【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于气象数据处理领域，涉及到局地对流易发区域识别，具体是涉及一种易触发局地对流的边界层辐合线碰撞区域识别方法。
技术介绍
1、边界层辐合线是触发对流的重要中尺度天气系统之一，其过境具有较明显的风向、风速变化特征，伴随着低层辐合及其对应的挤压抬升作用，因此，它的存在往往对应显著的局地抬升运动，并造成近地面层水汽充分混合，为强对流的形成、发展提供触发机制或有利条件。
2、一般情况下，当两个或多个边界层辐合线碰撞或交叉时，可以较高概率地导致对流初生、对流风暴/云团合并、大气涌潮的形成。当两条边界层辐合线相遇时，相遇区域附近更易有雷暴发生，如当阵风锋移过水平对流卷构成的云街时，多数情况下云街的积云会发展成雷暴。有学者研究发现，两条边界层辐合线碰撞时夹角小于80°时，触发对流概率最高。边界层辐合线在天气雷达图像上呈现为窄带回波，如阵风锋、海风锋等在不同天气雷达反射率图像上呈现为垂直高度3km以下，回波强度位于0-35dbz之间不等、窄带宽度2-13km不等的一条弧线状窄带，当径向速度数据质量较好且完整时，对应位置处为一条径向速度辐合区或窄带。
3、对边界层辐合线区域进行有效识别和定位，能极大提升由于边界层辐合线（如阵风锋）造成的风灾监测预警能力，或定位易触发对流区域，从而进一步提高对流预警提前量。因此准确识别边界层辐合线显得尤为重要及迫切。
4、目前主要是围绕边界层辐合线中的一种辐合线-阵风锋开展识别研究与应用。现有阵风锋识别技术主要基于统计学的模糊逻辑算法，基于图像形态的数学形态法和神经网络
技术实现思路
1、专利技术目的：本专利技术目的在于针对现有技术的不足，提供一种易触发局地对流的边界层辐合线碰撞区域识别方法。
2、技术方案：本专利技术所述易触发局地对流的边界层辐合线碰撞区域识别方法，包括如下步骤：
3、s1、对含有边界层辐合线特征的雷达基数据进行处理，获得归一化格点雷达回波数据，同时通过色彩转换，处理成适于专家人工标注的彩色图像文件；
4、s2、对图像数据集进行人工标注和筛选，设计具有中心坐标、宽、高和倾斜角度五个属性的旋转框作为数据标签，将数据标签映射到对应的归一化格点雷达回波数据中，生成边界层辐合线识别数据集，根据数据集利用聚类分析方法设计多尺度锚框组合；
5、s3、构建r2cnn模型，根据边界层辐合线图像特征，设计模型参数，进行模型训练；
6、s4、利用训练好的模型对图像进行检测，得到旋转边界框检测结果，并为每个旋转边界框检测结果计算其置信度得分值，删去置信度低于阈值的预测边界框；对有重合的旋转边界框计算边界框的重叠程度，重叠程度满足要求的两个旋转边界框被判断为同一个边界层辐合线检测结果，对其他的旋转边界框进行抑制，取得置信度得分值高的旋转边界框作为最终目标检测结果；
7、s5、识别两两相交的边界层辐合线，依据触发对流机制的先验知识，计算触发对流的相交角度和移动方向，从而定位和识别处易触发对流区域。
8、本专利技术进一步优选地技术方案为，步骤s1中对含有边界层辐合线特征的雷达基数据进行处理包括：
9、收集连续时间的雷达基数据，提取数据中最低两个仰角层的雷达反射率因子数据，根据处理雷达数据的空间分辨率n，自适应处理成n×n km2的均匀网格数据；
10、将网格雷达回波数据进行最大、最小值归一化处理至0-1数值范围，生成格点雷达回波数据。
11、作为优选地，步骤s1中对含有边界层辐合线特征的雷达基数据进行处理还包括：将雷达基数据通过色彩转换，生成rgb彩色图像供气象专家进行标注。
12、作为优选地，步骤s2中通过气象专家对s1中生成的rgb彩色图像进行边界层辐合线特征的标注，标注过程中，设计具有中心坐标、宽、高和倾斜角度五个属性的旋转框作为数据标签，其中倾斜框的倾斜方向与边界层辐合线的移动方向保持垂直，同时倾斜框的长和宽需覆盖辐合线的影响区域。
