[發(fā)明專利]基于SVM和PDE的有眼臺(tái)風(fēng)二維表面風(fēng)場(chǎng)反演方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310729540.9
• 申請(qǐng)日: 2013-12-25
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103679734A
• 公開(kāi)（公告）日: 2014-03-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張長(zhǎng)江;錢金芳;楊波
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 浙江師范大學(xué)
• 主分類號(hào): G06T7/00
• 分類號(hào): G06T7/00;G06K9/62
• 代理公司: 杭州華鼎知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 33217
• 代理人: 胡根良

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度預(yù)報(bào)應(yīng)用領(lǐng)域。尤其涉及一種基于SVM和PDE的有眼臺(tái)風(fēng)二維表面風(fēng)場(chǎng)反演方法。

背景技術(shù)

臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)的信息相當(dāng)重要，首先它是臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的體現(xiàn)，如近中心最大風(fēng)速一般可以表示為臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)度；其次它還能反映臺(tái)風(fēng)的結(jié)構(gòu)信息，結(jié)構(gòu)也是決定臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的因素之一；因此，提高強(qiáng)度預(yù)報(bào)水平的關(guān)鍵之處就在于怎樣選取適合的技術(shù)從已知的信息中提取風(fēng)場(chǎng)信息，并結(jié)合適當(dāng)?shù)臄?shù)值預(yù)報(bào)進(jìn)行強(qiáng)度預(yù)報(bào)。臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度一般來(lái)說(shuō)主要由近地面眼壁附近最大風(fēng)速所決定，因此，低層風(fēng)場(chǎng)的反演在整個(gè)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度預(yù)報(bào)過(guò)程中顯的尤為重要。美國(guó)聯(lián)合臺(tái)風(fēng)警報(bào)中心（JTWC）從1987年因經(jīng)費(fèi)缺乏而停止使用偵查飛機(jī)輔助后，開(kāi)始使用衛(wèi)星（如靜止衛(wèi)星、SSM/I、TRMM、QuickSCAT等）圖像和遙感資料結(jié)合Dvorak客觀技術(shù)(ODT)對(duì)臺(tái)風(fēng)低層風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行反演。

低層風(fēng)場(chǎng)可以分為臺(tái)風(fēng)內(nèi)核風(fēng)場(chǎng)和臺(tái)風(fēng)外圍風(fēng)場(chǎng)。目前，基于衛(wèi)星微波散射計(jì)的反演法一般在低風(fēng)速和低降水的環(huán)境中可以得到最好的效果，因而這類方法適合于估計(jì)遠(yuǎn)離臺(tái)風(fēng)眼墻（強(qiáng)風(fēng)和強(qiáng)降水區(qū)）的臺(tái)風(fēng)外圍風(fēng)場(chǎng)。基于衛(wèi)星被動(dòng)微波設(shè)備，像特殊傳感器微波成像儀（SSM/I）常用于估計(jì)開(kāi)闊水域的表面風(fēng)場(chǎng)，但也只能限用于臺(tái)風(fēng)外圍風(fēng)場(chǎng)反演。類似的，基于靜止衛(wèi)星云跡風(fēng)也只可以反演臺(tái)風(fēng)外圍風(fēng)場(chǎng)，因?yàn)閮?nèi)核的卷云具有模糊效應(yīng)。臺(tái)風(fēng)外圍風(fēng)場(chǎng)更多的信息是從經(jīng)常飛行在西大西洋盆地上的灣流IV噴氣飛機(jī)的下投式探空儀的全球定位系統(tǒng)（GPS）獲得。但是基于安全考慮，小型高海拔噴氣飛機(jī)避免進(jìn)入臺(tái)風(fēng)內(nèi)核區(qū)域。

