王 萍，杜雪峰，徐考基

(天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，天津 300072)

天氣雷達(dá)反射率因子圖像中三體散射自動(dòng)識(shí)別

王 萍，杜雪峰，徐考基

(天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，天津 300072)

三體散射的準(zhǔn)確識(shí)別可以有效降低強(qiáng)冰雹的誤警率、提高預(yù)報(bào)強(qiáng)冰雹的時(shí)效性．在詳細(xì)分析三體散射產(chǎn)生機(jī)理的基礎(chǔ)上，將三體散射按照其圖像特點(diǎn)定義成 2種類型．設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)模板，在將搜索區(qū)域進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化變換的配合下成功解決了楔狀的、短的三體散射的自動(dòng)識(shí)別；用鏈碼技術(shù)將走向一致的區(qū)域邊界的比例定量地描述出來(lái)，以此解決長(zhǎng)直的三體散射的自動(dòng)識(shí)別．實(shí)驗(yàn)表明，該方法對(duì)短三體散射的區(qū)域斷裂和長(zhǎng)三體散射的遠(yuǎn)端粘連具有不敏感性，對(duì)三體散射的總擊中率達(dá)到94.8%，誤警率不足1%．

三體散射；楔狀識(shí)別；鏈碼特征提??；冰雹預(yù)警

天氣雷達(dá)是對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)警的主要工具之一．這種雷達(dá)按照預(yù)定的幾個(gè)仰角分別依次旋轉(zhuǎn) 360°向空中發(fā)射脈沖形式的電磁波，當(dāng)電磁波遇到雪花、雨滴或冰雹等降水物質(zhì)時(shí)，大部分能量會(huì)繼續(xù)前進(jìn)，而有一小部分能量被降水物質(zhì)向四面八方散射，其中，向后散射的能量被雷達(dá)接收[1]從而探測(cè)到這些降水物質(zhì)的存在．為方便觀測(cè)，雷達(dá)系統(tǒng)提供一種反射率圖像以直觀展現(xiàn)探測(cè)到的所有數(shù)據(jù)信息．1987年，Zrnic[2]在雷達(dá)反射率圖像中首次發(fā)現(xiàn)了“三體散射(three-body scatter spike，TBSS)”現(xiàn)象，即一種與強(qiáng)冰雹回波相關(guān)的、出現(xiàn)在強(qiáng)回波外側(cè)、沿徑向向外延伸的、弱的、窄帶狀的回波，并稱其為“三體散射特征”，后來(lái)，Wilson等[3]稱其為“火焰回波(flare rcho)”、Lemon[4]稱其為“三體散射長(zhǎng)釘”．根據(jù) Zrnic[2]的理論，雷達(dá)發(fā)出的電磁波遇到強(qiáng)冰雹類降水物質(zhì)時(shí)，向四周散射的能量會(huì)很強(qiáng)，于是使向下散射到地面的部分能量有能力返回到原降水物質(zhì)再回射到雷達(dá)，從而使雷達(dá)誤認(rèn)為在冰雹的徑向外側(cè)存在著弱的降水物，因此在強(qiáng)冰雹回波的徑向外延成虛假的、弱的回波．