13、作为优选地，由至少2-3名专家进行交叉标注，通过比对剔除掉标注差异大的样本。
14、作为优选地，步骤s2中，基于筛选后的标签集，统计该标签集中所有边界框的长宽比、面积刻画边界层辐合线尺度的信息，利用k-means聚类分析法结合先验知识，设计能够刻画不同型号、不同波段天气雷达观测的不同尺度边界层辐合线图像特征的锚窗组合。
15、作为优选地，步骤s3构建的r2cnn模型中，旋转区域提议网络的预定义旋转锚窗配置为比例0.125, 0.25, 0.5, 1, 2, 4, 8的锚窗，这些比例用于定义各个锚点的宽高比。
16、作为优选地，步骤s4中对r2cnn模型输出的旋转边界框的预测结果进行初步筛选，设置预测置信度阈值为0.5，删去置信度低于阈值的预测边界框，同时根据边界层辐合线图像特征，删去倾斜角度平行于其中心坐标至雷达站连线方向的边界框，倾斜角度为边界框的宽边与垂直方向的夹角。
17、作为优选地，步骤s4中对同一幅图像检测中存在重合的旋转边界框检测结果，采用交并比iou计算重叠度，当交并比≥0.5时，认为两个或多个边界框检测的区域同属于一个边界层辐合线，对其它旋转边界框进行抑制，取得置信度得分值高的旋转边界框作为最终目标检测结果；
18、对同一时次两幅不同仰角图像中所有旋转边界框检测结果采用交并比iou计算重叠度，当交并比≥0.5时，认为两个或多个边界框检测的区域同属于一个边界层辐合线，对其它旋转边界框进行抑制，取得置信度得分值高的旋转边界框作为最终目标检测结果。
19、作为优选地，步骤s5中对有重合的旋转边界框，但交并比低于0.3时，认为检测的两个边界框为碰撞型边界层辐合线，计算两个边界框相交夹角，当夹角位于30°- 90°之间时，认为重叠区域为局地对流易触发区域，提取两个边界框交集区域作为最终局地对流易触发区域识别结果；
20、当夹角位于0°- 30°之间时，判断两个边界框移动方向是否相向，若相向，则认定两个边界框的中心区域作为最终局地对流易触发区域。
21、有益效果：本专利技术对边界层辐合线人工标注时，设计了可旋转、且无固定值的边界框，极大简化了专家标注工作量。本专利技术充分利用了r2cnn模型的旋转边界框检测结果代表边界层辐合线各个关键特征参数，包括边界层辐合线在雷达图像中的长、宽、中心位置以及倾斜角。其中，长和宽描述了边界层辐合线区域大小，中心位置描述了边界层辐合线在雷达图像中的位置，倾斜角描述了边界层辐合线的方向。本专利技术能够准确、有效实现对包含多条边界层辐合线的图像实现识别检测工作，这是局地对流触发区域识别的重要基础，也是后期大风预警区域的关键步骤，如根据倾本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种易触发局地对流的边界层辐合线碰撞区域识别方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的易触发局地对流的边界层辐合线碰撞区域识别方法，其特征在于，步骤S1中对含有边界层辐合线特征的雷达基数据进行处理包括：
3.根据权利要求1所述的易触发局地对流的边界层辐合线碰撞区域识别方法，其特征在于，步骤S1中对含有边界层辐合线特征的雷达基数据进行处理还包括：将雷达基数据通过色彩转换，生成RGB彩色图像供气象专家进行标注。
4.根据权利要求3所述的易触发局地对流的边界层辐合线碰撞区域识别方法，其特征在于，步骤S2中通过气象专家对S1中生成的RGB彩色图像进行边界层辐合线特征的标注，标注过程中，设计具有中心坐标、宽、高和旋转角度五个属性的旋转框作为数据标签，其中旋转框的旋转方向与边界层辐合线的移动方向保持垂直，同时旋转框的长和宽需覆盖辐合线的影响区域。
