基于TV_l1光流法的风云四号云导风估计方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于TV_l1光流法的风云四号云导风估计方法及系统，所述方法包括：对风云四号气象卫星连续采集的两帧卫星云图进行预处理；采用ROF图像细节提取模型，对预处理后的每帧图像进行分解，分别得到对应的基本图像与细节图像；对每帧细节图像建立金字塔结构，基于TV_l1光流法按照金字塔结构逐层迭代，计算得到两帧细节图像间的光流场；由光流场结合地球投影模型计算风矢量；根据标准大气温低垂直廓线表由云顶亮温值计算得到云顶高度；结合云顶高度对风矢量进行质量检测，剔除不合格的风矢量，由卫星云图上所有的合格风矢量得到风矢量场。本发明专利技术的方法在提升产品时空分辨率的同时提高了云导风产品的精度。的同时提高了云导风产品的精度。的同时提高了云导风产品的精度。

【技术实现步骤摘要】
基于TV_l1光流法的风云四号云导风估计方法及系统


[0001]本专利技术涉及卫星遥感
，尤其涉及基于TV_l1光流法的风云四号云导风估计方法及系统。

技术介绍

[0002]云导风又叫云迹风，即通过云的运动推测出的风速。云导风算法是根据静止气象卫星拍摄的连续两幅或者三幅卫星云图，追踪图像上的同一云块(目标云或靶云)的运动，并计算这一特征云图的位移，同时计算出这一目标云所在的高度层次，从而得到这一云高层致使目标云移动的非常规大气风。由整个云图上所有的大气风组成的风矢量场，被称为“云迹风”。
[0003]研究表明，在天气预报、台风、暴雨等自然灾害预警等方面中，风场资料起着至关重要的作用。虽然目前获得风场的手段很多，无线电探空仪、风廓线仪、多普勒雷达等。但对于海洋、高原、沙漠等测站稀少或无测站地区，风场资料依旧匮乏，由于气象卫星覆盖面广，利用卫星观测和反演的云导风是这些地区主要的或者唯一的风场资料，它有效的弥补了全球陆地风场资料。云导风目前已经成为一种很重要的卫星产品，已有结果证明它在数值预报中的使用成果。早在1999年国外学者Tomassini，Kelly等指出在ECMWF模式下，云导风资料的引用提高了风场的准确度，改善了热带以及南半球的天气预报效果。庄照荣、薛纪善把云导风资料放到GRAPES三维变分同化分析场中不仅提高了风场质量而且对台风的路径和降水的预报也更准确。美国、日本气象卫星中心的云导风产品定期公开发行。
[0004]自世界第一颗静止气象卫星发射成功，就有人利用卫星云图反演云导风。最早是在上世纪70年代美国学者Lzawa和Fujita利用电影动画技术人为直观在可见光画面上判断云的移动，从而获得云导风场。但是这种人工手动识别算法完全依靠人的主观判断，不仅耗时费力，而且准确率很低。1971年Endlich使用模式识别技术，通过提取云图中云团的特征量对云团进行匹配实现云导风的计算。同年，Leese使用红外云图通过最大相关系数法计算，该方法主要是通过对连续的云图中大小相同的像素块进行匹配从而计算云导风。从此开启云导风的自动计算技术，由于相关系数法在搜索整个云图区域时，计算时间较长，Leese后来在对云图预处理时引入快速傅里叶变换，提高了相关系数法的计算速度。经过数十年的发展，云导风的算法取得很大进展，相关系数法一直沿用至今而且是现在云导风算法中的主流算法。Purdom J F W在研究快速云图导风时，发现运用相关系数法会产生“亚像素尺度位移问题”。针对这个问题，王振会开发的云导风客观导出系统(CWIS)，创新地将傅里叶相位分析技术和相关系数分析法结合到云导风的计算中，而且提出“盲人摸路”的搜索方式。经过数年的发展，许建民，王振会，孙林等改进了这种方法提出TCFM系统提高了算法精确度，朱平将这种方法应用于半小时间隔卫星云图导风的计算中，结果证明傅里叶相位分析法和相关系数法相结合的方法很有实际应用价值，对示踪云的追踪精度有了进一步的提高。盲人摸路的搜索方式，是一种不同于其他国家的搜索技术，提升了计算机处理效率和风矢精度。龙智勇、石汉青等在传统的相关系数法基础上增加了图像灰度梯度特征的考虑。
王昌帅提出并行算法大大提高了云导风反演算法的速率。马侠霖、罗鹏针对灰度变化不明显问题，提出基于尺度不变特征变换，对图像灰度进行拉伸，再用相关系数法进行匹配，提高了匹配效果，但是同时也提高了计算复杂度。寿亦萱在研究模式识别在气象研究中的应用时，运用BP神经网络对云图的纹理进行分类，试验证明神经网络可以清楚的观察到一些利用常规资料不易发现的中尺度天气系统的结构特征，对云团的结构和属性有更好的识别，在此基础上运用相关系数求云迹风得到的风场。刘闵在研究中尺度云团的跟踪和预测中发现引入金字塔模型的光流法能更好的捕捉到卫星云图中像素的运动，比传统相关系数法具有更好的准确性，计算效率也更高。
[0005]目前的风云四号气象卫星的业务云导风产品主要面临三个问题：
[0006](1)业务云导风产品采用5
×
5或者7
×
7的滑动窗区域作为最小搜素体，空间分辨率比较低(大约为20km
×
20km)；
[0007](2)需要三幅图像计算一帧导风产品，时间分辨率与计算时效滞后；
[0008](3)没有一套完备的产品质控方案。