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)三體散射與冰雹的關(guān)系做了深入的研究，廖玉芳等[5]對(duì)伴隨產(chǎn)生TBSS現(xiàn)象的中國(guó)11個(gè)強(qiáng)對(duì)流過(guò)程中的 23個(gè)強(qiáng)風(fēng)暴進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，每一個(gè)強(qiáng)風(fēng)暴都產(chǎn)生了直徑超過(guò) 2,cm的強(qiáng)冰雹，其中有 4個(gè)強(qiáng)風(fēng)暴產(chǎn)生了直徑 10,cm 以上的冰雹．因此得出“如果 S波段新一代天氣雷達(dá)產(chǎn)生三體散射現(xiàn)象，則降強(qiáng)冰雹的可能性幾乎是 100%，同時(shí)大多伴隨地面災(zāi)害性大風(fēng)”的重要結(jié)論．據(jù)湖南省北部的統(tǒng)計(jì)，在2002—2005年間的19個(gè)雹暴中，有16次出現(xiàn)了TBSS，占84%，且 16次所降冰雹的最大直徑均超過(guò)2,cm[5]．更重要的，TBSS的持續(xù)時(shí)間多為 30～60,min，其中的大部分時(shí)段位于地面降雹之前，因而使TBSS預(yù)警強(qiáng)冰雹具有時(shí)效性．另外，Hubbert等[6]計(jì)算了三體散射區(qū)域的偏差反射率，進(jìn)而又通過(guò)對(duì)地面的反射建立了統(tǒng)計(jì)和解析模型，他們還獲得了冰雹單體的反射系數(shù)并對(duì)冰雹單體進(jìn)行估計(jì). Smallcomb[7]對(duì)三體散射速度圖進(jìn)行了分析，說(shuō)明了三體散射區(qū)域常常伴有較大的速度值，并且其并不是真正速度，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致中氣旋算法的誤警，影響預(yù)報(bào)質(zhì)量．Zrnic等[8]還證明三體散射與冰雹尺度有關(guān)．如此可見(jiàn)，及時(shí)撲捉到TBSS有利于提高強(qiáng)冰雹預(yù)警的水平和質(zhì)量．

我國(guó)新一代天氣雷達(dá)的冰雹指數(shù)產(chǎn)品采用的是由美國(guó)開(kāi)發(fā)的強(qiáng)冰雹預(yù)警算法，該算法主要借助擴(kuò)展到0,℃層以上、達(dá)到或超過(guò)45,dBz的強(qiáng)反射率因子，累計(jì)計(jì)算一種“冰雹動(dòng)能通量”[9]，再形成基于發(fā)生于美國(guó)的若干強(qiáng)冰雹實(shí)況的冰雹指數(shù)[10]．據(jù)統(tǒng)計(jì)，該冰雹指數(shù)在對(duì)強(qiáng)冰雹平均命中70%的同時(shí)，平均誤警率高達(dá) 49%[5]．究其原因，是因?yàn)檫@個(gè)冰雹指數(shù)考慮的因素并不主要為強(qiáng)冰雹所獨(dú)有，許多強(qiáng)降水回波也會(huì)因躍于 0°層甚至-20°高度以上而獲得很高的冰雹指數(shù)．

TBSS應(yīng)該是強(qiáng)冰雹雷達(dá)回波所特有的現(xiàn)象．如何通過(guò)計(jì)算機(jī)自動(dòng)捕捉三體散射現(xiàn)象在國(guó)內(nèi)外都未找到相關(guān)報(bào)道，筆者從TBSS的形成機(jī)理和回波特點(diǎn)出發(fā)，利用圖像識(shí)別和計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)構(gòu)建并實(shí)現(xiàn)專用的TBSS識(shí)別算法，以代替人工憑借經(jīng)驗(yàn)的低效率查找，為提高具有TBSS現(xiàn)象的強(qiáng)冰雹的識(shí)別準(zhǔn)確性和預(yù)警時(shí)效性提供重要的客觀依據(jù)．

1 三體散射現(xiàn)象及其圖像特點(diǎn)

根據(jù) Zrnic[2]對(duì)三體散射的定義，三體散射的形成經(jīng)過(guò)了3次反射，設(shè)雷達(dá)發(fā)射的電磁波在離開(kāi)雷達(dá)徑向距離r后遇到強(qiáng)冰雹A，如圖1所示，此后，電磁波的大部分能量繼續(xù)向前傳輸，剩余部分向周圍散射，其中，散射波的一小部分返回雷達(dá)，以示探測(cè)到目標(biāo) A，另有一部分散射向地面，再形成返回波到達(dá)冰雹A，然后有部分能量經(jīng)過(guò)A的反射又回到雷達(dá)．容易看出，當(dāng)冰雹 A的強(qiáng)度、位置一定時(shí)，源于冰雹 A的散射波到達(dá)地面的路徑越長(zhǎng)，回到冰雹 A的波的能量就越弱，設(shè)只有落到圖1中以BC或BD為半徑的圓形區(qū)域內(nèi)的返回波剩余能量才能夠支撐其行進(jìn)至雷達(dá)并不被解讀為噪聲，這時(shí)，雷達(dá)會(huì)將這部分途徑地面的返回波信號(hào)誤讀為在沿電磁波發(fā)出方向、遠(yuǎn)離冰雹 A的一定距離范圍內(nèi)存在著弱的降水物，而該距離理論上大于等于 A到地面距離 h，即有

