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摘要气象传真图广泛用于天气分析和预报，为海洋事业的不断发展做出了重要贡献。随着信息时代到来，对气象传真图进行数字化处理，对于气象传真图的广泛运用和海洋事业的发展刻不容缓。 本文利用数字图像处理相关技术，对数字化的气象传真图的信息提取和处理进行了一些理论学习和实践研究。主要完成了以下工作：首先介绍了气象传真图的解读和信息预处理，包括图像的二值化、图像降噪和倾斜校正等图像前期处理；接着利用形态学的细化和腐蚀等原理，将图像中的等值线进行提取并细化，并且将断裂处进行修复；最后利用Delaunay三角网的原理，实现了等值线插值技术。27300
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毕业论文关键词 气象传真图 数字图像 形态学 Delaunay 三角网 等值线 插值
Title Information Extraction of Meteorological Facsimile Map and Implementation of Contour Interpolation
Abstract Meteorological facsimile maps are applied broadly in whether analysis and broadcast, which plays a significant role in the development of marine cause. As the Information age comes, it is imperative to process the meteorological facsimile maps using digital image processing technology for the development of marine cause. In this paper, we did some theoretical study and practical research about information extraction and processing of digitalized whether fax maps. Some main tasks are completed: First, the recognition and pretreatments of whether fax maps, which includes binarization, denoising, and tilt correction of whether fax maps; Second, extraction and refine of the contour lines using erosion and refining based on morphology and repair of the broken contour lines; Finally, the implementation of contour lines interpolation using Delaunay triangulations. Keywords meteorological facsimile map, digital image, Morphology, Delaunay triangulation, contour lines, interpolation
目 次
1 绪论 1
1.1 气象传真图的研究背景以及意义 1
1.2 国内外的研究状况 2
1.3 本文的主要内容和章节安排 3
2 气象传真图的预处理 4
2.1 气象传真图的解读 4
2.1.1 地面分析图 4
2.1.2 高空天气图 5
2.2 气象传真图的二值化 6
2.3 气象传真图的倾斜校正 7
2.3.1 Hough变换的原理 7
2.3.1 Hough 变换实现图像的倾斜校正 9
2.4 气象传真图的降噪 10
2.5 本章小结13
3 气象传真图的等值线提取14
3.1 数学形态学的基本概念14
3.2 等值线的提取与细化14
3.2.1 数学图像的腐蚀14
3.2.2 击中与击不中变换15
3.2.3 等值线的细化16
3.3 等值线的断线连接19
3.3.1 断线连接的方式19
3.3.2 本文采用的断线连接方式20
3.4 本章小结22
4 Delaunay 三角网的等值线插值法23
4.1 Delaunay 三角网的性质23
4.2 Delaunay 三角网的构成23
4.3 LOP 优化算法25
4.4 等值线的插值26
4.5 等值线的平滑27
4.6 本章小结28
结论 29
致谢 30
参考文献31