技术实现思路

[0009]本专利技术的目的在于克服现有技术缺陷，提出了基于TV_l1光流法的风云四号云导风估计方法及系统。
[0010]为了实现上述目的，本专利技术提出了一种基于TV_l1光流法的风云四号云导风估计方法，所述方法包括：
[0011]对风云四号气象卫星连续采集的两帧卫星云图进行预处理；
[0012]采用ROF图像细节提取模型，对预处理后的每帧图像进行分解，分别得到对应的基本图像与细节图像；
[0013]对每帧细节图像建立金字塔结构，基于TV_l1光流法按照金字塔结构逐层迭代，计算得到两帧细节图像间的光流场；
[0014]由光流场结合地球投影模型计算风矢量；
[0015]根据标准大气温低垂直廓线表由云顶亮温值计算得到云顶高度；
[0016]结合云顶高度对风矢量进行质量检测，剔除不合格的风矢量，由卫星云图上所有的合格风矢量得到风矢量场。
[0017]作为上述方法的一种改进，所述对风云四号气象卫星连续采集的两帧卫星云图进行预处理；具体包括：
[0018]对每帧卫星云图进行通道分离处理，将卫星云图中不同通道的测值分离，每一个通道形成一幅圆盘图；再进行定位和定标处理得到该卫星云图预处理后的图像。
[0019]作为上述方法的一种改进，所述采用ROF图像细节提取模型，对预处理后的每帧图像进行分解，分别得到对应的基本图像与细节图像；具体包括：
[0020]采用ROF图像细节分割的模型，对预处理后的图像I进行分解，得到该图像的基本图像I
S
为：
[0021][0022]其中，θ为太阳天顶角，为对基本图像I
S
进行梯度运算；
[0023]由下式得到该图像的细节图像I
T
为：
[0024]I
T
＝I
‑
0.95I
S
。
[0025]作为上述方法的一种改进，所述对每帧细节图像建立金字塔结构，基于TV_l1光流法按照金字塔结构逐层迭代，计算得到两帧细节图像间的光流场；具体包括：
[0026]根据尺度不变原理对每帧细节图像分别构造金字塔结构，包括L层，从粗尺度的第1层逐层迭代，直至到精细层第L层，迭代时只更新每层之间的运动场差异；得到每帧图像的光流场；
[0027]基于TV_l1光流法计算前后两帧细节图像间的光流场。
[0028]作为上述方法的一种改进，所述由光流场结合地球投影模型计算风矢量；具体包括：
[0029]根据下式计算光流场矢量起点所在纬度为的地球半径r为：
[0030][0031]其中，r...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于TV_l1光流法的风云四号云导风估计方法，所述方法包括：对风云四号气象卫星连续采集的两帧卫星云图进行预处理；采用ROF图像细节提取模型，对预处理后的每帧图像进行分解，分别得到对应的基本图像与细节图像；对每帧细节图像建立金字塔结构，基于TV_l1光流法按照金字塔结构逐层迭代，计算得到两帧细节图像间的光流场；由光流场结合地球投影模型计算风矢量；根据标准大气温低垂直廓线表由云顶亮温值计算得到云顶高度；结合云顶高度对风矢量进行质量检测，剔除不合格的风矢量，由卫星云图上所有的合格风矢量得到风矢量场。2.根据权利要求1所述的基于TV_l1光流法的风云四号云导风估计方法，其特征在于，所述对风云四号气象卫星连续采集的两帧卫星云图进行预处理；具体包括：对每帧卫星云图进行通道分离处理，将卫星云图中不同通道的测值分离，每一个通道形成一幅圆盘图；再进行定位和定标处理得到该卫星云图预处理后的图像。3.根据权利要求1所述的基于TV_l1光流法的风云四号云导风估计方法，其特征在于，所述采用ROF图像细节提取模型，对预处理后的每帧图像进行分解，分别得到对应的基本图像与细节图像；具体包括：采用ROF图像细节分割的模型，对预处理后的图像I进行分解，得到该图像的基本图像I
S
为：其中，θ为太阳天顶角，为对基本图像I
S
进行梯度运算；由下式得到该图像的细节图像I
T
为：I
T
＝I
‑
0.95I
S
。4.根据权利要求1所述的基于TV_l1光流法的风云四号云导风估计方法，其特征在于，所述对每帧细节图像建立金字塔结构，基于TV_l1光流法按照金字塔结构逐层迭代，计算得到两帧细节图像间的光流场；具体包括：根据尺度不变原理对每帧细节图像分别构造金字塔结构，包括L层，从粗尺度的第1层逐层迭代，直至到精细层第L层，迭代时只更新每层之间的运动场差异；得到每帧图像的光流场；基于TV_l1光流法计算前后两帧细节图像间的光流场。5.根据权利要求1所述的基于TV_l1光流法的风云四号云导风估计方法，其特征在于，所述由光流场结合地球投影模型计算风矢量；具体包括：根据下式计算光流场矢量起点所在纬度为的地球半径r为：其中，r
p
为地球的极地半径，ε为地球的扁率；根据下式计算光流场矢量起始位置和终点位置之间的地心角γ为：
其中，分别为光流场矢量起点和终点的纬度；Δλ为光流场矢量起点和终点的经度λ0与λ1的差值；根据下式计算风速F为：F＝γ*r/Δt其中，Δt为两帧卫星云图之间的时间差；根据下式计算风向的大小D为：根据λ0，λ1的大小判断风向，若λ1>λ0，风向DD＝D；若λ1≤λ0，风向DD＝360
°‑
D。6.根据权利要求1所述的基于TV_l1光流法的风云四号云导风估计方法，其特征在于，所述根据标准大气温低垂直廓线表由云顶亮温值计算得到云顶高度；具体包括：根据云顶亮温值t，单位为K，...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙逢林，覃丹宇，李博，陆其峰，
申请(专利权)人：国家卫星气象中心国家空间天气监测预警中心，
类型：发明
国别省市：