圖1 TBSS形成原理示意Fig.1 Forming principle of TBSS

在雷達(dá)反射率因子圖像上，TBSS的特征是明顯的和有規(guī)律的，具體情況如下所述．

1.1 產(chǎn)生TBSS的風(fēng)暴具有高反射率強(qiáng)度的核區(qū)

Lemon[4]指出要產(chǎn)生能夠分辨的 TBSS，風(fēng)暴核反射率因子必須大于 63,dBz，文獻(xiàn)[5]通過(guò)對(duì)我國(guó)境內(nèi)499例TBSS的統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生TBSS的風(fēng)暴核反射率因子大于等于60,dBz的比例高達(dá)99.2%．

1.2 TBSS出現(xiàn)的位置具有規(guī)律性

根據(jù)圖1所示TBSS的形成機(jī)理，TBSS一定出現(xiàn)在雷達(dá)與風(fēng)暴核區(qū)連線的延長(zhǎng)線上，另?yè)?jù)我國(guó)夏季多為西風(fēng)或偏西風(fēng)，產(chǎn)生TBSS的風(fēng)暴大多位于探測(cè)雷達(dá)的西側(cè)或偏西側(cè)[3]．例如，圖2為2張實(shí)測(cè)的顯現(xiàn)TBSS的反射率圖像，其中，分別在圖2(a)第2象限(西北)和圖 2(b)第 3象限(西南)徑向射線上、高反射率核區(qū)外側(cè)的橢圓標(biāo)記處出現(xiàn)了TBSS．

1.3 TBSS具有特定的形態(tài)

TBSS具有直-帶狀(見(jiàn)圖 2(a))或楔-帶狀(見(jiàn)圖2(b))的形態(tài)，其長(zhǎng)度與風(fēng)暴核區(qū)的反射率強(qiáng)度、面積以及地面條件有關(guān)，據(jù)文獻(xiàn)[5]統(tǒng)計(jì)，TBSS的長(zhǎng)度通常小于15,km，超過(guò)3,km的比例高達(dá)91.6%．

圖2 TBSS圖像特點(diǎn)Fig.2 Image feature of TBSS

1.4 TBSS具有弱的反射率強(qiáng)度

由于雷達(dá)探測(cè)波能量歷經(jīng)雷達(dá)-冰雹物-地面、再到冰雹物-雷達(dá)的較長(zhǎng)路途的消耗，其反射率強(qiáng)度一般很低，據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，TBSS的反射率強(qiáng)度不超過(guò)25,dBz，更多的低于20,dBz．

簡(jiǎn)言之，TBSS是一塊位于強(qiáng)反射率風(fēng)暴核區(qū)徑向外側(cè)的、直-帶狀或楔-帶狀的弱回波區(qū)域．

1.5 TBSS在徑向速度圖的特性

Lemon[4]提出沿著三體散射回波伸展方向的徑向速度是關(guān)于冰雹單體 A徑向和垂直運(yùn)動(dòng)的函數(shù)，這個(gè)函數(shù)接近 sinw uθ+ ，w為單體的垂直運(yùn)動(dòng)速度，u為散射位置的徑向速度分量，但是由于地面上物體的運(yùn)動(dòng)，三體散射的徑向速度圖會(huì)受到污染．冰雹的形成在零度層以上有大量的溫度很低的水汽時(shí)，強(qiáng)大的上升氣流促進(jìn)了大冰雹的形成．