雖然臺(tái)風(fēng)外圍風(fēng)場(chǎng)信息來(lái)源很多，但是臺(tái)風(fēng)內(nèi)核風(fēng)場(chǎng)信息目前只能通過(guò)低空飛機(jī)偵測(cè)獲得，例如國(guó)家海洋和大氣管理局（NOAA）的WP-3D,美國(guó)空軍的WC-130等。目前對(duì)于臺(tái)風(fēng)內(nèi)核風(fēng)場(chǎng)的反演主要采用基于紅外衛(wèi)星數(shù)據(jù)和借助統(tǒng)計(jì)學(xué)中的多元線性回歸法對(duì)飛行層的風(fēng)速進(jìn)行分析。雖然線性回歸法算法在很多情況下簡(jiǎn)單有效，但是其擬合誤差通常較大，因此本發(fā)明利用徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法代替線性回歸法的方法，建立有眼臺(tái)風(fēng)內(nèi)核風(fēng)速和云圖灰度的模型，以提高其建模精度，更加準(zhǔn)確地刻畫臺(tái)風(fēng)內(nèi)核風(fēng)場(chǎng)，為后續(xù)臺(tái)風(fēng)內(nèi)核風(fēng)場(chǎng)反演奠定基礎(chǔ)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的主要是針對(duì)常用算法求解紅外云圖有眼臺(tái)風(fēng)二維表面風(fēng)場(chǎng)誤差較大的特點(diǎn)，提出一種結(jié)合SVM和PDE的新算法對(duì)有眼臺(tái)風(fēng)二維表面風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行反演。首先對(duì)氣象局提供的紅外云圖結(jié)合PDE算法進(jìn)行臺(tái)風(fēng)眼壁提取，得到眼壁各點(diǎn)的坐標(biāo)值和灰度之后，利用SVM進(jìn)行平均灰度和臺(tái)風(fēng)近中心最大風(fēng)速的建模，最后對(duì)于任意給定的紅外云圖經(jīng)過(guò)分割眼壁，提取參考點(diǎn)灰度，結(jié)合模型得到參考點(diǎn)風(fēng)速，利用線性插值反演整個(gè)二維表面風(fēng)場(chǎng)。

本發(fā)明的技術(shù)方案所述程序依次執(zhí)行以下步驟如下：

1）在氣象局提供的臺(tái)風(fēng)數(shù)據(jù)庫(kù)中選取所有可用紅外云圖及其近中心最大風(fēng)速的數(shù)據(jù)。

2）對(duì)步驟1中選中的圖像利用PDE進(jìn)行臺(tái)風(fēng)眼壁的分割。

臺(tái)風(fēng)中心位置的確定對(duì)于天氣分析和臺(tái)風(fēng)預(yù)測(cè)具有重要的意義，但在實(shí)際工作中，臺(tái)風(fēng)中心位置作為臺(tái)風(fēng)重要特征主要依靠人工方式進(jìn)行確定，因此，如何利用衛(wèi)星云圖，自動(dòng)、準(zhǔn)確地分割眼壁顯得至關(guān)重要?；陟o止衛(wèi)星云圖的臺(tái)風(fēng)眼區(qū)提取從本質(zhì)上來(lái)講屬于圖像分割的范疇。圖像分割技術(shù)是圖像處理、分析與理解、圖像識(shí)別和計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域的一項(xiàng)基本而又關(guān)鍵的技術(shù)。常見(jiàn)的圖像分割有：

（1）基于邊緣檢測(cè)的圖像分割方法，圖像分割方法中最常用的是基于邊緣檢測(cè)的圖像分割法。

（2）基于灰度特征的閾值分割方法。

（3）基于區(qū)域的分割方法。

（4）基于分水嶺的圖像分割方法。

根據(jù)臺(tái)風(fēng)眼的輪廓特點(diǎn)，本發(fā)明采用測(cè)地活動(dòng)輪廓模型（GAC模型）的偏微分方程（PDE）臺(tái)風(fēng)云圖分割法。偏微分方程圖像分割技術(shù)是二十世紀(jì)八十年代產(chǎn)生并逐漸發(fā)展起來(lái)的一種非線性圖像分割方法。其基本思想是利用動(dòng)力學(xué)模型的思想，通過(guò)定義一條初始化曲線，在曲線本身的內(nèi)力和圖像數(shù)據(jù)所構(gòu)造的外力作用下，驅(qū)使曲線向目標(biāo)輪廓移動(dòng)，從而獲得目標(biāo)物體之特征。偏微分方程圖像分割的最大優(yōu)點(diǎn)是曲線在演化的過(guò)程中始終保持連續(xù)性和光滑性，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)、封閉的目標(biāo)輪廓提取，這是傳統(tǒng)的分割方法所不能直接實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題。偏微分方程的圖像分割技術(shù)作為一種比較新穎且有效的圖像分割方法，為解決傳統(tǒng)圖像分割技術(shù)諸多困惑提供了一個(gè)很好的途徑。本發(fā)明中欲提取的臺(tái)風(fēng)眼區(qū)輪廓一般來(lái)說(shuō)是不規(guī)則的圓形，鑒于后續(xù)基于所提取的臺(tái)風(fēng)眼壁處的風(fēng)速擬合要求所提取的眼區(qū)輪廓必須連續(xù)而且封閉，而GAC模型恰好符合本發(fā)明的要求。