一种等压线气压槽线和脊线的绘制方法与流程

本发明涉及天气环流图自动化分析技术领域，具体涉及一种等压线气压槽线和脊线的绘制方法。

背景技术：

高空天气图，是用以分析高空天气系统和大气状况的高空气象资料。在高空表示天气形势的方法，一般不用固定高度上的气压分布，而是在一个气压相等的等压面天气图赏，分析这个面凹凸不平的状况。高空天气图分析内容主要包括等高线、等温线、槽线脊线、切变线等。

在气象学中，槽线是指低压槽中等压线气旋性曲率最大而具有最低气压(或位势高度)各点的连线；脊线是指海拔相同的平面上，气压高与毗邻三面而低于另一面的区域，常是高气压延伸出来的狭长区域。槽线脊线自动分析是天气环流图自动化分析的重要内容，现在的天气系统槽线分析主要是通过人工实现，目前尚未存在能够较为准确的判断槽线和脊线的方法。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种等压线气压槽线和脊线的绘制方法，较为准确的绘制天气系统中的槽线和脊线。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种等压线气压槽线和脊线的绘制方法，包括以下步骤：

S1、判断等压线是否为闭合曲线，若是则进入步骤S2，否则进入步骤 S3；

S2、通过弦切法提取槽点和脊点；

S3、根据等压线所处位置提取槽点和脊点；

S4、追踪所述槽点和脊点并连接出槽线和脊线。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述步骤S1中判断等压线是否为闭合曲线的方法为：找出等压线的起点和终点，并判断两点在天气系统中的经纬度是否相同，若相同则为闭合曲线，若不同则为非闭合曲线。

进一步，所述步骤S2具体包括以下步骤：

S21、确定等压线的起点A和终点B，连接A点和B点，找到等压线上距离直线AB的最大垂距点C1，作C1点到对应直线AB的垂线并交直线AB于 H1点；

S22、分别连接A点和C1点，B点和C1点，找到等压线上距离直线AC1 的最大垂距点C2和距离直线BC1的最大垂距点C3，作C2点到对应直线AC1 的垂线并交直线AC1于H2点，作C3点到对应直线BC1的垂线并交直线BC1 于H3点；

S23、将步骤S22迭代4次，找到最大垂距点C1点、C2点、C3点、…、 C31点；

S24、作最大垂距点C1点、C2点、C3点、…、C31点到对应直线的垂线并交对应直线于H1点、H2点、H3点、…、H31点，得到垂线段C1H1、C2H2、 C3H3、…、C31H31；

S25、当垂线段C1H1、C2H2、C3H3、…、C31H31的长度大于3，则最大垂距点C1点、C2点、C3点、…、C31点为局部极值点。

S26、选取局部极值点C1点前后两点N10点和N11点，作局部极值点在直线N10N11上的垂足D1，得到矢量当与的梯度方向夹角小于或等于45°时，提取C1点为脊点，当与的梯度方向夹角大于45°时，提取C1点为槽点。

S27、重复步骤S26，直到将所有的局部极值点提取为脊点或槽点。

进一步，所述步骤S3具体包括以下步骤：

S31、判断该闭合曲线内是否为低压区，若是则进入步骤S32，否则进入步骤S33；

S32、提取位于该闭合曲线最南端的点为槽点；

S33、提取位于该闭合曲线最北端、最东端、最西端的点均为脊点。

进一步，所述步骤S4具体包括以下步骤：

S41、遍历所有的槽点或脊点，当槽点或脊点满足类聚条件时，将满足条件的槽点或脊点归类；

S42、采用最小二乘法将归类好的槽点拟合成槽线，将归类好的脊点拟合成脊线；

S43、重复步骤S41和S42，直到遍历完所有的槽点和脊点。

进一步，所述步骤S41中的类聚条件为：位于不同的等压线、聚类点的个数大于3个、每个点的下一个点位于该点以南且该点与下一个点之间的距离小于16。

本发明的有益效果是：在本发明中，基于弦切法实验了气压场等值线的槽点和脊点提取，并且根据最小二乘法曲线拟合算法提出了独特的槽点和脊点连线方法，取得了较好的槽线和脊线自动识别结果。槽线和脊线连接结果也符合天气系统槽线和脊线分析的要求，能够较好地反应槽点和脊点的趋势，试验结果表明，该算法可以很好地完成天气系统槽线和脊线的自动分析识别。