多數(shù)情況 w是負(fù)數(shù)，只有當(dāng)有強(qiáng)大上升氣流時(shí)其才為正數(shù)，這樣，根據(jù)速度圖上三體散射的信息，可以看出此時(shí)冰雹是上升還是下沉，文獻(xiàn)[11]對(duì)這 2種情況進(jìn)行了詳細(xì)的討論，并且說(shuō)明了三體散射可能產(chǎn)生速度模糊．一般情況下，三體散射長(zhǎng)釘上都會(huì)形成比較大的負(fù)速度，圖3(b)為2012年4月16日廣東的基數(shù)據(jù)中三體散射的徑向速度圖，可以看到部分核區(qū)及部分三體散射區(qū)域相對(duì)周圍有明顯的負(fù)速度．

圖3 TBSS的雷達(dá)反射率、徑向速度及其剖面Fig.3 Reflectivity，radial velocity and their sections of TBSS

1.6 TBSS在徑向速度圖和反射率圖上剖面圖特征

圖 3(c)為圖 3(a)反射率圖的剖面圖，可以看到三體散射在4,km高度以上朝單體外側(cè)斜向上伸出，并且隨著與核中心距離的增加，其反射率值逐漸降低.

圖 3(d)為圖 3(b)徑向速度圖的剖面圖，可以發(fā)現(xiàn)圖中三體散射區(qū)域速度跳變相對(duì)較大，且有較大的負(fù)速度點(diǎn)(淺綠色)，三體散射也同樣在 4,km以上伸出來(lái)．

2 TBSS識(shí)別算法

算法設(shè)計(jì)采用“在可能存在TBSS的區(qū)域內(nèi)尋找滿足TBSS圖像特點(diǎn)的弱回波”的指導(dǎo)思想．

2.1 關(guān)注區(qū)域的確定

設(shè)天氣雷達(dá)采用九仰角的降水探測(cè)模式，鑒于6°及其以下探測(cè)仰角的反射率圖上均有發(fā)現(xiàn) TBSS的報(bào)道，以下方法適合于 6°及其以下探測(cè)仰角的反射率圖．

分別在這些仰角(α)的反射率圖上，找到達(dá)到或超過(guò)60,dBz的區(qū)域，計(jì)算該區(qū)域中心的徑向距離r和距地面的高度h，用該區(qū)域中心徑向外側(cè)h之后的2段圓弧和向徑向線2側(cè)各偏離10°的2條射線圈定一個(gè)搜索 TBSS的扇形區(qū)域，如圖 4所示，其中，參數(shù) h為風(fēng)暴核區(qū)中心高度(nn× )、扇區(qū)厚度Δr依據(jù)統(tǒng)計(jì)值設(shè)定．

圖4 可能存在TBSS的范圍Fig.4 Area that TBSS probably exist

2.2 定義“楔-帶狀”和“直-帶狀”

TBSS大體形如帶狀．當(dāng)其長(zhǎng)度介于 3～10,km之間時(shí)，其根部相對(duì)較粗、頭部相對(duì)較尖(見(jiàn)圖 2(b))的特點(diǎn)突出出來(lái)，本文將其定義為“楔-帶狀”；而長(zhǎng)度超過(guò)10,km的TBSS，其“直”且“等寬”的部分占主導(dǎo)(見(jiàn)圖 2(a))，本文稱其為“直-帶狀”．據(jù)文獻(xiàn)[3]統(tǒng)計(jì)，前者形狀的 TBSS占 54.5%，后者占37.1%，其余 8.4%的長(zhǎng)度小于 3,km，這時(shí)，圖像上TBSS僅為 2個(gè)像素左右，“帶”狀特點(diǎn)已經(jīng)消失，且易混淆于具有起伏特點(diǎn)的回波區(qū)域邊界之中，因此，本文從長(zhǎng)度超過(guò)3,km以上TBSS的特點(diǎn)出發(fā)進(jìn)行算法設(shè)計(jì)．

