3种阈值方法在闪电通道图像识别中的应用

该文实现了3种常见的阈值算法在闪电通道识别中的应用。针对某些闪电通道图像对比度较低的特点,首先对原始图像去除背景光照不均的影响并进行图像增强,再根据所处理的闪电通道图像的具体情况,选择全局自适应阈值法、局部自适应阈值法或基于Otsu自适应阈值的Canny算子对增强后的图像进行边缘检测,进而对闪电通道进行识别。对所提取到的闪电通道进行形态学和细化处理,最终提取到由连续的像素点序列表示的闪电通道。针对数字图像中闪电通道背景的不同特点,文中提到的3种阈值方法能够有针对性地对不同图像进行通道检测,在保证准确获得清晰边缘信息的同时,较好地兼顾了对弱边缘信息的提取,有效保证了对闪电通道的识别效果。     

基于最大类间方差算法的雨滴特征提取研究

为了获得雨滴粒子的特征值,采用阈值处理方法对雨滴粒子及其背景图像进行分割,将复杂的雨滴图转化为只有雨滴粒子真实边界的二值图像,通过均值算法标记雨滴粒子质心位置,利用雨滴长轴信息建立雨滴粒子形状模型,结合全局阈值处理中最大类间方差法和局部阈值法,提出一种基于最大类间方差的雨滴特征值检测方法。试验结果表明该方法能够有效地从图像数据中提取雨滴粒子特征值,粒子数目和雨滴形状是测量降雨强度信息不可或缺的参数。     

华南飑线系统对流与层云区闪电起始和通道位置处的云微物理特征

利用广州S波段双偏振雷达观测数据和低频电场探测阵列三维闪电定位数据,分析了2017年5月4日和5月8日华南地区两次飑线过程中闪电起始和通道位置处的雷达偏振参量和降水粒子特征.两次飑线中约80％的闪电起始和通道(统称闪电放电)定位于对流区.对流区闪电放电位置处的雷达反射率(ZH)要比层云区平均大4～5 dBZ,其它偏振参...     

火箭触发闪电通道的亮度特征分析

利用成像速率为2000幅/s的高速摄像资料,对采用不同触发方式的两次负极性闪电进行了对比分析,结果表明:空中触发方式的上行正先导的起始速度比经典触发方式的低一个量级左右,而前者的触发高度要比后者的高;闪电通道中金属导线汽化部分的余晖时间可达160—170 ms,相对来说,空气离化部分的亮度信息更能真实体现闪电通道中的电流特性。依据闪电通道亮度变化特性的差异,并结合电场变化的观测,可以将回击之后的过程分为3种类型,没有M分量的为连续衰减型,有M分量的可分为独立型和延续型两种,能够与不同类型的延续电流波形相对应。总体上看,有M分量的回击间隔比没有M分量的要长,几何平均值分别为77 ms和37 ms,有M分量的初始连续电流也会比没有M分量的持续更长的时间。回击和M分量发生前闪电通道的相对亮度存在明显的差异,回击前闪电通道的相对亮度很弱,甚至观测不到任何发光现象,而M分量发生前闪电通道仍有较强的发光。     

青海地区闪电回击通道的温度特性

用无狭缝摄谱仪获得了青海高原地区云对地闪电回击过程的光谱,在谱线辨认和光谱特征分析的基础上,根据光谱线相对强度和跃迁参数值,用多谱线法,对回击通道不同高度处的温度进行了定量分析。结果表明,通道温度与闪电放电的强度密切相关,一般情况下,闪电放电过程越强,对应的通道温度越高;对通道不同高度处的数据分析发现,同一回击的通道温度随高度的增加略呈减小趋势。     

双站摄像资料重建闪电三维通道的方法

为了满足准确分析闪电通道三维发展特征和闪电先导相互作用的需求,建立了一种利用双站摄像资料重建闪电三维通道的方法,从两幅在不同位置拍摄到的闪电二维图像上分别获取通道的坐标序列,利用空间立体几何原理,寻找两组序列中互相匹配的坐标,再由匹配的坐标序列重建出最终的闪电三维通道。通过对一次实际观测个例的重建与分析,验证了重建算法在实际观测中的可靠性,并对闪电通道的三维长度和二维长度进行了对比,发现两者差异可达2倍以上,充分说明了闪电三维特征分析的重要性。     

