CN111986324A - 基于气象要素的等值面构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于气象要素的等值面构建方法，其包括以下步骤：步骤S1，散点数据的空间插值；步骤S2，建立等级列表；步骤S3，等值线的绘制；步骤S4，等值线的裁剪；步骤S5，等值面的拼接。本发明的等值面生成方法对异常点敏感，考虑到了每一类气象要素都存在其既定的阈值，超出阈值范围的站点不参与分析，有效的解决站点数据缺报、异报的问题，同时相对于传统的等值面分析算法在对全省范围的观测站进行等值面分析时耗时10～30s不等的时间，本发明在同样的数据条件下从开始查询到界面响应不会超过1s的时间，大大提高了预报员的工作效率。
Description
技术领域
本发明涉及气象要素技术领域，尤其涉及一种基于气象要素的等值面构建方法。
背景技术
在等值面分析技术出现之前，预报图形主要是靠人工绘制，虽然在绘制的过程当中会参照各种渠道得来的预报数据，但是主观性较强，不同的人来绘制同一段时期的预报图形得出来的结果也是会大相径庭，且效率较低，有时候为了制作好一张预报图形往往需要预报员绞尽脑汁，而等值面分析技术的出现很好的解决了该问题。
等值面分析技术是基于离散的点构建闭合曲面的一种技术手段，构建出来的面会呈现出不同的值范围对应不同的闭合面，面面相交互不重叠。构建完成后的等值面再通过GIS引擎的数据渲染，一张高质量的预报图形即可呈现出来。但同样，因为气象数据空间尺度往往跨度较大，其中参与分析的离散点数量较多，分布也不均匀，甚至有可能存在异常点。
基于以上情况，传统的等值面分析技术存在的弊端就体现了出来，比如空间大尺度下分析效率相对较低、对异常点不敏感、难以兼顾离散点发布极不均匀时分析结果误差较大的问题等，在这样的情况下，一种符合气象领域的等值面分析算法就显得尤为重要。
发明内容
针对现有等值面分析技术存在的比如空间大尺度下分析效率相对较低、对异常点不敏感、难以兼顾离散点发布极不均匀时分析结果误差较大的问题等弊端，本发明提供一种基于气象要素的等值面构建方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：所述基于气象要素的等值面构建方法，包括以下步骤：
步骤S1，散点数据的空间插值：将包含经度、纬度、要素值的散点数据插值到规则网格中形成网格数据；
步骤S2，建立等级列表：将输入的等级参数进行预处理，建立列表形式的等级列表；
步骤S3，等值线的绘制，具体包括以下步骤：
步骤S31：依据等级列表，选取某个具体等级K，从网格中的西南角先向北再向东逐个网格点搜索，当找到一个网格点的取值g(X)大于g(K)，而相邻网格点的取值g(X)小于g(K)时，通过线性插值确定在两个网格点连线的中间某个位置作为等值线K的起始点P0；
步骤S32：确定包含P0点的由四个网格点及其连线组成的四边形，在该四边形中除去P0所在的边的另外3条边中，找到下一个取值等于g(K)的点，记为P1；
步骤S33：以同样的方式根据P1找到下一个点P2，并重复循环，直到最新找到的点Pn在网格的边界，或者又回到了P0位置则停止，所有过程中获得的点的列表记录为一条等值线K0；
步骤S34：继续向未搜索过的网格区域查找等级为g(K)且没有被前面的步骤扫描到的等值线，重复步骤S31～S33的方法，找出等级值为g(K)的其它所有线条；
步骤S35：改变等级K，循环步骤S31～S34，搜索出所有等级对应的线条；
步骤S4，等值线的裁剪：根据裁剪区域信息裁剪出区域内等值线；
步骤S5，等值面的拼接：具体包括以下步骤：
步骤S51：将等值线结果复制一份后倒转线条的描点顺序，由此获得一正一反两套等值线；
步骤S52：获取1个等值面的外圈。
在本发明提供的基于气象要素的等值面构建方法的一种较佳实施例中，所述步骤S1的插值方法包括以下步骤：
步骤S11：对于网格中的第i，j个网格点G(i，j)，找出和它距离小于200Km的站点；
步骤S12：对步骤S11中找出的站点中挑选最近的10个，如果不足10个则全部保留；
步骤S13：对于步骤S12中的站点采用反距离权重平均值法，作为网格点G(i，j)上的取值g(X)；
