基于立方体网格插值算法的气象雷达数据的三维重建

在气象领域中，气象目标在整个探测范围内具有数目多、区域散、面积小、形状不规则等特征，使用常规插值算法重构的三维云层图易造成图像信息准确性不高，离散或体积较小的目标信息丢失等问题，使得重建的三维图像常常不能满足实时业务的需求。本文根据雷达实际观测数据，提出并实现了一种立方体网格插值算法，将不规则的雷达锥面数据映射到规则的三维数据场中，并结合Marching Cubes算法对气象雷达数据进行三维重建实验。实验结果表明，使用本文提出的算法得到的三维重建云层图能较为准确地反映出气象目标的基本特征及其空间分布，满足气象业务需要，为气象目标实时跟踪和准确预报提供了参考依据。

在气象领域，常用多普勒气象雷达来探测降水的各项指标。气象雷达采集的数据为雷达回波的强度值，它在气象领域是一种常规的观测数据。气象雷达数据的三维成像是以气象雷达观测的回波强度数据为基础的三维重建，重建结果能使某一时刻气象目标的分布和形态变得形象直观，使气象工作者能深入理解和分析气象雷达数据，从而提升对复杂气象状况的预测能力。

三维成像在医学图像处理、计算机视觉等方面有着较为广泛和成熟的应用，但在气象领域，大多数研究都是集中在利用真实感技术对云层进行模拟绘制方面，而利用雷达数据进行云层重建的工作不多， 主要原因是由于气象目标在整个探测范围内具有目标多、区域散、面积小、形状不规则等特征，造成重建图像准确性不高，容易使离散的、体积较小的目标信息丢失，或因人为增加数据点而导致计算量偏大等问题，所以我国大多数气象雷达回波产品都以二维形式展示。

近年来，国内外学者对气象雷达数据的三维重建都进行了较为深入的研究。就国外来说，Ernvik [1]在其发表的文章中探讨了天气雷达利用三维可视化方法进行云层成像的初步研究结果。

Ru [2]对气象数据做了拼接处理后再对云层实现立体可视化。Denham [3]使用了一种显卡并行处理技术对气象雷达数据进行处理，并对该方法其进行了优化，进一步提高了对气象雷达数据的处理速度。在国内，王轩[4]针对气象雷达基数据的空间特征， 划分其为雷达投影面空间和雷达立体空间， 对这两种雷达空间构建点阵模型， 为气象雷达信息的多维表达和分析算法提供了模型支撑。刘岩[5]结合天气雷达数据三维空间定位公式与任意基线雷达反射率因子垂直剖面算法，提出了一种三维可视化的改进算法，并在此基础上研发了天气雷达数据三维显示系统。路明月[6]提出了一种新的面向web 三维应用的气象雷达矢量剖面生成方法，使得对气象雷达矢量剖面的分析更加精确有效。

本文在前人研究的基础上，考虑气象雷达的探测角度一般在0.5˚至19.5˚之间，其观测数据分布不均