一种雷暴预报方法和闪电定位方法技术

本发明专利技术公开了一种雷暴预报方法和闪电定位方法，属于雷电临近预警技术领域；雷暴预报方法包括，对多个站点测量得到的电场强度数据进行预处理；利用闪电定位数据对多个站点测量的电场强度数据进行雷暴样本和非雷暴样本的标签标记，得到天气样本数据库；将多个站点测量的电场强度数据转化为图片；利用天气样本数据库训练改进ResNet50网络；其中，改进ResNet50网络中残差块主干分支的下采样环节下移，捷径分支处设置有最大池化层；将待测区域内多个站点的电场强度数据转化为图片后，输入训练好的改进ResNet50网络模型，得到雷暴天气或非雷暴天气的预测结果。本发明专利技术所涉及方法对雷暴预报具有可行性和有效性，预测结果与实际情况一致性较好。际情况一致性较好。际情况一致性较好。

【技术实现步骤摘要】
一种雷暴预报方法和闪电定位方法


[0001]本专利技术属于雷电临近预警
，更具体地，涉及一种雷暴预报方法和闪电定位方法。

技术介绍

[0002]闪电是一种发生在自然界中的一种极端的恶劣天气现象，并同时伴有声、光的出现。在雷暴发展的过程中，云层中的水汽和各种粒子不断摩擦起电，致使其电荷不断聚集，当某处电场强度超过了空气击穿的阈值，就会发生云层与云层之间(云间闪)和云层与地面之间的放电现象(云地闪)。由于其放电电压高、电流幅值大，同时伴随着剧变的电磁场和炽热的温度，对电力设备、通讯设施、高层建筑及林业防护等领域都具有极大的威胁。因此有必要对雷电活动规律进行深入了解，充分把握雷电活动的发展规律，有效提高雷电防护水平。
[0003]目前常规的探测雷电的设备主要有大气电场仪、天气雷达和闪电定位仪。由于大气电场仪价格低廉，安装方便，作为能够反映雷暴发生最根本原因的物理量的探测设备，受到广大气象工作者的喜爱。若能及时记录并分析测量电场数据的异常，构建电场时序数据与雷暴发生之间的联系，便可以据此对雷电进行预警，进而采取相关措施减小或消除雷电带来的财产安全损失。
[0004]现有的基于大气电场进行雷电预警的方法大多是基于电场的表层特征，例如设置电场强度阈值、电场强度差分阈值以及其分析其快变抖动特征，这些方法大多存在适用性不强，预警准确率不高的问题。在实际应用中，电场测量值不仅仅受到雷暴云团形成的影响，还与周边电磁环境的变化息息相关，给雷电预警带来了一定的挑战性。同时，大部分研究仅仅依靠单个站点的测量数据，但是观测范围有限、容易出现误判的情形。如何利用多个站点进行联合预测，针对数据特点基于一定的理论建立相应的模型，找到其与闪电发生之间的内在联系，对于提高雷电预警能力，降低雷电造成的财产安全损失具有重要意义。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种雷暴预报方法和闪电定位方法，其目的在于提高雷电预警能力。
[0006]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种雷暴预报方法，包括：
[0007]S1.对多个站点测量得到的电场强度数据进行预处理；
[0008]S2.利用闪电定位数据对多个站点测量的电场强度数据进行雷暴样本和非雷暴样本的标签标记，得到天气样本数据库；
[0009]S3.将多个站点测量的电场强度数据转化为图片；
[0010]S4.利用天气样本数据库训练改进ResNet50网络；其中，改进ResNet50网络中残差块主干分支的下采样环节下移，捷径分支处设置有最大池化层；
[0011]S5.将待测区域内多个站点的电场强度数据转化为图片后，输入训练好的改进
ResNet50网络模型，得到雷暴天气或非雷暴天气的预测结果。
[0012]优选地，步骤S1具体包括，采用拉格朗日方法填补缺失值，以及删除重复值。
[0013]优选地，步骤S2包括，
[0014]01.确定待测区域，并拟定各个电场测量站点经纬度，尽可能的将多个电场测量站点均匀地布置于待测区域内；闪电定位仪的探测范围应覆盖待测区域，筛选获取待测区域内的闪电定位数据；
[0015]02.对闪电定位数据进行聚类，根据聚类结果划分雷暴天气样本和非雷暴天气样本：
[0016]若在设定时间间隔内探测到闪电发生，则取出过去一小时的电场测量数据，归为雷暴天气样本；若随机取出一小时的电场测量数据，在其前后半小时均未探测到闪电的发生，则归为非雷暴天气。
[0017]优选地，步骤S3包括，
[0018]对电场强度数据进行归一化处理；
[0019]利用公式C＝E
s
×
255将归一化后的电场值E
s
映射到(0
‑
255)区间，得到灰度图，C表示像素值。