1 绪论 1.1 气象传真图的研究背景以及意义 气象传真图属于天气图的一种类型，广泛用于天气分析和预报，为海洋事业的不断发展做出了重要贡献。然而，传统的气象传真图仍然存在很多缺陷，例如传统的气象传真图在没有现代技术支持的情况下，都是利用传真机接受和打印气象传真图，该类气象传真图在传输时十分易受接受设备和环境的影响和干扰，信息的提取仍然主要依靠相关人员的专业水平，在存储方面也存在很多不便。目前传统的气象传真图在以下方面受到了极大的挑战： （1）传统的气象传真图的打印，利用的是落后的热敏打印技术。 纸质图像本身容易损坏、变形、老化，哪怕受到一点的噪声干扰，就十分不利于进一步的处理。 （2）我国幅员辽阔、地大物博，无论是陆地面积还是领海面积，都远远超过其他国家。相对来讲也有更加多的地理信息。因此传统的气象传真图不利于对实时更新的信息进行处理与应用，无法及时满足人们对气象信息的需求。 （3）船舶在海航时易受到各类人为或者非人为的干扰因素，或者对传真图的信息提取，大大依赖于阅读者的专业水平，易导致最终的提取效果层次不齐。 （4）气象传真图的数字化已是一个不可逆的趋势，随着计算机技术的快速发展和广泛应用，传统纸质的气象传真图也已经不能满足时代的需要，在一定意义上将制约了海洋事业的发展。 以上缺点大大降低了气象传真图的使用效率。因此将气象传真图数字化，并且运用相关技术对气象传真图进行相关处理以克服上述缺点，对于气象传真图的广泛运用和海洋事业的发展刻不容缓。 世界各个国家，尤其是临海国家，对气象传真图都具有比较强的依赖性，也会相对投入相对较多的精力来提升气象传真图的信息提取技术。气象传真图近些年的快速发展，是可以预见的。气象传真图的预报范围很广，基本可以囊括世界上所有的海洋区域。世界气象组织（World Meteorological Organization，WMO）将全世界的气象传真广播台氛围优尔大区域，他们分别是：南美洲、北美洲、亚洲、欧洲、非洲和西南太平洋。与此同时，全世界的气象传真广播电台已经超过了四十余个。而我国幅员辽阔，地理信息复杂而又丰富，对气象传真图的利用和依赖也就更加广泛。我国目前气象传真图的主要来源主要是中国北京、日本东京和欧洲气象传真中心。 目前，我国每天都会接收到来自日本、德国等地的气象传真图二百余张。因此，目前我国的气象领域的技术亟待更新与进步。 1.2 国内外的研究状况 无论是国内还是国外，都对各类气象传真图的处理软件和硬件的开发付出了不少努力和研究。最初的纸质版气象传真图的矢量化研究可以追溯到上个世纪 60年代，但是由于技术水平和硬件设备条件有限，该项进程十分缓慢。直至 20余年之后，才陆续出现了一些较为完善、可以使用的针对气象传真图的处理软件。其中比较知名的有，德国 MBB 公司和挪威某公司共同研究开发的 Sysscan 软件，还有美国某公司研发的 Anatech和Metagraphies 系统等等。除此之外，还有一些针对气象传真图的矢量化的软件，例如 IDEAL的 I/Vector4.0 可以自动完成某些气象传真图的矢量化过程。 随着科技的进步和国际社会的不断研究，越来越多的商业化处理软件涌现在人们的视野中，例如日本古野公司开发了一款气象传真图的处理软件，可以顺利地完成部分气象传真图的缩放、去噪、旋转和彩色处理的功能。另外比较知名的还有挪威Rasterex公司的RxAutoImage pro 2000，德国Softelec公司的 VPStudio、VPRaster Pro，日本的TOSGRAPH 系统，美国的SK1010、AUDRE 等等。这些软件和系统，都是近些年国际上涌现出的比较成熟的商业化气象传真图的处理软件。但是这些软件仍然不是最完美的，他们所针对的是专业的图纸或者地图，处理的精度也并不是特别高，速度也并不能满足人们的需求。 我国作为海洋大国，对气象传真图的研究需求大但是起步较晚，该项研究还处于起步阶段，和发达国家之间还存在一定差距。但是近几年的发展也极为迅速。如：中国海洋大学研究所、清华大学、华中科技大学、上海交通大学、青岛海洋学院等高校和研究所的相关科研人员也在致力于相关技术研究和软件开发。 “气象传真图的计算机接受识别系统”是我国近年自主开发的气象传真图的处理软件，由国家第一海洋局联合青岛远洋船员学院共同开发。主要功能包括了坐标变换和元素识别，在国内该领域取得了突破性进展，不过仍然有一些缺点有待克服。在气象传真图的去噪处理技术中， 《中值滤波在气象传真图中的降噪的分析》一文中，柴宝仁结合气象传真图中常遇到大量椒盐噪声这一特性，研究提出了一种中值滤波的方法对图像进行降噪处理的方法，效果明显；《基于线性灰度变换的无线气象传真图降噪方法》一文中，刘惠敏所提出的利用线性灰度变换的方法对图像进行去噪的同时，还能对图像进行信息增强，此方法一举两得。在气象传真图的信息提取技术中， 《气象传真图信息提取方法研究》一文中，李存东等中提出了基于多区域特征点（块）配对的交叉线提取的方法以及基于向量积的等位势涡度线（虚线）的识别方法；在《气象传真图与电子海图叠加技术的研究》一文中，孙铭雪通过对气象传真图进行数字化识别、信息提取等步骤，将气象传真图与电子海图的矢量图进行叠加显示，为航海员提供了一种新型的气象状况查询方法。 1.3 本文的主要内容和章节安排 通过查阅参考大联欢的国内外参考文献，学习总结前辈的理论和方法，本文主要对气象传真图的信息提取，尤其是对等值线的提取方法进行了阐述，并且利用 Delaunay三角网格法对等值线进行插值的算法进行了研究。因此本文分为四个章节，具体安排如下： 第一章：主要介绍了气象传真图对的研究意义、应用背景和国内外研究发展现状，并且给出了本文的主要章节的内容安排。 第二章：主要包括了气象传真图的预处理和信息提取工作，主要介绍了一些基本概念和定义，包括了图像二值化、倾斜矫正、图像降噪等过程。 第三章：主要对气象传真图的矢量化和等值线的处理过程进行了阐述，主要包括图像的腐蚀和等值线短线修复等内容。 第四章：主要介绍了Delaunay三角网格法的定义和原理，并对给定的气象传真图进行三角网格的生成，并随后利用 Delaunay三角网格法进行等值线插值。
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