基于亚像素的金字塔光流法的雷达回波外推预报.pdf

年月南宁师范大学学报(自然科学版)J u n 第 卷 第期J o u r n a l o fN a n n i n gN o r m a lU n i v e r s i t y(N a t u r a l S c i e n c eE d i t i o n)V o l N o D O I:/j c n k i i s s n 文章编号:()基于亚像素的金字塔光流法的雷达回波外推预报陆冰凌a,李玲b,麦雄发a(南宁师范大学a 数学与统计学院;b 地理与海洋研究院,广西 南宁 )摘要:该文采用基于亚像素的金字塔光流法获取广西的次典型的降水雷达回波的速度和方向,然后根据线性外推方法对雷达回波进行小时外推,获得未来的雷达回波的强度采用命中率、临界成功指数及误报率等统计指标对预报的效果进行检验评估研究结果表明,相比起基于像素的金字塔光流法,基于亚像素的金字塔光流法的精确度和临界成功指数更高,而空报率显著降低这表明后者更适用于广西地区复杂多变的天气条件关键词:临近预报;雷达回波;亚像素光流法中图分类号:P 文献标志码:A临近降水预报是指根据雷达观测结果,对未来较短时间内(如小时)的降雨强度的预测,它对于预警由暴雨引起的自然灾害具有重要意义临近降水预报的一个重要手段是雷达回波图外推,即根据历史观测的雷达回波图像预测未来的雷达回波图像序列一旦得到雷达回波外推结果,就可以很容易地使用多种方法(如Z R关系)获得降水量预报现有的雷达回波图外推方法主要有基于单体质心法模型,、基于交叉相关法模型,、基于光流技术模型,和基于深度学习算法模型,四类单体质心法在回波发生快速融合或者分裂时,其预报精度会随时间的变化快速下降,而交叉相关法对变化较快的强对流降水情况预报精度较低深度学习方法则随着回波反射率强度的增加,对细节的预测难度更大深度学习外推结果出现模糊现象 且高回波值被低估光流法在计算机视觉领域有较多的应用,它具有良好的运动跟踪能力相较于单体质心法和交叉相关法,光流法在面对变化较快的强对流降雨中具有较大的优势;相较于深度学习方法,光流法在实验时对数据量和机器性能的需求远远小于深度学习方法 年H o r n和S c h u n c k 提出将光流法作为一种计算方法引入雷达回波运动的分析中(称为H S光流法),以此来取代交叉相关法在雷达回波运动分析计算中的位置,结果取得了比交叉相关法更好的外推预报效果 L u c a s和K a n a d e 提出了一种基于局部平滑约束的求解方法(称为L K光流法)近年来,国内外许多研究人员采用光流法来进行雷达回波外推实现临近降水预报,例如韩雷等 针对强对流降水的情况,使用光流法计算得到的光流场来代替交叉相关法得到的运动矢量场然而,光流技术仍然有两个不足之处首先,光流法要求图像遵循灰度不变性的假设,而实际雷达回波时刻在变化,故存在误差其次,光流技术容易陷入“孔洞”问题 研究者用不同方法来弥补传统光流法的缺点王敏等 针对原始外推方法中存在无效点或图像不连续的问题,通过对光流法的外推预报结果进行插值拟合,为研究数值模式预报误差提供了非常有用的信息张蕾等 利用金字塔分层技术改进H S光流法来提高回波移动较快造成的反演误差曹春燕等 使用L K方法,在计算光流场时同时考虑连续时次回波的变化和相邻位置回波的变化,运用局部最优法进行求解对局部容易满足最优条件王志斌等 在对H S算法中的平滑项改进的基础上,结合H S算法和L K算法的优点联合计算出光流场,通过增加二维连续质量方程约束条件后得到更加合理的运动矢量场,最后使用改进的变分光流法反演雷达风场数据和计算回波运动的矢量场 K h a n等 提收稿日期:基金项目:广西高等学校千名中青年骨干教师培育计划资助项目第一作者简介:陆冰凌(),女,广西上思人,硕士研究生,研究方向:机器学习Em a i l:q q c o m通信作者简介:麦雄发(),男,广西平南人,副教授,硕士生导师,研究方向:智能计算与机器学习 E m a i l:m a i x f n n n u e d u c n第期陆冰凌,等:基于亚像素的金字塔光流法的雷达回波外推预报 出了一种非线性分数阶变分(N F OV)模型来估计光流,提高了光流法的准确性R a o等 提出了一个非局部总变异N L T V L基于鲁棒加权引导滤波的光流估计方法,弥补了光流估计技术存在运动物体的边缘和边界定义不清的缺陷 年L i u等 提出金字塔光流法(P i x e l b a s e ds h o r t t e r m Q P Nu s i n gP L KO F,P P L