[0020]优选地，主干分支的下采样环节下移到3
×
3的卷积核处。
[0021]优选地，在捷径分支处设置有2
×
2的最大池化层。
[0022]按照本专利技术的另一方面提供了一种基于上述雷暴预报方法的闪电定位方法，包括：
[0023]在ResNet50网络模型判断出未来会发生闪电时，利用多层感知机网络对闪电发生的位置进行预测；所述多层感知机网络包括多组依次连接的Dense层和Dropout层，最后以全连接层作为输出；Dense层用于提取特征之间的关联，同时压缩特征的维度；Dropout层用于丢弃部分神经元的值，防止网络发生过拟合。
[0024]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果。
[0025]1.现有技术手段对电场数据特征的挖掘不够充分，无法很好的利用多个站点进行联合预测，存在误报和虚报等问题，本专利技术利用改进ResNet50网络对其进行识别与分类。具体地，对网络中的残差块结构进行了改进，使其适用于雷电预警领域电场数据处理与识别。同时，借助于迁移学习的优势，能够在数据量有限的情况下，在一个预训练好的模型上快速得到理想的结果。本专利技术所涉及方法对雷暴预报具有可行性和有效性，预测结果与实际情况一致性较好。
[0026]2.本专利技术根据电场测量数据和闪电定位数据构建了天气样本数据库，为多站点联合预测提供了一种解决方案。特别地，定义了一种雷暴天气和非雷暴天气的确定方式，为基于大气电场仪和闪电定位仪研究雷暴灾害提供了一种新思路。
[0027]3.本专利技术构建了一个多层感知机网络模型，在改进Resnet50网络判断出接下来会发生闪电时，对闪电发生的大致区域进行预测。实验结果表明，定位误差在可接受的范围之内，后续可采取主动防雷措施(如阻断雷电流通道、人工引雷等)，进一步减少雷电造成的财产损失和人员伤亡。
附图说明
[0028]图1是广州市电场仪分布及其测量范围；
[0029]图2是2021全年闪电定位数据；
[0030]图3是闪电按照十分钟聚类结果；
[0031]图4是构建天气样本数据库；
[0032]图5是电场时序数据可视化样例；
[0033]图6是ResNet50基本网络结构；
[0034]图7是改进的残差块结构；
[0035]图8是最大池化操作；
[0036]图9是训练集和验证集训练过程中准确率和损失函数变化；
[0037]图10是多层感知机的基本结构；
[0038]图11是本专利技术所设计的多层感知机网络；
[0039]图12是模型训练过程中MAE和MSE变化；
[0040]图13是闪电空间定位结果。
具体实施方式
[0041]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种雷暴预报方法，其特征在于，包括：S1.对多个站点测量得到的电场强度数据进行预处理；S2.利用闪电定位数据对多个站点测量的电场强度数据进行雷暴样本和非雷暴样本的标签标记，得到天气样本数据库；S3.将多个站点测量的电场强度数据转化为图片；S4.利用天气样本数据库训练改进ResNet50网络；其中，改进ResNet50网络中残差块主干分支的下采样环节下移，捷径分支处设置有最大池化层；S5.将待测区域内多个站点的电场强度数据转化为图片后，输入训练好的改进ResNet50网络模型，得到雷暴天气或非雷暴天气的预测结果。2.根据权利要求1所述的一种雷暴预报方法，其特征在于，步骤S1具体包括，采用拉格朗日插值法填补缺失值，以及删除重复值。3.根据权利要求2所述的一种雷暴预报方法，其特征在于，步骤S2包括，01.确定待测区域，并拟定各个电场测量站点经纬度，尽可能的将多个电场测量站点均匀地布置于待测区域内；闪电定位仪的探测范围应覆盖待测区域，筛选获取待测区域内的闪电定位数据；02.对闪电定位数据进行聚类，根据聚类结果划分雷暴天气样本和非雷暴天气样本：若在设定时间间隔内探测到闪电发生，则取出过去一小时的电场测量数据，归为雷暴天气样本；若随机取出一小时的电场测量数据，在其前后半小时均未探测到闪电的发生，则归为非雷暴天气。4.根据权利要求3所述的一种雷暴预报方法，其特征在于，步骤S3包括，对电场强度数据进行归一化处理；利用公式C＝E
s
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【专利技术属性】
技术研发人员：何正浩，鲍日洋，章卓雨，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：