基于TV_l1光流法的风云四号云导风估计方法及系统与流程

技术特征：
1.一种基于tv_l1光流法的风云四号云导风估计方法，所述方法包括：对风云四号气象卫星连续采集的两帧卫星云图进行预处理；采用rof图像细节提取模型，对预处理后的每帧图像进行分解，分别得到对应的基本图像与细节图像；对每帧细节图像建立金字塔结构，基于tv_l1光流法按照金字塔结构逐层迭代，计算得到两帧细节图像间的光流场；由光流场结合地球投影模型计算风矢量；根据标准大气温低垂直廓线表由云顶亮温值计算得到云顶高度；结合云顶高度对风矢量进行质量检测，剔除不合格的风矢量，由卫星云图上所有的合格风矢量得到风矢量场。2.根据权利要求1所述的基于tv_l1光流法的风云四号云导风估计方法，其特征在于，所述对风云四号气象卫星连续采集的两帧卫星云图进行预处理；具体包括：对每帧卫星云图进行通道分离处理，将卫星云图中不同通道的测值分离，每一个通道形成一幅圆盘图；再进行定位和定标处理得到该卫星云图预处理后的图像。3.根据权利要求1所述的基于tv_l1光流法的风云四号云导风估计方法，其特征在于，所述采用rof图像细节提取模型，对预处理后的每帧图像进行分解，分别得到对应的基本图像与细节图像；具体包括：采用rof图像细节分割的模型，对预处理后的图像i进行分解，得到该图像的基本图像i
s
为：其中，θ为太阳天顶角，为对基本图像i
s
进行梯度运算；由下式得到该图像的细节图像i
t
为：i
t
＝i
‑
0.95i
s
。4.根据权利要求1所述的基于tv_l1光流法的风云四号云导风估计方法，其特征在于，所述对每帧细节图像建立金字塔结构，基于tv_l1光流法按照金字塔结构逐层迭代，计算得到两帧细节图像间的光流场；具体包括：根据尺度不变原理对每帧细节图像分别构造金字塔结构，包括l层，从粗尺度的第1层逐层迭代，直至到精细层第l层，迭代时只更新每层之间的运动场差异；得到每帧图像的光流场；基于tv_l1光流法计算前后两帧细节图像间的光流场。5.根据权利要求1所述的基于tv_l1光流法的风云四号云导风估计方法，其特征在于，所述由光流场结合地球投影模型计算风矢量；具体包括：根据下式计算光流场矢量起点所在纬度为的地球半径r为：其中，r
p
为地球的极地半径，ε为地球的扁率；根据下式计算光流场矢量起始位置和终点位置之间的地心角γ为：
其中，分别为光流场矢量起点和终点的纬度；δλ为光流场矢量起点和终点的经度λ0与λ1的差值；根据下式计算风速f为：f＝γ*r/δt其中，δt为两帧卫星云图之间的时间差；根据下式计算风向的大小d为：根据λ0，λ1的大小判断风向，若λ1>λ0，风向dd＝d；若λ1≤λ0，风向dd＝360
°‑
d。6.根据权利要求1所述的基于tv_l1光流法的风云四号云导风估计方法，其特征在于，所述根据标准大气温低垂直廓线表由云顶亮温值计算得到云顶高度；具体包括：根据云顶亮温值t，单位为k，在标准大气温低垂直廓线表中查找云顶亮温值t对应的云顶高度h，单位为hpa；如果查找不到，则判断云顶亮温值t的范围；如果t∈(216.14，288.14)，则从标准大气温低垂直廓线表中找到与t最相近的两个温度值t1，t2，并且t1>t，t2<t，由t1，t2分别得到对应的云顶高度h1和h2；如果t<216.64，则令t1＝216.64，t2＝228.43，从标准大气温低垂直廓线表中找到对应的云顶高度h1和h2；如果t>288.14，则令t1＝287.49，t2＝288.14；从标准大气温低垂直廓线表中找到对应的云顶高度h1和h2；根据温度值t1，t2和对应的云顶高度h1和h2，采用线性插值法计算得到云顶亮温值t对应的云顶高度h：7.