CN102565554A - 一种生成三维雷电定位地闪点分布图的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生成三维雷电定位地闪点分布图的方法，该方法首先利用现有的二维雷电定位地闪点分布图和海拔高程地图，通过栅格转换，生成新的三维雷电定位地闪点分布图的地理基层和雷电地闪点基层，然后统一地理基层和雷电地闪点基层的坐标系，最后对地理基层和雷电地闪点基层实施投影叠置分析，把地理基层对应位置的海拔高程数据传递给雷击地闪点，生成三维雷电定位地闪点分布图。该方法改进了现有传统二维雷电定位地闪点分布图的不足，使雷击地闪点获取了三维海拔属性，为进一步分析雷电活动规律和改进雷电参数算法打下了基础。

Description

一种生成三维雷电定位地闪点分布图的方法

技术领域

本发明属于防雷工程技术领域，具体地说涉及一种获得三维雷电定位地闪点分布图的方法。

背景技术    

    雷电定位技术是目前电力系统研究雷云对地放电,确定雷击地闪点分布的主流方法,该定位技术是采用雷电电磁场遥测技术实现对雷击故障点的定位和雷电流计算,记录并实时显示探测区域发生的地闪雷电的时间、位置、强度等参数,生成雷电定位地闪点分布图，对电力系统输电线路防雷保护设计及雷击线路跳闸后的现场巡查工作都很有帮助，但它也存在以下不足：现有的雷电定位系统是基于二维地理信息系统，反映的是雷击地闪点在平面维度上的信息，得到的雷电定位地闪点分布图是二维的，随之带来以下问题：（1）无法获得雷击地闪点与三维海拔高程之间的关系，从而无法研究雷电流参数随海拔变化的规律；（2）在计算地面落雷密度参数信息时，由于所用的是二维地图，计算用公式中的面积是实际地表面积在水平方向上的投影，导致计算出来的结果偏大，无法真实反映地面落雷密度参数。

综上所述，传统的雷电定位地闪点分布图不能满足精确计算雷电流参数和研究海拔因素对雷电规律影响的需求。在雷电定位领域，亟需一种可以统计三维地理信息下的雷电活动规律的方法。

发明内容

本发明的目的是针对传统雷电定位地闪点分布图只能实现雷击地闪点在二维地图的显示，无法反映雷击地闪点分布与三维海拔之间的关系，在山区等复杂地理环境下对输电线路防雷措施的指导意义受限的现状，通过对现有雷电定位系统获取的雷电地闪定位数据和反映三维地图的海拔高程数据的叠置加工，提出了一种生成三维雷电定位地闪点分布图的方法，以弥补传统二维雷电定位地闪点分布图的不足。 

本发明的目的通过如下技术方案实现。

一种生成三维雷电定位地闪点分布图的方法，包括下列步骤：

步骤1：将现有的二维雷电定位地闪点分布图和海拔高程地图，通过栅格转换，生成新的三维雷电定位地闪点分布图的地理基层和雷电地闪点基层；

步骤2：统一地理基层和雷电地闪点基层的坐标系；

步骤3：对地理基层和雷电地闪点基层实施投影叠置分析，把地理基层对应位置的海拔高程数据传递给雷击地闪点，生成三维雷电定位地闪点分布图；

其中：

    步骤1中把地图中地理实体模拟图形转换成计算机能够处理的栅格数据的方法为，将地理图形空间划分成规则的小单元即像元，地理空间位置由所述像元的行列号表示，地图数据的分辨率由像元的大小表示，地理空间实体由若干像元隐含描述；点地理实体用一个栅格单元表示；线状地理实体则用沿线走向的一组相邻栅格单元表示，每个栅格单元最多只有两个相邻单元在线上；面或区域地理实体用记有区域属性的相邻栅格单元的集合表示，每个栅格单元可有多于两个的相邻单元同属一个区域；地理地图数据直接记录属性的指针或属性本身，而所在位置则根据行列号转换为相应的坐标给出；每个栅格存贮单元的行列位置可以方便地根据其在数据文件中的记录位置得到，且行列坐标可以转为其他坐标系下的坐标；