2.3 “楔-帶狀”TBSS識(shí)別算法

匹配法是檢測(cè)具有特定形狀的對(duì)象的常用方法，如模板匹配法[12]、基于特征點(diǎn)的頻率匹配法[13]等．其中，模板匹配通過(guò)計(jì)算相似度函數(shù)搜索圖像中對(duì)模板的最佳匹配點(diǎn)，鑒于氣象雷達(dá)的大數(shù)據(jù)量特點(diǎn)且快速運(yùn)行的要求，不宜直接搬用已有模板或方法．為此，本文提出一種基于搜索區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)化處理的楔狀模板匹配算法用于快速找到匹配點(diǎn)，判斷是否存在“楔-帶狀”的TBSS．

2.3.1 構(gòu)建“楔-帶狀”標(biāo)準(zhǔn)模板

根據(jù)TBSS的長(zhǎng)度范圍，設(shè)定正方形模板(nn× )的尺度為

圖5 標(biāo)準(zhǔn)模板Fig.5 Standard temp template

2.3.2 標(biāo)準(zhǔn)化搜索區(qū)域

為適應(yīng)圖5所示的標(biāo)準(zhǔn)模板，首先將扇形的搜索區(qū)域二值化，即對(duì)區(qū)域內(nèi)在0～25,dBz范圍內(nèi)取值的像素點(diǎn)記為 1，其余的記為-1，形成區(qū)域 S的函數(shù)fS(i, j)；再對(duì) fS(i, j)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)變換得到區(qū)域S′，描述函數(shù)為 fS′(i , j )，旋轉(zhuǎn)角度等于區(qū)域 S的主軸到正西向射線的夾角，如圖 6(a)所示；最后按照?qǐng)D 6(b)方法將搜索區(qū)域S′標(biāo)準(zhǔn)化．

圖6 搜索區(qū)域旋轉(zhuǎn)變換及標(biāo)準(zhǔn)化搜索區(qū)域Fig.6 Target area transform to the standard searching

2.3.3 模板匹配

令模板 (,)g i j在區(qū)域BS′上按照式(2)進(jìn)行遍歷搜索運(yùn)算，得到判定值 (,)R x y，若存在滿足式(3)所述條件的判定值，則判定該區(qū)域出現(xiàn)“楔-帶狀”的TBSS．

由于可能存在 TBSS的區(qū)域被二值化和模板的三值化布局使得該模板遇到“楔-帶狀”的 TBSS時(shí)，對(duì)象部分和背景部分被同時(shí)反向加權(quán)，可獲得搜索效率的提升，且 (,)R x y越大，越接近理想的“楔-帶狀”，其中， (,)R x y的最大值為29，閾值M在理論分析和大量樣本統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上確定．

2.4 “直-帶狀”TBSS識(shí)別算法

當(dāng) TBSS較長(zhǎng)時(shí)，由于其形狀趨于平直，使其區(qū)域邊界的多數(shù)元素呈現(xiàn)出與 TBSS方向相關(guān)的主流走向，因此，可以借助對(duì)邊界線的描述和對(duì)邊界線各元素“同方向數(shù)”的統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)“直-帶狀”TBSS的識(shí)別．

2.4.1 提取區(qū)域邊界

首先對(duì)關(guān)注區(qū)域進(jìn)行二值化和補(bǔ)空洞處理再用Canny算子提取出關(guān)注區(qū)域(0～25,dBz)聯(lián)通域的邊緣，這些邊緣將組成區(qū)域的邊界L．

2.4.2 描述區(qū)域邊界

取圖7所示的8方向基元組描述邊界線段，即順次掃描搜索區(qū)域BS′得到其邊界線的一個(gè)點(diǎn)，令該點(diǎn)為起點(diǎn)進(jìn)行邊界線的追蹤，同時(shí)，以級(jí)聯(lián)的方式將相關(guān)基元不斷追加到L中，最終形成該區(qū)域邊界線的8方向鏈碼．