附图说明

图1为本发明总流程图；

图2为本发明步骤S2的流程图；

图3为本发明步骤S3的流程图；

图4为本发明步骤S4的流程图；

图5为本发明提取槽点和脊点的示意图；

图6为本发明拟合槽点和脊点的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，一种等压线气压槽线和脊线的绘制方法，包括以下步骤：

S1、判断等压线是否为闭合曲线，若是则进入步骤S2，否则进入步骤 S3。

步骤S1中判断等压线是否为闭合曲线的方法为：找出等压线的起点和终点，并判断两点在天气系统中的经纬度是否相同，若相同则为闭合曲线，若不同则为非闭合曲线。

S2、通过弦切法提取槽点和脊点。

如图2所示，步骤S2具体包括以下步骤：

S21、确定等压线的起点A和终点B，连接A点和B点，找到等压线上距离直线AB的最大垂距点C1，作C1点到对应直线AB的垂线并交直线AB于 H1点。

在本发明实施例中，最大垂距点C1为等压线上的点作到直线AB的垂线且垂线距离最大的点。

S22、分别连接A点和C1点，B点和C1点，找到等压线上距离直线AC1 的最大垂距点C2和距离直线BC1的最大垂距点C3，作C2点到对应直线AC1 的垂线并交直线AC1于H2点，作C3点到对应直线BC1的垂线并交直线BC1 于H3点。

S23、迭代4次步骤S22，找到最大垂距点C1点、C2点、C3点、…、C31 点。

S25、当垂线段C1H1、C2H2、C3H3、…、C31H31的长度大于3时，则最大垂距点C1点、C2点、C3点、…、C31点为局部极值点。

S26、选取局部极值点C1点前后两点N10点和N11点，作局部极值点在直线N10N11上的垂足D1，得到矢量当与的梯度方向夹角小于或等于45°时，提取C1点为脊点，当与的梯度方向夹角大于45°时，提取C1点为槽点。

S27、重复步骤S26，直到将所有的局部极值点提取为脊点或槽点。

如图5所示，(a)为弦切一次提取的槽点和脊点示意图，(b)为弦切二次提取的槽点和脊点示意图，(c)为弦切三次提取的槽点和脊点示意图， (d)为弦切四次提取的槽点和脊点示意图，(e)为弦切五次提取的槽点和脊点示意图，可以发现弦切四次与弦切五次最后获得的槽点和脊点基本一致，由此可得，弦切五次是该方法的最佳弦切次数，获得的槽点和脊点最为准确。

S3、根据等压线所处位置提取槽点和脊点。

如图3所示，步骤S3具体包括以下步骤：

S31、判断该闭合曲线内是否为低压区，若是则进入步骤S32，否则进入步骤S33。

S32、提取位于该闭合曲线最南端的点为槽点。

S33、提取位于该闭合曲线最北端、最东端、最西端的点均为脊点。

S4、追踪槽点和脊点并连接出槽线和脊线。

如图4所示，步骤S4具体包括以下步骤：

S41、遍历所有的槽点(或脊点)，当槽点(或脊点)满足位于不同的等压线、聚类点的个数大于3个、每个点的下一个点位于该点以南且该点与下一个点之间的距离小于16，将满足条件的槽点(或脊点)归类。

S42、采用最小二乘法将归类好的槽点拟合成槽线，将归类好的脊点拟合成脊线。

如图6所示，采用最小二乘法拟合曲线，最小二乘法可使所有槽点(或脊点)到曲线的距离偏差和最小，将槽线(或脊线)设为一条一元二次函数曲线：y＝a0+a1x+a2x²，槽点(或脊点)的坐标为Pi＝(xi,yi)，令槽线 (或脊线)为y＝φ(xi)，使得槽线(或脊线)与y＝φ(xi)的偏差最小，槽线(或脊线)在Pi处的偏差为i＝1,2,3,…,m，其中m 为满足条件的槽点(或脊点)的个数。通过公式(1)可计算出a0、a1和a2，并画出槽线(或脊线)。

S43、重复步骤S41和S42，直到遍历完所有的槽点和脊点。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。