K)降水预报模型,首先采用金字塔光流法跟踪降雨云团,然后进行线性外推和内插,以进行降水预报,但是在跟踪和外推过程中,都使用了整数的像素坐标,精度不够高 年L i等 在P P L K基础上,采用更精确的亚像素金字塔光流技术进行降雨云团跟踪,然后通过更精确的亚像素级外推以及内插进行短时降雨预测,研究结果表明,提出的亚像素金字塔光流降水预报方法(S u b p i x e lb a s e dp r e c i p i t a t i o nn o w c a s t i n gw i t ht h eP y r a m i dL u c a s K a n a d eo p t i c a l f l o wt e c h n i q u e,S P L K)效果比P P L K好广西地形复杂,分布着山江海,特殊的地理位置和海陆两种下垫面物理性质的差异形成了广西独特的气候,加上人类活动剧烈,同时受北方干冷气团和西南海洋暖湿气流的影响,以致广西经常遭受台风和强对流天气等各种灾害性天气的影响,是我国沿海地区气象灾害发生最频繁、最严重的地区之一 为了应对临近降水对广西灾害预警工作的挑战,本文利用广西 年的月份到月份的雷达回波拼图数据,建立基于S P L K的降雨模型对广西进行雷达回波外推预报为了验证算法的适用性,本文用四次不同降雨过程和四个反射率阈值下的预报精度进行分析对比实验的结果表明,在广西区域,S P L K雷达回波外推预报模型比P P L K雷达回波外推预报模型在同样的天气情况下获得更高的精度资料和研究区域本试验的数据来源于华南的C I N R A D S A/S B型多普勒组合反射率雷达拼图数据研究区域为广西地区部分区域,范围如图中的方框所示(N N,E E),覆盖时间为 年月至月,共 幅雷达回波图像数据雷达回波图像的网格数量为 行 列,空间分辨率 ,时间分辨率为分钟图本试验的研究区域在这些雷达拼图数据中,我们选择四个降雨过程进行研究这些降雨事件在规模和时间上都大不相同,每个降雨过程选取连续个小时的数据进行实验具体如表所示 南 宁 师 范 大 学 学 报(自 然 科 学 版)第 卷表本试验选取的四个降雨过程的特征过程过程过程过程过程开始时间 结束时间 降雨等级大雨/小雨小雨/阵雨暴雨/大雨中雨/中雨基于亚像素的金字塔光流算法原理算法流程本文采用L i等 提出的亚像素金字塔L u c a s K a n a d e光流法模型进行广西的雷达回波外推预报研究该算法首先从连续的雷达降雨图像中对数据进行预处理,然后利用金字塔光流法进行亚像素运动的追踪,再利用线性外推法预测下一时刻的降雨场,最后对得到的预测图像进行重采样和插值操作完成以上操作便得到未来小时的雷达回报外推预报图像亚像素金字塔光流法L K局部光流法(L u c a s K a n a d e)是根据相邻像素点间运动一致性约束条件,构建一个mm的区域S,在该区域内的每一个像素点的运动光流失量一致,此时u和v两者速度一样这样就可以得到一个超定方程组,再通过最小二乘估计算法得出u和v具体方程如下所示:W(x)I(x,t)vI(x,t)()为了解决在雷达回波移动速度较快时会产生较大误差这一问题,本论文引入了金字塔分层技术来改进L K光流法金字塔分层技术的思想是将雷达回波图像由粗到精分解成不同的分辨率,并设定最底部的层级为级,向上层级依次增加,随着分层级别的增加,图像分辨率逐渐降低通过对级图像进行下采样得到级金字塔图像,并继续向下采样到设定的层数通过下采样逐层缩小图像,当图像足够小时,相邻时刻图像的移动将变得足够小,从而满足光流法的约束方程传统光流技术对运动的估计都是基于像元级的,然而,降雨点的位移通常不是整像素的,大部分是整像素与亚像素的结合(如像素)这时,若仍将像素点的位移看作整像素,会使预报结果产生较大的误差为了避免出现这一问题,本研究采用亚像素的金字塔光流技术来获得亚像素级的运动预报效果评估方法为了评估预报的准确性,本文采用气象预报业务中常用的预测评价指标,包括命中率(p r o b a b i l i t yo fd e t e c t i o n,P O D)、临界成功指数(c r i t i c a l s u c c e s s i n d e x,C S I)及误报率(f a l s ea l a r mr a t e,F A R)三个评估指标计算指标时,需设定一个回波强度阈值,当图像像素值大于给定阈值时,相应的值设置为,否则设置为对于实际观测值和预报值均为的情况,认定为预报成功,记为S;对于实际观测值为而预测值为的情况,视为漏报,记为M;对于实际观测值为,预报值为的情况,视为空报,记为F个评估指标采用下式计算:PO DnsnsnM,C S InsnsnMnF,F