步骤2中把地理基层和雷电地闪点基层的坐标系统一的方法为：

，

，

，

式中，X、Y、Z是中国西安80或北京54坐标系的点坐标；X_w、Y_w、Z_w是WGS-84坐标系下的点坐标，ζ_x、ζ_y、ζ_z是坐标系之间的旋转参数；X₀、Y₀、Z₀是坐标系之间的平移参数；K是坐标系之间的尺度参数；其中七个转换参数可以通过地图区域的三个公共点求得；

    步骤3中把地理基层和雷电地闪点基层实施投影的方法为：采用正解变换的方法，即通过建立地理基层投影变换为雷电地闪点基层投影的解析关系式，由雷电地闪点基层投影的数字化坐标x、y变换到地理基层投影的直角坐标X、Y；且步骤3中把地理基层和雷电地闪点基层实施叠置分析的方法为：通过对投影地理区域多重属性的模拟，寻找和确定同时具有几种地理属性的位置，按照确定的地理坐标，对其进行逻辑交运算，即：

式中，x是雷击地闪点的地理坐标；A,B分别是地理基层和雷电地闪点基层，通过逻辑交运算，使雷击地闪点得到地理基层的海拔高程属性。 

本发明方法获得的三维雷电定位地闪图能包含传统雷电定位系统覆盖区域的雷电定位地闪点的三维地理坐标信息，具有以下特点和优点：

1、本发明提出的方法能够获取雷击地闪点的三维地理坐标信息，比传统雷电定位图多增加了地闪点的海拔信息；

2、本发明提出的方法能够运用于研究雷击地闪点随三维地理变化的规律；

3、本发明提出的方法有益于改善现有计算雷击地闪密度的算法，进一步精确雷击地闪密度的计算值。

4、本发明提出的方法算法简单可靠，可以快速准确地实现三维雷电地闪点分布图。

附图说明    

    图1是本发明方法的总体流程图；

    图2是本发明实施例地理图形转换成栅格数据示意图；其中图2（a）是图形模拟表示的地理对象，其中图2（b）是地理对象对应的栅格数据模型；

    图3是本发明实施例投影叠置分析示意图；

    图4是本发明实施例三维雷电定位地闪点分布示意图（图中黑点代表雷击地闪点）。

具体实施方式

下面通过云南某地的三维雷电定位地闪点分布图实施例，结合附图,对本发明的技术方案做进一步说明。

如图1所示，一种三维雷电定位分布图的生成方法，包括下列步骤：

步骤1：将现有的二维雷电定位地闪点分布图和海拔高程地图，通过栅格转换，生成新的三维雷电定位地闪点分布图的地理基层和雷电地闪点基层;

步骤2：统一地理基层和雷电地闪点基层的坐标系；

步骤3：对地理基层和雷电地闪点基层实施投影叠置分析，把地理基层对应位置的海拔高程数据传递给雷击地闪点，生成三维雷电定位地闪点分布图；

其中：

     步骤1中把地图中地理实体模拟图形转换成计算机能够处理的栅格数据的方法为，将地理图形空间划分成规则的小单元即像元，地理空间位置由所述像元的行列号表示，地图数据的分辨率由像元的大小表示，地理空间实体由若干像元隐含描述；点地理实体用一个栅格单元表示；线状地理实体则用沿线走向的一组相邻栅格单元表示，每个栅格单元最多只有两个相邻单元在线上；面或区域地理实体用记有区域属性的相邻栅格单元的集合表示，每个栅格单元可有多于两个的相邻单元同属一个区域；地理地图数据直接记录属性的指针或属性本身，而所在位置则根据行列号转换为相应的坐标给出；每个栅格存贮单元的行列位置可以方便地根据其在数据文件中的记录位置得到，且行列坐标可以转为其他坐标系下的坐标；