基于闪电数据的雷暴识别、追踪与外推方法

该文提出了一种新的雷暴识别、追踪与外推方法。该方法基于地闪数据,利用密度极大值快速搜索聚类算法实现雷暴的识别,采用Kalman滤波算法实现雷暴的追踪与外推。应用该方法处理了2013年的全国地闪定位数据,同时利用多普勒天气雷达等数据对选取的个例进行评估。结果表明:该方法能有效识别雷暴并对其进行实时追踪,且能有效处理雷暴分裂与合并的情况;算法具有较好的0~60 min的临近外推预报能力,各项性能指标整体与TITAN (Thunderstorm Identification, Tracking, Analysis and Nowcasting) 算法接近,在30 min时效有更好的表现。该方法能够实时监测、预报全国雷暴发生发展状况,对于0~60 min临近预报具有一定参考价值。     

基于声光信号的单站式闪电三维通道定位系统

目前基于雷声的三维定位系统多停留在实验阶段,从业务化运行的角度考虑,改进了单站式闪电三维定位系统的麦克风阵列,设计了定位算法,利用该系统采集了2014年夏季南京地区的部分闪电数据,并从计算耗时的角度对三维通道实时定位的可行性进行了研究。结果表明,基于声光信号的单站式闪电三维通道定位系统可重构闪电的三维通道;对连续的雷声信号进行分帧,帧长取0.03 s时,声源定位点可描绘出清晰的闪电主通道;采用分组保存和处理闪电声光信号的方法,可实现实时定位,当一组数据的保存时间为50 s时,计算耗时为46.507 s。     

基于自适应阈值的地基云自动检测方法

云的高精度检测是云量计算的基础,利用晴朗天空下天空呈蓝色、云呈白色的属性, 该文提出一种基于最大类间方差的自适应阈值云检测方法, 并分别基于蓝红波段比值、差值和归一化差值处理进行试验。相比固定阈值的云检测方法, 自适应阈值具有更大的通用性, 且定量的评估结果表明:归一化差值处理在云检测的正确率和精确度方面都获得了令人满意的检测效果。     

一次触发闪电金属汽化通道的亮度与电流特征

2022年夏季在广州从化人工引雷试验场的一次触发闪电过程中, 获取了近距离的高分辨率图像、通道底部电流波形和高速摄像数据。此次触发闪电的高分辨率图像清晰展现了多回击过程金属汽化通道段的空间位移, 汽化通道在连续电流过程中呈现类似火焰的发光特征。结合高速摄像与通道底部电流数据, 研究回击与连续电流过程中金属汽化通道段亮度与电流强度的相关性, 结果表明:相比于回击峰值电流, 其平方与回击峰值亮度的相关性更强, 相关系数分别为0.940和0.955(均达到0.001显著性水平)。对于伴随长连续电流的回击过程, 回击下降部分与之后连续电流过程光电线性相关性拟合的斜率有明显差异。叠加在长连续电流过程上的多个M分量脉冲亮度峰值相对于电流峰值时间滞后, 较小的脉冲峰值电流对应较大的亮度峰值滞后时间。     

回击电流及热效应与闪电光谱和通道温度的相关性分析

依据在青海地区由无狭缝光栅摄谱仪获得的2次多回击云对地闪电的光谱,结合同步辐射电场变化资料,计算了放电等离子体的温度、光谱总强度以及回击通道的峰值电流和作用积分。对观测结果和这些参数进行对比分析,结果表明:(1)同一次地闪的不同回击过程中,光谱总强度与放电电流的大小呈正相关;(2)相邻2次回击的时间间隔较长时,等离子体通道的温度与电流作用积分基本成正比;当相邻2次回击的时间间隔较短时,通道温度与作用积分不再线性相关。     

基于遥感影像大数据、卷积神经网络的福建省有效致灾雷电分布模型及应用

为了研究福建省有效致灾雷电的分布情况,基于福建省2004-2012年闪电定位数据及雷击人员伤亡数据、福建省L17级谷歌遥感影像瓦片,引入卷积神经网络模型对遥感影像所在区域是否属于人员活动的属性进行建模、训练和预测,得到福建省人员活动属性的格点产品,结合福建省历史雷电数据对有效致灾的雷电分布情况进行了分析,结果表明:①设...     