步骤S14：重复步骤S11～步骤S14获得所有网格点的取值。
在本发明提供的基于气象要素的等值面构建方法的一种较佳实施例中，所述步骤S2的预处理方法包括以下步骤：
步骤S21：将输入为列表形式或等间距形式的参数同一处理成列表形式；
步骤S22：将预处理成列表的等级参数与插值后的网格数据进行对比，如果等级列表的起止值不能覆盖网格数据的取值范围，则在等级列表的头增加一个更大的等级参数，或在等级列表的尾增加一个更小的等级参数，确保新的等级列表的起止值覆盖网格数据的取值范围。。
在本发明提供的基于气象要素的等值面构建方法的一种较佳实施例中，所述步骤S4中，等值线裁剪包括以下步骤：
步骤S41：选取1根等值线，计算它和所有裁剪区域边界线之间的所有交点；
步骤S42：根据步骤S41的交点，将等值线裁剪成多段，如果没有交点就相当于裁剪成了1段；
步骤S43：取步骤S42中1段等值线，判断它的中间点是否位于裁剪区域内，如果是则保留，如果否则删除，循环判断每段等值线，获得所有保留的线段；
步骤S44：对其它等值线同样采用步骤S41～S43的方法，判断出所有在裁剪区域内的线段。
在本发明提供的基于气象要素的等值面构建方法的一种较佳实施例中，所述步骤S52中，获取等值面外圈包括以下步骤：
步骤S521：从裁剪后的等值线中选取1根等值线L1，将其添加为一个等值线的外圈，包括以下情况：
如果它和边界没有交点，则它将被作为一个等值面外圈全部；
如果有交点p0，则以该交点开始找出裁剪边界线条上的下一个交点p1，将这一段裁剪边界上的线段C1拼接到外圈等值线上，再找到以p1为顶点的等值线L2，如果L2和L1是同一根线则终止，否则将其拼接到外圈上，从L2的尾端点p2，即L2和边界的交点找到边界上下一个交点p3，由此获得边界上的另一段线条C2，也加入到外圈当中，进一步地找到以p3为起点等值线L3，判断其是否和L0一致，如果一致则终止，否则继续重复上面的步骤搜索和拼接，所有被拼接步骤用到的等值线都标记为已采用。
步骤S522：考虑到拼接完成的等值面有可能为环状等值面，需进一步判断S521中获取到的外圈是否还存在有内圈(外圈、内圈相当于环状面的外径、内径)，对于从步骤S521中获得的外圈，从未被采用过的等值线中找到其内圈，一个等值线是其内圈的条件包括以下情况：
A，该等值线为闭合线；
B，该等值线被外圈包围；
C，该等值线不被其它被外圈内部的等值线围住。。
与现有技术相比，本发明提供的基于气象要素的等值面构建方法的有益效果是：
一、本发明的等值面生成方法对异常点敏感，考虑到了每一类气象要素都存在其既定的阈值，超出阈值范围的站点不参与分析，有效的解决站点数据缺报、异报的问题，同时相对于传统的等值面分析算法在对全省范围的观测站进行等值面分析时耗时10～30s不等的时间，本发明在同样的数据条件下从开始查询到界面响应不会超过1s的时间，大大提高了预报员的工作效率；
二、本发明支持指定多边形区域内构建等值面，可在传统等值面算构建出来的矩形等值面的基础上与指定多边形区域进行裁剪，能最好的将裁剪得出的等值面呈现到用户界面，提高了图形的美化度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：
图1是本发明提供的基于气象要素的等值面构建原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，所述基于气象要素的等值面构建方法包括以下步骤：
步骤S1，散点数据的空间插值：将包含经度、纬度、要素值的散点数据插值到规则网格中形成网格数据；所述插值方法具体包括以下步骤：
步骤S11：对于网格中的第i，j个网格点G(i，j)，找出和它距离小于200Km的站点；
步骤S12：对步骤S11中找出的站点中挑选最近的10个，如果不足10个则全部保留；
步骤S13：对于步骤S12中的站点采用反距离权重平均值法，作为网格点G(i，j)上的取值g(X)；
步骤S14：重复步骤S11～步骤S14获得所有网格点的取值。
本发明对反距离插值算法的参数进行调优，相比于普通的插值算法，其插值结果的空间分布更合理，规避了同心圆问题，对反距离插值时获取网格附近站点列表的算法模块采用反向影响的搜索算法，使得插值的效率大幅提高。
