光流法在強(qiáng)對(duì)流天氣臨近預(yù)報(bào)中的應(yīng)用分析

張海 鄧朝平 唐明輝

摘 要:在強(qiáng)對(duì)流天氣的臨近預(yù)報(bào)中,獲得較為直觀的矢量圖是十分重要的一個(gè)步驟,光流法在此方面可以幫助技術(shù)人員獲得較為光滑而準(zhǔn)確的短時(shí)內(nèi)對(duì)流天氣矢量圖,并可以此作為預(yù)報(bào)的依據(jù)。

關(guān)鍵詞:對(duì)流天氣光流法交叉相關(guān)法矢量圖

中圖分類(lèi)號(hào):P456.1-53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào)1672-3791(2012)06(a)-0243-01

1 光流法對(duì)天氣預(yù)報(bào)的具體作用

1.1 光流法簡(jiǎn)介

所謂光流法就是一種計(jì)算機(jī)為輔助的分析技術(shù),是電子圖像分析的重要方法。光流法出現(xiàn)是在20世紀(jì)中期,應(yīng)用的范圍是對(duì)觀測(cè)目標(biāo)與傳感器之間的位置分析,而在計(jì)算機(jī)影像中顯示的是目標(biāo)的瞬時(shí)移動(dòng)和圖像的亮度情況,以此揭示了圖像的運(yùn)行情況即趨勢(shì)。因?yàn)閳D像的像素構(gòu)成的一個(gè)光流所以稱之為光流法。從該方法的理論分析,是將一個(gè)連續(xù)的圖像中的像素進(jìn)行分析與計(jì)算并獲得模型參數(shù)。在實(shí)際的應(yīng)用中對(duì)目標(biāo)分割、識(shí)別、追蹤定位、規(guī)律預(yù)測(cè)等都有著較好的效果,為以往的計(jì)算機(jī)視域分析提供了必要的技術(shù)提升,并被天文和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域采用。

1.2 HS計(jì)算法

在研究中為了準(zhǔn)確的確定光流,需要將其約束在一個(gè)條件范圍內(nèi),因此學(xué)者提出了一種HS法對(duì)光流場(chǎng)進(jìn)行求解。HS的計(jì)算主要是為了保證計(jì)算視域中光流的平滑性,也即是在圖像上顯示的光流是綜合模式,光流在視域范圍內(nèi)呈現(xiàn)的是圖像的連續(xù)且光滑曲線,因此需要利用數(shù)學(xué)模式進(jìn)行極限處理,以此形成分析針對(duì)的目標(biāo)函數(shù)。具體的預(yù)算公式如下:光流有兩個(gè)變量u和v

其中λ的取值范圍主要是針對(duì)圖像中的噪聲情況,噪聲強(qiáng)說(shuō)明圖像數(shù)據(jù)的置信度較低,需要增加其光流約束條件來(lái)使其準(zhǔn)確,所以此時(shí)λ設(shè)定的值就大,相反則可以降低其值。

1.3 光流法與交叉相關(guān)法預(yù)測(cè)的情況比較分析

在某一個(gè)時(shí)段,北京地區(qū)出現(xiàn)了一個(gè)強(qiáng)對(duì)流的氣象趨勢(shì),在北京市范圍內(nèi)會(huì)出現(xiàn)多次的強(qiáng)對(duì)流天氣。在與北京相鄰的雷電站對(duì)這個(gè)氣象過(guò)程進(jìn)行了記錄。為了闡述光流法的應(yīng)用,就此氣象過(guò)程進(jìn)行分析與數(shù)據(jù)揭示。從下面的雷達(dá)圖像中可以看出,強(qiáng)對(duì)流氣象的運(yùn)行速度、形狀隨著時(shí)間而發(fā)展的過(guò)程十分快。光流法和交叉相關(guān)的分析并形成了組合。