低纬高原一次飑线过程的地闪演变特征分析

利用雷电定位资料、多普勒雷达资料和FY-2E红外卫星资料,分析了滇西南一次典型飑线过程的地闪变化特征。结果表明,这是一次由切变线云带内的对流单体与台风外围对流单体合并形成的典型飑线过程。在飑线发展初期,负地闪占主导地位,地闪频数在波动中缓慢增加;在飑线成熟阶段,地闪频数较高,负地闪频数达到最大峰值前10～15min,正地闪出现最大峰值;在飑线减弱阶段,地闪频数急速下降,正地闪所占比例急剧增加,当正地闪所占比例超过地闪总数的8%以上时,地闪活动开始呈减弱特征。负地闪主要发生在强对流区(>40dBz),对应着径向速度场上的辐合区,密集的正地闪发生在飑线成熟阶段,对应着辐合区附近>40dBz的强回波区域,稀疏的正地闪发生在强回波外围的云砧或稳定性降水部位。在飑线整个发展阶段,-10℃,-20℃层高度上雷达回波强度的每一次跳跃变化都对应着地闪频数的跳跃发展,且-10℃和-20℃层高度上雷达回波强度总在地闪频数变化之前6～30min。负地闪集中出现在-92～-90℃和-76～-74℃的云区,而正地闪集中发生在-90～-60℃的云区。     

一种基于统计分布的图像分割方法

为了使数字高程模型(DEM)图像显示时各种颜色所占面积大体相等，提出了一种图像分割多阈值确定方法。该方法先用较多的组数对数据点按高程分组统计，在此基础上合并数据点较少的相邻组，得到分布较为均匀、组数较少的二次分组，提取二次分组的组限作为阈值。试验和分析证明，用该方法获取的阈值能较好地分割图像，节省时间和空间。     

2013年7月31日京津冀飑线过程的数值模拟与结构分析

利用WRF (Weather Research and Forecasting Model)模式对2013年7月31日发生在京津冀的一次飑线过程进行了高分辨模拟,对比分析表明模拟结果和实况观测较为一致,因此,利用模拟结果分析得到的飑线结构和发展过程基本可信。模拟飑线系统的探空曲线再现了国外的研究得到的飑线系统具有的经典探空结构,如:层状云区接近饱和,尾流低压区具有"洋葱型"探空结构,以及尾流低压区之后与后方入流相联系的中层干区等。对该次飑线系统的风场、气压场进行的分析揭示出本次飑线过程在成熟阶段气压场呈"低高低"的不对称结构分布。其中,中高压有两个,分别位于飑线北部和中部的对流云区后方。尾流低压较弱,位于飑线中部层状云区后方。飑前低压位于飑线前偏南。飑线在成熟时期前方低层有一支入流,在飑线前部对流云区抬升后分为三支,分别向前方高层、后方高层和后方低层流出。同时后方中层有明显的后方入流,入流同时下沉到近地面辐散流出。对该次飑线的地闪特征进行的统计表明"起电层"中的冰相粒子混合比分布与地闪活动的特点可能有联系。本文的结果对于揭示华北飑线的中尺度结构具有重要参考意义,为进一步研究该次飑线的发生发展机理奠定了基础。     