圖7 8方向鏈碼基元Fig.7 Chain code of eight directions

2.4.3 計(jì)算邊界鏈碼的方向數(shù)

設(shè)邊界線的鏈碼總長(zhǎng)度為 NL，鏈碼中，設(shè)方向 i和j上的基元數(shù)分別為num(i)和num(j)，其中，方向i和j滿足關(guān)系式

則邊界線的i-j方向數(shù)ijN 定義為

式(5)中，方向i的選擇與搜索區(qū)域的主軸方向β(正北為0°)有關(guān)，即

當(dāng)ijN 大于閾值(0.4)時(shí)表示 i-j方向的邊界元素占主導(dǎo)，這時(shí)判定該區(qū)域存在“直-帶狀”的TBSS．

2.5 算法流程

本文根據(jù) TBSS的形狀特點(diǎn)提出 2種識(shí)別算法．考慮到“楔-帶狀”更具普遍性，采用首先使用“楔-帶狀”算法、再補(bǔ)充使用“直-帶狀”算法的 2級(jí)識(shí)別策略，如圖 8所示．如此，對(duì)于根部具有“楔”狀特點(diǎn)的“直-帶狀”TBSS，也只需經(jīng)一級(jí)識(shí)別即可．

圖8 TBSS識(shí)別算法流程Fig.8 Flow chart of identification algorithm of TBSS

3 測(cè)試與分析

按照本文提出的方案和算法，對(duì)廣東、江西、天津共 144個(gè)含有三體散射的實(shí)例進(jìn)行測(cè)試．在 144個(gè)實(shí)例中，涉及 0.5°～6.0° 6種仰角的反射率圖像，徑向范圍從25,km到200,km，包含“直-帶狀”TBSS共27個(gè)，占18.75%，“楔-帶狀”TBSS共117個(gè)，占81.25%．又隨機(jī)選擇了含有強(qiáng)核區(qū)但未出現(xiàn)TBSS的反射率圖像 150張，對(duì)本文算法展開(kāi)反例樣本測(cè)試．總測(cè)試結(jié)果如表1所示，根據(jù)表1可得

識(shí)別TBSS的CSI評(píng)分：

圖9～圖12給出了測(cè)試示例．

圖9中的3組圖片是“楔-帶狀”算法的識(shí)別結(jié)果，小窗口展示的是尋找到目標(biāo)區(qū)域并判別為三體散射的情況．圖 9(a)和(b)屬于楔狀 TBSS，前者較長(zhǎng)、后者較短，均被正確識(shí)別出來(lái)；而圖 9(c)屬于“直-帶狀”的 TBSS，但從小窗口展示的關(guān)注區(qū)域看，其根部也呈現(xiàn)出楔狀，于是使模板匹配時(shí)獲得高值，因此對(duì)此類樣本無(wú)需再啟用“直-帶狀”算法，即可完成TBSS的識(shí)別．

表1 算法測(cè)試統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.1 Statistics results of the test

圖9 “楔-帶狀”TBSS識(shí)別算法的識(shí)別結(jié)果示例Fig.9 Identification results of the cuneiform-banding TBSS

基于專用標(biāo)準(zhǔn)模板的匹配法除了能應(yīng)對(duì)較短TBSS、根部呈楔狀的“直-帶狀”TBSS以外，對(duì)斷裂噪聲也具有一定的抵御能力，例如，圖10中的TBSS在尖端附近出現(xiàn)了斷裂，但其“楔-帶狀”未遭破壞，算法依然能將其識(shí)別出來(lái)．

圖10 有斷裂的“楔-帶狀”TBSS的識(shí)別結(jié)果Fig.10 Identification results of the breaking cuneiformbanding TBSS

圖 11反射率圖中出現(xiàn)的 TBSS顯然是“直-帶狀”的，由于其過(guò)長(zhǎng)，并未完全被包含到所提取的關(guān)注區(qū)域中，其根據(jù)式(6)求出借助圖11給出的區(qū)域邊界鏈碼不難算出：于是判斷存在 TBSS，識(shí)別結(jié)果用方形框標(biāo)注于圖 11鏈碼下面的圖中．