該影像的分析顯示,在氣象過(guò)程中北京的兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)之間形成的反射因子影像,在圖中所明示的是強(qiáng)對(duì)流過(guò)程的發(fā)展,即核心是深色區(qū)域的超級(jí)單體回波顯示出來(lái)的冰雹氣象。在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)一個(gè)次級(jí)單體也在高速成型,回波顯示了其快速的移動(dòng)狀況,其外形出現(xiàn)的改變十分明顯。此時(shí)利用光流法引入分析形成了一個(gè)帶有矢量的圖形2。

在上面的圖形中,交叉相關(guān)法完成了對(duì)運(yùn)行速度和外形的具體描述,但是在高速變化的情況下,其跟蹤不容易成功。在圖a中雷暴的右上位置十分明顯,其運(yùn)動(dòng)的速度極快,從而使得相關(guān)計(jì)算中采用的參考系數(shù)過(guò)小,進(jìn)而形成了一個(gè)計(jì)算失效的區(qū)域,在圖像上無(wú)法將其矢量化。同時(shí)雷暴的右邊的邊緣化區(qū)域也出現(xiàn)了不合理的矢量對(duì)吹。反觀圖b,在光流法的輔助下,增加了對(duì)圖像的約束條件,此時(shí)就將對(duì)吹的情況進(jìn)行了消除。在整個(gè)圖像上建立了一個(gè)平滑的假設(shè),然后對(duì)整個(gè)強(qiáng)對(duì)流區(qū)域進(jìn)行了更加準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)矢量描述。這樣就可以看出光流法的優(yōu)勢(shì),在整個(gè)雷暴區(qū)域內(nèi),核心區(qū)域的運(yùn)行與變化都十分劇烈,但是其分析結(jié)果十分準(zhǔn)確,對(duì)其整體運(yùn)行趨勢(shì)進(jìn)行了明確的描述,這就很明顯的體現(xiàn)了其優(yōu)于交叉相關(guān)法。但是此種方法也是有其缺陷的,即容易造成在平滑時(shí)導(dǎo)致細(xì)節(jié)問(wèn)題消失,如右下角,本來(lái)應(yīng)為東南方向,但是這個(gè)區(qū)域的趨勢(shì)被平滑而消失了。

2 對(duì)光流法預(yù)測(cè)的評(píng)價(jià)和分析

為了對(duì)光流法預(yù)測(cè)情況進(jìn)行評(píng)價(jià),預(yù)測(cè)雷暴的位置和預(yù)備時(shí)刻設(shè)計(jì)雷暴的位置在同比網(wǎng)格上,此時(shí)一個(gè)格點(diǎn)上的反射因子的值大于預(yù)先設(shè)定的雷暴的閾值,則可以認(rèn)為這個(gè)格點(diǎn)為活躍反之為不活躍。

在實(shí)踐中,利用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為表格對(duì)其進(jìn)行評(píng)估。按照數(shù)據(jù)列表的范式如果實(shí)際形成的點(diǎn)與與預(yù)報(bào)點(diǎn)都是處在活躍期間,其預(yù)測(cè)即為成功,而如果實(shí)際活躍的點(diǎn)與預(yù)報(bào)點(diǎn)并不配合則預(yù)測(cè)失敗;如在預(yù)測(cè)中其格點(diǎn)在實(shí)際中不活躍,則為一個(gè)虛假預(yù)報(bào)。探測(cè)概率、虛假警報(bào)比、臨界成功指數(shù)都可以利用前面的成功點(diǎn)和非成功點(diǎn)、虛假警報(bào)點(diǎn)進(jìn)行表示。

3 結(jié)語(yǔ)

從前面的分析看,光流法在預(yù)報(bào)的原理和實(shí)際應(yīng)用中都可獲得較好的預(yù)測(cè)效果,尤其是對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣臨近預(yù)報(bào)更是可以獲得較好的預(yù)報(bào)效果。當(dāng)然其也具有一定的缺陷,但是光流法的應(yīng)用可以有效彌補(bǔ)交叉相關(guān)法的不足,并可用在實(shí)踐中為預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)臨近天氣作出貢獻(xiàn)。