根据权利要求1所述的基于tv_l1光流法的风云四号云导风估计方法，其特征在于，所述结合云顶高度对风矢量进行质量检测，剔除不合格的风矢量，由卫星云图上所有的合格风矢量得到风矢量场；具体包括：对于云图边界区求出的风矢量或者风矢量所在位置加上风矢量后超出云图拍摄的范围，则该风矢量不合格；当云顶气压高度低于100hpa或者高于1000hpa对应的风矢量不合格；当风矢量所在位置的云量为0，则该风矢量不合格；当亮温值缺失或者亮温值超出预设范围时，对应的风矢量不合格；以风矢量所在位置为中心，扩大到周围15*15像素块，如果15*15像素块中存在复合云层，则该风矢量不合格；当相邻两时刻风矢量水平分量加速度超过阈值时，该风矢量不合格；当相邻两时刻风矢量垂直分量加速度超过阈值时，该风矢量不合格；当风矢量的风速小于3m/s，该风矢量不合格；当相邻两时刻风矢量的风向改变超过30度，该风矢量不合格；当风矢量所处位置的云高不满足通道云高的范围，该风矢量不合格；
当以风矢量所在位置为中心，扩大到周围5*5像素中的相邻两时刻平均云压分别为p1和p2，如果该区域相邻两时刻平均云压差的绝对值超过100hpa，该风矢量不合格；当太阳天顶角不属于预设的天顶角范围，该风矢量不合格；删除不合格的风矢量得到合格风矢量；由卫星云图上所有的合格风矢量得到风矢量场。8.一种基于tv_l1光流法的风云四号云导风估计系统，其特征在于，所述系统包括：预处理模块、图像分解模块、光流场计算模块、风矢量计算模块、云顶高度计算模块和质量检测模块；其中，所述预处理模块，用于对风云四号气象卫星连续采集的两帧卫星云图进行预处理；所述图像分解模块，用于采用rof图像细节提取模型，对预处理后的每帧图像进行分解，分别得到对应的基本图像与细节图像；所述光流场计算模块，用于对每帧细节图像建立金字塔结构，基于tv_l1光流法按照金字塔结构逐层迭代，计算得到两帧细节图像间的光流场；所述风矢量计算模块，用于由光流场结合地球投影模型计算风矢量；所述云顶高度计算模块，用于根据标准大气温低垂直廓线表由云顶亮温值计算得到云顶高度；所述质量检测模块，用于结合云顶高度对风矢量进行质量检测，剔除不合格的风矢量，由卫星云图上所有的合格风矢量得到风矢量场。

技术总结
本发明公开了一种基于TV_l1光流法的风云四号云导风估计方法及系统，所述方法包括：对风云四号气象卫星连续采集的两帧卫星云图进行预处理；采用ROF图像细节提取模型，对预处理后的每帧图像进行分解，分别得到对应的基本图像与细节图像；对每帧细节图像建立金字塔结构，基于TV_l1光流法按照金字塔结构逐层迭代，计算得到两帧细节图像间的光流场；由光流场结合地球投影模型计算风矢量；根据标准大气温低垂直廓线表由云顶亮温值计算得到云顶高度；结合云顶高度对风矢量进行质量检测，剔除不合格的风矢量，由卫星云图上所有的合格风矢量得到风矢量场。本发明的方法在提升产品时空分辨率的同时提高了云导风产品的精度。的同时提高了云导风产品的精度。的同时提高了云导风产品的精度。


技术研发人员：孙逢林 覃丹宇 李博 陆其峰
受保护的技术使用者：国家卫星气象中心（国家空间天气监测预警中心）
技术研发日：2021.06.10
技术公布日：2021/10/23