5.根据权利要求4所述的易触发局地对流的边界层辐合线碰撞区域识别方法，其特征在于，由多个专家进行交叉标注，通过比对剔除掉标注差异大的样本。
6.根据权利要求5所述的易触
7.根据权利要求1所述的易触发局地对流的边界层辐合线碰撞区域识别方法，其特征在于，步骤S3构建的R2CNN模型中，旋转区域提议网络的预定义旋转锚窗配置为比例分别是0.125, 0.25, 0.5, 1, 2, 4, 8的锚窗，用于定义各个锚点的宽高比。
8.根据权利要求1所述的易触发局地对流的边界层辐合线碰撞区域识别方法，其特征在于，步骤S4中对R2CNN模型输出的旋转边界框的预测结果进行初步筛选，设置预测置信度阈值为0.5，删去置信度低于阈值的预测边界框，同时根据边界层辐合线图像特征，删去倾斜角度平行于其中心坐标至雷达站连线方向的边界框，倾斜角度为边界框的宽边与垂直方向的夹角。
9.根据权利要求1所述的易触发局地对流的边界层辐合线碰撞区域识别方法，其特征在于，步骤S4中对同一幅图像检测中存在重合的旋转边界框检测结果，采用交并比IoU计算重叠度，当交并比≥0.5时，认为两个或多个边界框检测的区域同属于一个边界层辐合线，对其它旋转边界框进行抑制，取得置信度得分值高的旋转边界框作为最终目标检测结果；对同一时次两幅不同仰角图像中所有旋转边界框检测结果采用交并比IoU计算重叠度，当交并比≥0.5时，认为两个或多个边界框检测的区域同属于一个边界层辐合线，对其它旋转边界框进行抑制，取得置信度得分值高的旋转边界框作为最终目标检测结果。
10. 根据权利要求1所述的易触发局地对流的边界层辐合线碰撞区域识别方法，其特征在于，步骤S5中对有重合的旋转边界框，但交并比低于0.3时，认为检测的两个边界框为碰撞型边界层辐合线，计算两个边界框相交夹角，当夹角位于30°- 90°之间时，认为重叠区域为局地对流易触发区域，提取两个边界框交集区域作为最终局地对流易触发区域识别结果；
...【技术特征摘要】
1.一种易触发局地对流的边界层辐合线碰撞区域识别方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的易触发局地对流的边界层辐合线碰撞区域识别方法，其特征在于，步骤s1中对含有边界层辐合线特征的雷达基数据进行处理包括：
3.根据权利要求1所述的易触发局地对流的边界层辐合线碰撞区域识别方法，其特征在于，步骤s1中对含有边界层辐合线特征的雷达基数据进行处理还包括：将雷达基数据通过色彩转换，生成rgb彩色图像供气象专家进行标注。
4.根据权利要求3所述的易触发局地对流的边界层辐合线碰撞区域识别方法，其特征在于，步骤s2中通过气象专家对s1中生成的rgb彩色图像进行边界层辐合线特征的标注，标注过程中，设计具有中心坐标、宽、高和旋转角度五个属性的旋转框作为数据标签，其中旋转框的旋转方向与边界层辐合线的移动方向保持垂直，同时旋转框的长和宽需覆盖辐合线的影响区域。
5.根据权利要求4所述的易触发局地对流的边界层辐合线碰撞区域识别方法，其特征在于，由多个专家进行交叉标注，通过比对剔除掉标注差异大的样本。
6.根据权利要求5所述的易触发局地对流的边界层辐合线碰撞区域识别方法，其特征在于，步骤s2中，基于筛选后的标签集，统计该标签集中所有边界框的长宽比、面积刻画边界层辐合线尺度的信息，利用k-means聚类分析法结合先验知识，设计刻画不同型号、不同波段天气雷达观测的不同尺度边界层辐合线图像特征的锚窗组合。
7.根据权利要求1所述的易触发局地对流的边界层辐合线碰撞区域识别方法，其特征在于，步骤s3构建的r2cnn模型中，...
【专利技术属性】
技术研发人员：徐芬，郑玉，王亚强，
申请(专利权)人：南京气象科技创新研究院，
类型：发明
国别省市：
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