圖11 “直-帶狀”TBSS識(shí)別算法的識(shí)別結(jié)果示例Fig.11 Identification results of straight-banding TBSS

在9張漏識(shí)的TBSS中，基本涉及3種情況．其一，也是最主要的情況(約占6成)，就是TBSS較短且過(guò)粗，致使模板匹配時(shí)無(wú)法獲得高值，如圖 12(a)所示，或是 TBSS短到 3,km甚至 3,km以下，如圖12(b)所示；其二，就是TBSS與遠(yuǎn)端降水回波發(fā)生混合粘連，導(dǎo)致識(shí)別失敗，如圖 12(c)、圖 12(d)所示；第3種情況僅出現(xiàn)了一例，就是TBSS不規(guī)范，既不像“楔-帶狀”、也不是“直-帶狀”，如圖 12(e)所示．但是在以上各例中仰角變化時(shí)，能夠找到可被算法識(shí)別的三體散射，產(chǎn)生預(yù)警，所以基于多仰角的算法探測(cè)有益于彌補(bǔ)上述單仰角對(duì)三體散射的漏識(shí)問(wèn)題，被本文算法誤警為 TBSS的樣本如圖 12(f)所示，這是使用“楔-帶狀”算法的誤警結(jié)果．同時(shí)還可以通過(guò)其雷達(dá)反射率剖面圖以及徑向速度圖來(lái)輔助判斷是否為三體散射現(xiàn)象，見(jiàn)圖 13，發(fā)現(xiàn)其形狀向左伸出且又向上生長(zhǎng)，與圖 3(c)相差較大，伸出的低反射率回波高度位于 3,km以下，不滿足三體散射雷達(dá)反射率剖面圖特性，并且其速度圖中，誤警區(qū)域速度不存在較大變化或絕對(duì)值很大的負(fù)向速度，可見(jiàn)其為誤識(shí)，所以通過(guò)對(duì)反射率剖面圖及速度圖的分析，可以協(xié)助進(jìn)一步確認(rèn)識(shí)別三體散射的正確性．

圖12 漏識(shí)和誤警Fig.12 Failure identification and false alarm

圖13 誤警產(chǎn)生時(shí)三體散射的反射率剖面和徑向速度Fig.13 Reflectivity section and radial velocity of the false alarm TBSS

4 結(jié) 語(yǔ)

TBSS是當(dāng)天氣雷達(dá)探測(cè)到即將發(fā)生的強(qiáng)冰雹可能出現(xiàn)在反射率圖像中的特殊現(xiàn)象，其可能出現(xiàn)的條件是明確的，可能出現(xiàn)的部位是確定的，但其形狀、長(zhǎng)短、強(qiáng)弱又是不嚴(yán)格一致的．本文就其自動(dòng)識(shí)別問(wèn)題做了以下工作．

將 TBSS歸納成兩類形狀，即“楔-帶狀”和“直-帶狀”，根據(jù)各自的特點(diǎn)設(shè)計(jì)不同的識(shí)別算法．但在使用時(shí)，并不首先做形狀識(shí)別，而是采用一種“主-協(xié)”識(shí)別策略，即“楔-帶狀”算法做“主”識(shí)別，這時(shí)，凡根部到中部呈現(xiàn)“楔狀”的TBSS，即便因 TBSS很長(zhǎng)，其根部的楔狀特征已不突出的情況，也可將其識(shí)別出來(lái)，用作協(xié)助識(shí)別的“直-帶狀”算法旨在“楔-帶狀”算法無(wú)功而返的時(shí)候投入工作，將那些細(xì)長(zhǎng)的TBSS識(shí)別出來(lái)．