A RnFnsnF,()其中ns,nM,nF分别表示回波外推预报图像中预报成功、空报和漏报的像素点的个数试验结果分析基于亚像素金字塔光流法在广西的预报效果评估为对比本算法对不同强度的降水事件的预报效果,这里以过程过程为例(对应的降雨等级依次为大雨、小雨、暴雨、中雨),讨论在四种不同反射率(d b z,d b z,d b z,d b z)阈值下,各个统计指标的变化情况各个指标在未来小时内的变化曲线如图所示第期陆冰凌,等:基于亚像素的金字塔光流法的雷达回波外推预报(a)过程(b)过程(c)过程(d)过程图预报小时内四个反射率条件下PO D,C S I和F A R的变化曲线如图,在整个预报过程中,四个反射率阈值下的PO D和C S I都是随着时间的增加而下降,其中表现最好的是 d b z阈值和 d b z阈值条件下的预报情况,PO D和C S I指数都高于其他反射率,d b z阈值的表现次之,而 d b z阈值的表现最差这是由 于在同一个降雨过程中,阈值越大降雨点越少,命中的难度就越大随着预报时间的增加,F A R逐渐升高,说明随着预报时间的增加,S P L K算法的外推预报效果是降低的从四个降雨事件的PO D来看,下降速度最快的是过程,其他三个降雨事 南 宁 师 范 大 学 学 报(自 然 科 学 版)第 卷件的下降速度相差不大但从四个过程的F A R来看,过程的F A R增长坡度较其他三个过程来说,增长得较平缓,这表明S P L K算法在处理暴雨事件上表现更好从C S I指数上看出,过程和过程的曲线下降速度比过程和过程慢综合上,S P L K在预报的前 分钟均表现良好,对于低强度降雨和范围大的降雨事件表现良好S P L K与P P L K的对比评估为验证基于亚像素金字塔光流法(S P L K)的雷达回波外推预报方法在广西区域的预报效率,本研究采用基于像素的金字塔光流方法(P P L K)进行比较基于像素的金字塔光流方法是 年L i u等 提出来的雷达回波外推预报模型,程序参考A y z e l等 其首先采用金字塔光流法跟踪降雨云团,然后进行线性外推和内插,以进行雷达回波外推预报选取同样的降水事件,用两种方法分别进行预报,所得结果见表和图表S P L K与P P L K光流法的PO D,C S I,F A R(均值)在四个反射率阈值下的对比过程反射率(d b z)S P L K算法 P P L K算法PO DC S IF A RPO DC S IF A R过程 均值 过程 均值 过程 均值 过程 均值 表为四个降雨过程在基于S P L K算法和P P L K算法中的三个统计指标均值表中每个事件对应了五行统计数据,其中前四行数据,是所预测的个小时内的相应指标的均值,第五行的“均值”是其上面四个数据的平均值从“均值”看,过程中,S P L K算法的PO D和C S I分别比P P L K算法提高 和 ,F A R下降 ;过程中,S P L K算法的PO D和C S I分别比P P L K算法提高 和 ,F A R下降 ;过程中,S P L K算法的PO D和C S I分别比P P L K算法提高 和 ,F A R下降 ;过程中,S P L K算法的PO D和C S I分别比P P L K算法提高 和 ,F A R下降 可以看出,在这四个降雨过程中S P L K算法模型的PO D和C S I较P P L K算法均有较大提高,而F A R有所下降第期陆冰凌,等:基于亚像素的金字塔光流法的雷达回波外推预报 图为四个降雨过程在S P L K算法和P P L K算法中的四个统计指标在降雨阈值为 d b z的情况下的对比在整个预报过程中,P O D统计指标方面,S P L K在过程和过程有较大提升,而在过程和过程略有提升;在综合性指标C S I上,S P L K在四个降雨过程中相比P P L K都有较大提升,特别是在后期预报上;在漏报率F A R统计指标上,S P L K在四个降雨过程中都明显比P P L K低,特别是在过程和过程的后期预报上;在RMS E统计指标上,S P L K在四个降雨过程中与P P L K相比均较低,因而也表现更好综上可见,S P L K算法相比P P L K算法来说更适合作为广西区域的雷达回波外推预报模型(a)过程(b)过程 南 宁 师 范 大 学 学 报(自 然 科 学 版)第 卷(c)过程(d)过程图S P L K与P P L K光流法在 d b z阈值下的PO D、C S I、F A R和RMS E的 对比S P L K与P P L K可视化对比评估图为S P L K和P P L K对四个降雨过程的预报结果的可视化对比图(每幅图都包括实际观测图、S P L