步骤S2，建立等级列表：将输入的等级参数进行预处理，建立列表形式的等级列表；其中，预处理方法包括以下步骤：
步骤S21：将输入为列表形式或等间距形式的参数同一处理成列表形式；
步骤S22：将预处理成列表的等级参数与插值后的网格数据进行对比，如果等级列表的起止值不能覆盖网格数据的取值范围，则在等级列表的头增加一个更大的等级参数，或在等级列表的尾增加一个更小的等级参数，确保新的等级列表的起止值覆盖网格数据的取值范围。
步骤S3，等值线的绘制，具体包括以下步骤：
步骤S31：依据等级列表，选取某个具体等级K，从网格中的西南角先向北再向东逐个网格点搜索，当找到一个网格点的取值g(X)大于g(K)，而相邻网格点的取值g(X)小于g(K)时，通过线性插值确定在两个网格点连线的中间某个位置作为等值线K的起始点P0；
步骤S32：确定包含P0点的由四个网格点及其连线组成的四边形，在该四边形中除去P0所在的边的另外3条边中，找到下一个取值等于g(K)的点，记为P1；
步骤S33：以同样的方式根据P1找到下一个点P2，并重复循环，直到最新找到的点Pn在网格的边界，或者又回到了P0位置则停止，所有过程中获得的点的列表记录为一条等值线K0；
步骤S34：继续向未搜索过的网格区域查找等级为g(K)且没有被前面的步骤扫描到的等值线，重复步骤S31～S33的方法，找出等级值为g(K)的其它所有线条；
步骤S35：改变等级K，循环步骤S31～S34，搜索出所有等级对应的线条。
本发明的等值线绘制采用翻转矩形的方式所搜等值线的逐个描点，极大的缩小了描点的搜索范围，使得等值线绘制的效率得到显著提高。
步骤S4，等值线的裁剪：根据裁剪区域信息裁剪出区域内等值线；具体包括以下步骤：
步骤S41：选取1根等值线，计算它和所有裁剪区域边界线之间的所有交点；
步骤S42：根据步骤S41的交点，将等值线裁剪成多段，如果没有交点就相当于裁剪成了1段；
步骤S43：取步骤S42中1段等值线，判断它的中间点是否位于裁剪区域内，如果是则保留，如果否则删除，循环判断每段等值线，获得所有保留的线段；
步骤S44：对其它等值线同样采用步骤S41～S43的方法，判断出所有在裁剪区域内的线段。
步骤S5，等值面的拼接：具体包括以下步骤：
步骤S51：将等值线结果复制一份后倒转线条的描点顺序，由此获得一正一反两套等值线；
步骤S52：获取1个等值面的外圈，具体包括以下步骤：
步骤S521：从裁剪后的等值线中选取1根等值线L1，将其添加为一个等值线的外圈，包括以下情况：
如果它和边界没有交点，则它将被作为一个等值面外圈全部；
如果有交点p0，则以该交点开始找出裁剪边界线条上的下一个交点p1，将这一段裁剪边界上的线段C1拼接到外圈等值线上，再找到以p1为顶点的等值线L2，如果L2和L1是同一根线则终止，否则将其拼接到外圈上，从L2的尾端点p2，即L2和边界的交点找到边界上下一个交点p3，由此获得边界上的另一段线条C2，也加入到外圈当中，进一步地找到以p3为起点等值线L3，判断其是否和L0一致，如果一致则终止，否则继续重复上面的步骤搜索和拼接，所有被拼接步骤用到的等值线都标记为已采用。
步骤S522：考虑到拼接完成的等值面有可能为环状等值面，需进一步判断S521中获取到的外圈是否还存在有内圈(外圈、内圈相当于环状面的外径、内径)，对于从步骤S521中获得的外圈，从未被采用过的等值线中找到其内圈，一个等值线是其内圈的条件包括以下情况：
A，该等值线为闭合线；
B，该等值线被外圈包围；
C，该等值线不被其它被外圈内部的等值线围住。
本发明支持复杂拓扑结构的等值面生成，当裁剪区域是多个联通区域或者存在镂空区域的情况下，仍然能够快速正确的生成等值面。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于气象要素的等值面构建方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1，散点数据的空间插值：将包含经度、纬度、要素值的散点数据插值到规则网格中形成网格数据；
步骤S2，建立等级列表：将输入的等级参数进行预处理，建立列表形式的等级列表；