為識(shí)別“楔-帶狀”TBSS，設(shè)計(jì)出專用的、反映這類 TBSS特點(diǎn)的、用于匹配搜索的標(biāo)準(zhǔn)模板，配合搜索區(qū)域的標(biāo)準(zhǔn)化處理，能夠 100%地將 3,km以上、未與其他回波發(fā)生粘連的“楔-帶狀”TBSS識(shí)別出來(lái)，同時(shí)能夠在一定程度上抵御斷裂、長(zhǎng)度變化等干擾因素的影響．

當(dāng)TBSS很長(zhǎng)時(shí)，TBSS區(qū)域邊界的多數(shù)成分將與TBSS的取向一致，本文借助邊界鏈碼將這一特征定量地計(jì)算出來(lái)，由于該方法側(cè)重的是取向一致的比例，因此在識(shí)別“直-帶狀”類TBSS的時(shí)候，能夠抵御遠(yuǎn)端處粘連上其他回波的干擾．

本文的方法計(jì)算速度快，時(shí)間復(fù)雜度為 ()O n，其中，模板和鏈碼的算法均為線性復(fù)雜度，且問(wèn)題規(guī)模不大，即使在計(jì)算多個(gè)仰角的情況下，對(duì)一個(gè)時(shí)刻的處理也在毫秒級(jí)．這種綜合考慮各種情況的方法比單一使用模板判別或鏈碼判別有更高的識(shí)別率和魯棒性，且依據(jù)三體散射出現(xiàn)位置對(duì)其進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，簡(jiǎn)單有效地解決了識(shí)別形狀的旋轉(zhuǎn)問(wèn)題．

為說(shuō)明本文方法的有效性，展開(kāi)了一定規(guī)模的正反例樣本的算法測(cè)試．測(cè)試結(jié)果表明，本文方法能夠?qū)⒉慌c其他回波粘連的“較短”TBSS及直的“較長(zhǎng)”TBSS識(shí)別出來(lái)，滿足算法條件的個(gè)別降水回波形狀有可能被識(shí)別為三體散射，這時(shí)通過(guò)對(duì)雷達(dá)反射率和速度剖面圖的分析可以進(jìn)一步判斷其真?zhèn)危?/p>

人工識(shí)別三體散射時(shí)，因?yàn)橐资艿筋A(yù)報(bào)員經(jīng)驗(yàn)水平、工作狀態(tài)及各種人為因素干擾，而造成識(shí)別不準(zhǔn)確，工作效率低；自動(dòng)識(shí)別的技術(shù)具有準(zhǔn)確率高、工作效率高且節(jié)省人力等諸多優(yōu)勢(shì)．

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(責(zé)任編輯：孫立華)

Automatic Identification of Three-Body Scatter Spike in the Doppler Radar Reflectivity Image

Wang Ping，Du Xuefeng，Xu Kaoji
(School of Electrical Engineering and Automation，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

The accurate identification of three-body scatter spike(TBSS) can reduce the false alarm rate of strong hail and improve the timeliness of strong hail forecast. This paper provides a detailed analysis of the formation of the threebody scatter spike and then defines it into two classes. Designing the standard template，normatively transforming the target area solve the problem of short，cuneiform-shaped TBSS identification；and then the chain code is used to calculate the main direction of the boundary for identifying the long and straight TBSS. Test shows that the method is not good at the identification of the short TBSS with broken region or the long TBSS whose end is connected with others. Identification rate of TBSS is 94.8% and false alarm rate is less than 1%.

three-body scatter spike(TBSS)；cuneiform-shaped identification；feature extraction from the chain code；hail warning

TP391

A

0493-2137(2014)08-0711-08

10.11784/tdxbz201305037

2013-05-17；

2013-06-19.

中國(guó)氣象局氣象探測(cè)中心2012年新一代天氣雷達(dá)建設(shè)業(yè)務(wù)軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)及應(yīng)用(ZQC-H12085).

王 萍（1955— ），女，教授，博士生導(dǎo)師，wangps@tju.edu.cn.

杜雪峰，dxf_friendship@sina.com.

時(shí)間：2013-09-11.

http：//www.cnki.net/kcms/detail/12.1127.N.20130911.0923.001.html.