K预测图和P P L K预测图)限于篇幅,本研究选取预报时间为 分钟、分钟、分钟和 分钟的个时刻图像进行可视化对比分析从图的四次降水事件的外推结果可以得出,S P L K与P P L K外推图像形状与实际观测的图像形状基本吻合,但S P L K的回波外推结果与实际观测吻合程度较P P L K高由于P P L K将像素点的位移全部看作整像素,P P L K外推的雷达回波值与实际的回波值相比存在低估现象随着回波外推时间的增加,S P L K与P P L K预测结果的形状均出现了明显变形,P P L K变形的程度较S P L K高由于光流法遵循灰度不变性假设,而实际的雷达回波存在生消演变,对于移速较快和生消演变迅速的降水过程,随着预报时间的增加,预报效果逐渐降低这个问题是源于光流外推技术固有的弱点第期陆冰凌,等:基于亚像素的金字塔光流法的雷达回波外推预报(a)过程(b)过程(c)过程 南 宁 师 范 大 学 学 报(自 然 科 学 版)第 卷(d)过程图S P L K和P P L K对四个降雨过程的预报结果的可视化对比结论本文基于广西 年月至月的雷达回波拼图资料数据,采用亚像素金字塔光流法进行降雨跟踪再采用线性外推的方法构建了小时雷达回波外推预报模型,检验了该模型在广西区域范围内的雷达回波外推预报能力将S P L K算法与P P L K算法进行对比,S P L K算法比P P L K算法的回波外推预报效果更好但是,本论文使用的模型也有不足之处,比如在对强降雨的雷达回波外推预报表现不好,预报时间越长预报效果越差等虽然光流法在不断改进,但现行光流法仍仅适用于变化缓慢的降水系统,无法预报回波的生消演变,对发展较快的雷达回波的预报误差也较大因此,在未来的研究中仍需探索其他更有效的方法来对广西区域进行雷达回波外推预报参考文献:L i uJ,X uL,C h e nNC As p a t i o t e m p o r a ld e e pl e a r n i n gm o d e lS T L S TM S Af o rh o u r l yr a i n f a l l f o r e c a s t i n gu s i n gr a d a re c h o i m a g e sJ J o u r n a l o fH y d r o l o g y,梁维亮,黄荣,翟丽萍,等广西短时强降水雷达定量降水估测方法试验J灾害学,():J o h n s o nJT,M a c K e e nPL,W i t tA,e ta l T h es t o r mc e l l i d e n t i f i c a t i o na n dt r a c k i n ga l g o r i t h m:A ne n h a n c e dWS R Da l g o r i t h mJ W e a t h e ra n df o r e c a s t i n g,():杨吉,刘黎平,李国平,等基于雷达回波拼图资料的风暴单体和中尺度对流系统识别、跟踪及预报技术J气象学报,():R i n e h a r tRE,G a r v e yET T h r e e d i m e n s i o n a l s t o r m m o t i o nd e t e c t i o nb yc o n v e n t i o n a lw e a t h e rr a d a rJ N a t u r e,():曹伟华,陈明轩,高峰,等雷暴区域追踪矢量与雷暴单体追踪矢量融合临近预报研究J气象学报,():田刚,陈良华,魏凡,等基于光流法雷达外推的 年长江致洪降水临近预报检验评估J暴雨灾害,():柳士俊,张蕾光流法及其在气象领域里的应用J气象科技进展,():A y z e lG,S c h e f f e rT,H e i s t e r m a n nM R a i n N e tv :ac o n v o l u t i o n a ln e u r a l n e t w o r kf o rr a d a r b a s e dp r e c i p i t a t i o nn o w c a s t i n gJ G e o s c i e n t i f i cM o d e lD e v e l o p m e n t,():S h iX,C h e nZ,W a n gH,e t a l C o n v o l u t i o n a lL S TMn e t w o r k:Am a c h i n e l e a r n i n ga p p r o a c h f o rp