度百分比—降雨强度拟合关系式及回波强度均值—降雨强度拟合关系式：离线开展观测试验并进行数据统计分析，用选定的滤波方式对雷达图像进行预处理，统计N组选定时间内、不同降雨强度下的观测试验雷达图像遮挡区的零强度百分比与回波强度均值，利用同步记录的对应时刻的降雨数据及选定的最优拟合方法，分别对遮挡区零强度百分比、回波强度均值与降雨强度的关系式进行线性或分段线性拟合，得到拟合关系式及其系数；步骤2，加载待反演雷达原始图像并作预处理，提取其遮挡区零强度百分比和回波强度均值：加载已完成数字化的雷达原始图像，用选定的滤波方式对其进行预处理；选取雷达图像合适遮挡区域，提取其零强度百分比及回波强度均值；步骤3，降雨强度反演：将步骤2得到的零强度百分比及回波强度均值分别代入零强度百分比—降雨强度拟合关系式、回波强度均值—降雨强度拟合关系式，再将得到的两个降雨强度求平均值，确定为降雨强度；步骤4，降雨强度等级确定：将步骤3得到的降雨强度按照给定的降雨强度等级划分标准，确定降雨强度等级。

【技术特征摘要】
1.基于航海雷达图像遮挡区多特性参数组合的雨强等级反演方法，其特征在于：步骤如下：步骤1，离线开展观测试验，确定遮挡区的零强度百分比—降雨强度拟合关系式及回波强度均值—降雨强度拟合关系式：离线开展观测试验并进行数据统计分析，用选定的滤波方式对雷达图像进行预处理，统计N组选定时间内、不同降雨强度下的观测试验雷达图像遮挡区的零强度百分比与回波强度均值，利用同步记录的对应时刻的降雨数据及选定的最优拟合方法，分别对遮挡区零强度百分比、回波强度均值与降雨强度的关系式进行线性或分段线性拟合，得到拟合关系式及其系数；步骤2，加载待反演雷达原始图像并作预处理，提取其遮挡区零强度百分比和回波强度均值：加载已完成数字化的雷达原始图像，用选定的滤波方式对其进行预处理；选取雷达图像合适遮挡区域，提取其零强度百分比及回波强度均值；步骤3，降雨强度反演：将步骤2得到的零强度百分比及回波强度均值分别代入零强度百分比—降雨强度拟合关系式、回波强度均值—降雨强度拟合关系式，再将得到的两个降雨强度求平均值，确定为降雨强度；步骤4，降雨强度等级确定：将步骤3得到的降雨强度按照给定的降雨强度等级划分标准，确定降雨强度等级。2.根据权利要求1所述的基于航海雷达图像遮挡区多特性参数组合的雨强等级反演方法，其特征在于：步骤1具体包括：步骤1.1，离线在不同降雨强度条件下开展观测标校试验，读取不同降雨强度情况下的共计N组雷达原始图像，每组连续观测时间相同均为t，包括K幅图像，以选定的滤波方式进行预处理，同步记录对应时间内的雨量计测得的真实降雨量；步骤1.2，根据雷达图像遮挡区域的角度和径向距离范围确定用于统计的雷达图像扇形遮挡区域，分别统计各自降雨强度下的雷达图像遮挡区零强度百分比、回波强度均值，具体方法为：1.2.1、选定t时间为一组，每组有K幅雷达图像，每一幅的遮挡区零强度百分比P计算方法为：式中：f0为零强度像元点个数；f为像元点总个数；零强度像元点为统计区域中零强度信号，即回波强度电压值小于零强度回波电压值的信号的像元...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢志忠，刘红，周颖，骈根，胡佳幸，殷廷巍，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23