衛(wèi)星風矢場的計算方法

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1、基于衛(wèi)星云圖的風矢場（云導風）度量模型與算法探討衛(wèi)星云圖在掌握大氣環(huán)流、中長期天氣預報以及災害性天氣學的研究中有重要作用。它由地球同步衛(wèi)星上的紅外探測儀探測地球上空的溫度數(shù)據(jù)再轉(zhuǎn)換成灰度數(shù)據(jù)制作而成。附件中定標數(shù)據(jù)文件k_temp.txt給出了灰度數(shù)據(jù)與溫度數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換關系，k_temp.txt內(nèi)有1024個實型數(shù)，依次是圖象灰度數(shù)據(jù)為0到1023所對應的K氏溫度值，灰度值為-1時對應的是地球以外的探測點。[注：地球是被探測溫度的唯一來源，如果天空無云，探測到的溫度可以看成是地球表面的溫度；在有云層的地方，探測到的溫度相對

2、較低，且云層越高越厚溫度就越低，探測到的溫度可看成云層所在區(qū)域的溫度]。紅外探測儀掃描采樣時，按步進角(南北方向)和行掃描角（東西方向）均為140微?。?弧度＝1000000微?。┎蓸?。在衛(wèi)星與地球中心的連線和地球表面的交點（稱為星下點）處的分辨率大約是5公里。本題提供的衛(wèi)星探測數(shù)據(jù)文件都是2288×2288的灰度值矩陣，矩陣的每個元素都對應地球上或地球外的一個探測點（或稱采樣點）。同步衛(wèi)星離地球中心的高度為42164000米,星下點在東經(jīng)86.5度,北緯0度，星下點對應的矩陣元素位于矩陣的第1145行和第1145列相交

3、處。為解答本題，首先要確定灰度矩陣中每個元素對應的采樣點在地球上的經(jīng)緯度。地球可視為理想橢球，這個理想橢球可以由地球的一個經(jīng)過南北極的橢圓截面繞南北極的連線旋轉(zhuǎn)而得到，橢圓截面的長半軸（赤道半徑）=6378136.5m,短半軸（極半徑）=6356751.8m；據(jù)此就可以將灰度矩陣中非負元素的行列號按上北下南、左西右東的地圖規(guī)則換算成地球上經(jīng)緯度坐標，此結(jié)果既可用于估算各探測點之間的距離，還可用于在云圖上依據(jù)海岸線經(jīng)緯度坐標標出海岸線以方便看圖。觀測大氣環(huán)流情況的一個方法是在衛(wèi)星云圖上標出風矢。風矢的大小和方向由云塊移動的

4、速度決定。風矢與風的速度有所不同，如某個臺風中一些區(qū)域的風速可達每秒五、六十米，而臺風（看作云塊）中心的移動速度可能僅每小時十多公里。沒有云或云塊不穩(wěn)定處的風矢規(guī)定為零風矢，這種用云塊的移動所定義的風矢被稱為云跡風。氣象部門已經(jīng)有一些方法根據(jù)變化的衛(wèi)星云圖計算云跡風，這類方法稱為云導風方法。計算云跡風時通常將云塊大小限定為16×16個像素，搜索范圍限定為64×64個像素。本題的主要目的是希望大家充分利用衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)及其特點建立盡可能準確地描述實際風矢場的度量模型和算法。題目提供了我國風云2號衛(wèi)星獲得的三個灰度矩陣，IR1

5、_2030.mat,IR1_2100.mat,IR1_2130.mat，分別表示某天的20:30,21:00,21:30時刻紅外探測儀探測到的地球上空的溫度數(shù)據(jù)對應的灰度值。又給出了海岸線經(jīng)緯度坐標數(shù)據(jù)文件coastline0.txt，文件的第1列為經(jīng)度(東經(jīng)),第2列是緯度(北緯),每一行2個數(shù)據(jù)對應海岸線上一點，而特大數(shù)據(jù)（99999.99，99999.99）表示前一曲線已結(jié)束，將要開始下一曲線。具體要求解決如下問題：1.換算視場坐標。給出灰度矩陣元素行列號對應于經(jīng)緯度坐標的換算公式，建立矩陣形式的經(jīng)緯度坐標文本文件

6、，這里矩陣的第i行與第j列，分別對應灰度矩陣的450+i行與450+j列，矩陣元素是（經(jīng)度，緯度）這種形式的二維數(shù)組，給出結(jié)果的范圍為：灰度矩陣中的第451行至550行，第451列至550列，文本文件取名為jwd.txt；而在論文中給出第500行和第500、501、502列三個交叉點處對應的經(jīng)緯度。進而將衛(wèi)星灰度矩陣IR1_2100.mat轉(zhuǎn)化為衛(wèi)星云圖（參考附錄中的衛(wèi)星云圖），并在這個衛(wèi)星云圖上添加海岸線。保存衛(wèi)星云圖為PDF或JPEG文件，取名為spic.pdf或spic.jpg。2.根據(jù)三個相鄰時刻的衛(wèi)星數(shù)據(jù)（IR

7、1_2030.mat,IR1_2100.mat,IR1_2130.mat），用適當?shù)姆椒ń?1：00時刻風矢場的度量模型，給出計算方案，這里限定風矢計算中像素塊匹配所選用的窗口大小為16×16個像素，搜索范圍限定為64×64個像素。利用你們的方法計算21：00時刻在各個（整數(shù)）經(jīng)緯度處的二維風矢。確定一個二維風矢需要4個指標：起始點的緯度、經(jīng)度，風矢的方向（單位：從正北方順時針方向量得的角度）和大?。▎挝唬好?秒）。計算范圍為：南緯40度至北緯40度，東經(jīng)46度至126度。在論文中給出上面計算結(jié)果中全部非零風矢的個數(shù)，

8、并給出在緯度26度，經(jīng)度分別是52，53，54，57，58（度）處的風矢，這些風矢的表示形式可參照下面問題4中對winsh.txt要求的格式。給出你們對上述窗口大小和搜索范圍的限定的理解或評價。3.為了提高像素塊匹配質(zhì)量，取消問題2中窗口大小和搜索范圍的限定，利用圖像特征匹配等思想，設計能自適應地確定窗口大小和搜索范