r e c i p i t a t i o nn o w c a s t i n gJ a r X i vp r e p r i n t a r X i v:,T i a nL,L iX,Y eY,e t a l Ag e n e r a t i v ea d v e r s a r i a l g a t e dr e c u r r e n tu n i tm o d e l f o rp r e c i p i t a t i o nn o w c a s t i n gJI E E EG e o s c i e n c ea n dR e m o t eS e n s i n gL e t t e r s,():第期陆冰凌,等:基于亚像素的金字塔光流法的雷达回波外推预报 H o r nBG,S c h u n c kB D e t e r m i n i n go p t i c a l f l o wJ A r t i f I n t e l l,:L u c a sBD,K a n a d eT A n i t e r a t i v e i m a g e r e g i s t r a t i o nt e c h n i q u ew i t ha na p p l i c a t i o n t os t e r e ov i s i o nJ P r o c t hI J C A,:韩雷,王洪庆,林隐静光流法在强对流天气临近预报中的应用J北京大学学报:自然科学版,():L a k s h m a n a nV,S m i t hT D a t am i n i n gs t o r ma t t r i b u t e sf r o ms p a t i a lg r i d sJ J o u r n a lo fA t m o s p h e r i c&O c e a n i cT e c h n o l o g y,():王敏,葛苏慧插值拟合方法在雷达图像外推预报中的应用J科技信息,():,张蕾,魏鸣,李南,等改进的光流法在回波外推预报中的应用J科学技术与工程,():,曹春燕,陈元昭,刘东华,等光流法及其在临近预报中的应用J气象学报,():王志斌,肖艳姣,吴涛基于改进光流法的雷达图像运动估计J计算机技术与发展,():K h a nM,K u m a rP An o n 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h ee f f e c to fp r e d i c t i o nb ye v a l u a t i n gs t a t i s t i c a l i n d i c a t o r ss u c ha sp r o b a b i l i t yo fd e t e c t i o n,c r i t i c a l s u c c e s s i n d e xa n df a l s ea l a r mr a t e T h er e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a t,c o m p a r e dw i t ht h ep y r a m i do p t i c a l f l o wm e t h o db a s e do np i x e l s,t h ep y r a m i do p t i c a l f l o wm e t h o db a s e do ns u b p i x e l sh a sh i g h e rp r e c i s i o na n dc r i t i c a l s u c c e s s i n d e x,w i t ht h ef a l s ea l a r mr a t es i g n i f i c a n t l yr e d u c e d T h i s i n d i c a t e s t h a t t h e l a t t e r i sm o r e f i t f o r t h ec o m p l e xa n dc h a n g e a b l ew e a t h e rc o n d i t i o n s i nG u a n g x i K e yw o r d s:n o w c a s t i n g;r a d a re c h o;s u b p i x e l p y r a m i do p t i c a l f l o w 责任编辑:班秀和 见习编辑:彭喻振