北京一次强飑线过程的闪电辐射源演变特征及其与对流区域和地面热力条件的关系

利用2015年夏季北京闪电综合探测（BLNET）总闪辐射源定位、多普勒天气雷达、地面自动气象站和探空资料等多种协同观测资料,详细分析了2015年8月7日北京一次强飑线过程不同阶段的闪电特征,并探讨了闪电与对流区域和地面热力条件之间的关系。飑线过程整体上以云闪为主,根据雷达回波和闪电频数可以将飑线过程分为发展、增强及减弱三个阶段。发展阶段表现为多个孤立的γ中尺度对流降水单体,随着北京城区降水单体的迅速发展,强回波顶高延伸到-20℃温度层高度,闪电辐射源高度也逐步增加,闪电明显增多,但总闪电频数整体低于80次/min。增强阶段单体合并,闪电频数快速增长,0℃层以上及以下的强回波（＞40 dBZ）体积明显增大,飑线形成后,总闪和地闪均达到峰值,分别约248次/min和18次/min,负地闪占总地闪比例为90%,辐射源主要分布在线状对流降水区内,辐射源数量峰值出现在5～9 km高度层。减弱阶段飑线主体下降到0℃以下并迅速衰减,辐射源分布明显向后部层云降水区倾斜。95%的闪电发生在对流线附近10 km范围内,即对流云区和过渡区。在系统发展和增强阶段,对流云区与层云区辐射源的活跃时段基本一致;系统减弱阶段,对流降水云区辐射源数量迅速减少。在系统的不同发展阶段,闪电活跃区域对应于冷池出流同平原暖湿气流在近地面形成的相当位温强梯度带内。     

基于DP算法的槽线自动判识

槽线自动识别是天气图自动化分析的重要内容,但目前的气象槽线分析主要通过人工实现。为了能够实现槽线准确快速的自动提取,本文从等压线数据着手,提出了一种基于Douglas-Peucker算法的气象槽线自动识别方法。该方法通过Douglas-Peucker算法从等压线中提取曲线特征点作为槽点,充分保留了等压线曲线的主要特征和拓扑关系;依据由等压线拓扑结构设定的规则连接槽点构成候选曲线,进行槽脊线区分得到槽线识别结果。试验表明该方法能够实现槽线的自动分析,分析结果较为准确。     

一种基于实景图像的低能见度识别算法

为了利用大量视频监控设备提高能见度数据采集密度,提出一种基于实景图像转换的、采用简单卷积神经网络分类提取能见度等级的算法。该算法假设视频设备水平安装且具备开阔视野, 对原始视频图像进行水平分块,提取各分块的梯度、饱和度和亮度信息组成新的图像,基于简单卷积神经网络建模。采用2019年9月—2020年12月上海洋山港气象站29668张视频图像进行训练,建立识别模型,并采用2021年1—5月5757张视频图像对模型进行测试。采用该算法建立的模型参考雾的预报等级(GB/T 27964—2011)将能见度分为5个等级进行检验,白天准确率为87.99%,夜间准确率为81.32%,优于直接采用AlexNet模型。对1000 m以下低能见度天气的识别准确率达95%以上。利用现有的视频摄像头,可有效弥补气象站点能见度仪数据不足的问题,在气象业务上有一定的应用价值。     

基于深度学习的卫星多通道图像融合的海雾监测处理方法

海雾无论在海上还是在沿岸地带，都因其恶劣的能见度对交通运输、海洋捕捞和海洋开发工程以及军事活动等造成不良影响，因此对于海雾的实时监测和预报就显得尤为重要。本文提出了基于深度学习的静止气象卫星多通道图像融合分割算法，使用D LinkNet深度卷积神经网络语义分割算法模型对黄渤海海域范围的16通道、空间分辨率为0.5 km的Himawari 8卫星数据进行研究。分别采用均交并比（mIOU）以及观测值检验作为评价指标，在测试集上的mIOU为0.9436，并且用卫星测试数据结果与海上观测数据结果进行对比，得出雾区准确率（检测有雾且真实有雾/检测有雾）为66.5%，雾区识别率（检测有雾且真实有雾/（真实有雾-云覆盖））为51.9%，检测正确率(检测正确/总样本)93.2%。本文提出的方法能为海雾监测提供一个可靠的参考。