步骤S3，等值线的绘制，具体包括以下步骤：
步骤S31：依据等级列表，选取某个具体等级K，从网格中的西南角先向北再向东逐个网格点搜索，当找到一个网格点的取值g(X)大于g(K)，而相邻网格点的取值g(X)小于g(K)时，通过线性插值确定在两个网格点连线的中间某个位置作为等值线K的起始点P0；
步骤S32：确定包含P0点的由四个网格点及其连线组成的四边形，在该四边形中除去P0所在的边的另外3条边中，找到下一个取值等于g(K)的点，记为P1；
步骤S33：以同样的方式根据P1找到下一个点P2，并重复循环，直到最新找到的点Pn在网格的边界，或者又回到了P0位置则停止，所有过程中获得的点的列表记录为一条等值线K0；
步骤S34：继续向未搜索过的网格区域查找等级为g(K)且没有被前面的步骤扫描到的等值线，重复步骤S31～S33的方法，找出等级值为g(K)的其它所有线条；
步骤S35：改变等级K，循环步骤S31～S34，搜索出所有等级对应的线条；
步骤S4，等值线的裁剪：根据裁剪区域信息裁剪出区域内等值线；
步骤S5，等值面的拼接：具体包括以下步骤：
步骤S51：将等值线结果复制一份后倒转线条的描点顺序，由此获得一正一反两套等值线；
步骤S52：获取1个等值面的外圈。
2.根据权利要求1所述的基于气象要素的等值面构建方法，其特征在于：所述步骤S1的插值方法包括以下步骤：
步骤S11：对于网格中的第i，j个网格点G(i，j)，找出和它距离小于200Km的站点；
步骤S12：对步骤S11中找出的站点中挑选最近的10个，如果不足10个则全部保留；
步骤S13：对于步骤S12中的站点采用反距离权重平均值法，作为网格点G(i，j)上的取值g(X)；
步骤S14：重复步骤S11～步骤S14获得所有网格点的取值。
3.根据权利要求1所述的基于气象要素的等值面构建方法，其特征在于：所述步骤S2的预处理方法包括以下步骤：
步骤S21：将输入为列表形式或等间距形式的参数同一处理成列表形式；
步骤S22：将预处理成列表的等级参数与插值后的网格数据进行对比，如果等级列表的起止值不能覆盖网格数据的取值范围，则在等级列表的头增加一个更大的等级参数，或在等级列表的尾增加一个更小的等级参数，确保新的等级列表的起止值覆盖网格数据的取值范围。
4.根据权利要求1所述的基于气象要素的等值面构建方法，其特征在于：所述步骤S4中，等值线裁剪包括以下步骤：
步骤S41：选取1根等值线，计算它和所有裁剪区域边界线之间的所有交点；
步骤S42：根据步骤S41的交点，将等值线裁剪成多段，如果没有交点就相当于裁剪成了1段；
步骤S43：取步骤S42中1段等值线，判断它的中间点是否位于裁剪区域内，如果是则保留，如果否则删除，循环判断每段等值线，获得所有保留的线段；
步骤S44：对其它等值线同样采用步骤S41～S43的方法，判断出所有在裁剪区域内的线段。
5.根据权利要求1所述的基于气象要素的等值面构建方法，其特征在于：所述步骤S52中，获取等值面外圈包括以下步骤：
步骤S521：从裁剪后的等值线中选取1根等值线L1，将其添加为一个等值线的外圈，包括以下情况：
如果它和边界没有交点，则它将被作为一个等值面外圈全部；
如果有交点p0，则以该交点开始找出裁剪边界线条上的下一个交点p1，将这一段裁剪边界上的线段C1拼接到外圈等值线上，再找到以p1为顶点的等值线L2，如果L2和L1是同一根线则终止，否则将其拼接到外圈上，从L2的尾端点p2，即L2和边界的交点找到边界上下一个交点p3，由此获得边界上的另一段线条C2，也加入到外圈当中，进一步地找到以p3为起点等值线L3，判断其是否和L0一致，如果一致则终止，否则继续重复上面的步骤搜索和拼接，所有被拼接步骤用到的等值线都标记为已采用。
步骤S522：考虑到拼接完成的等值面有可能为环状等值面，需进一步判断S521中获取到的外圈是否还存在有内圈，对于从步骤S521中获得的外圈，从未被采用过的等值线中找到其内圈，一个等值线是其内圈的条件包括以下情况：
A，该等值线为闭合线；
B，该等值线被外圈包围；
C，该等值线不被其它被外圈内部的等值线围住。
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