步骤2中把地理基层和雷电地闪点基层的坐标系统一的方法为：

式中，X、Y、Z是中国西安80或北京54坐标系的点坐标；X_w、Y_w、Z_w是WGS-84坐标系下的点坐标，ζ_x、ζ_y、ζ_z是坐标系之间的旋转参数；X₀、Y₀、Z₀是坐标系之间的平移参数；K是坐标系之间的尺度参数；其中七个转换参数可以通过地图区域的三个公共点求得；

    步骤3中把地理基层和雷电地闪点基层实施投影的方法为：采用正解变换的方法，即通过建立地理基层投影变换为雷电地闪点基层投影的解析关系式，由雷电地闪点基层投影的数字化坐标x、y变换到地理基层投影的直角坐标X、Y；且步骤3中把地理基层和雷电地闪点基层实施叠置分析的方法为：通过对投影地理区域多重属性的模拟，寻找和确定同时具有几种地理属性的位置，按照确定的地理坐标，对其进行逻辑交运算，即：

式中，x是雷击地闪点的地理坐标；A,B分别是地理基层和雷电地闪点基层。通过逻辑交运算，使雷击地闪点得到地理基层的海拔高程属性。

第一步：在目前正在使用的云南雷电定位系统数据库中提取云南某地的二维雷电定位地闪点分布图（20110701.shp）,在中国科学技术数据库中提取云南某地的三维海拔高程地图（ASTGTM_N25E103W_DEM_UTM.img），利用本发明实现方法中的步骤1，将上述两地图通过栅格变换的方法转化成计算机可以处理的栅格数据。如图2（a）中表示了一个代码为1的地理点实体，一条代码为2的地理线实体，一个代码为3的地理面实体，图2（b）中则表示代码分别为1、2、3的点、线、面地理实体对应的转换后的栅格数据模型。经过转换，可以生成新的云南某地的三维雷电定位地闪点分布图的地理基层和雷电地闪点基层。

第二步：使用本发明实现方法中的步骤2把云南某地的三维海拔高程地图的WGS84坐标系转换成云南某地的二维雷电定位地闪点分布图中国西安80坐标系，保证两幅图的坐标起点，旋转参数和坐标尺度保持一致，以保证下一步叠置分析的精确性。

第三步：把云南某地的二维雷电定位地闪点分布基层投影叠置到对应的三维海拔高程地图之上如图3所示，进行叠置分析，通过逻辑交计算，把雷击地闪点对应位置的海拔数据属性从云南某地的三维地理基层传递给点P，依次类推，用批处理的方法使云南某地的雷击地闪点P_i（i=1,2...n，n代表雷击地闪点总数）全部获取海拔数据属性，从而可以得到此云南某地的三维雷电定位地闪点分布图。如图4所示。

以上对本发明实施方式进行了详细的介绍，本文中应用了具体实施例对本发明进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的系统及方法。同时，对本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (1)

1. 一种生成三维雷电定位地闪点分布图的方法，其特征在于,所述方法包括下列步骤：

步骤1：将现有的二维雷电定位地闪点分布图和海拔高程地图，通过栅格转换，生成新的三维雷电定位地闪点分布图的地理基层和雷电地闪点基层；

步骤2：统一地理基层和雷电地闪点基层的坐标系；

步骤3：对地理基层和雷电地闪点基层实施投影叠置分析，把地理基层对应位置的海拔高程数据传递给雷击地闪点，生成三维雷电定位地闪点分布图；

其中：

    步骤1中把地图中地理实体模拟图形转换成计算机能够处理的栅格数据的方法为，将地理图形空间划分成规则的小单元即像元，地理空间位置由所述像元的行列号表示，地图数据的分辨率由像元的大小表示，地理空间实体由若干像元隐含描述；点地理实体用一个栅格单元表示；线状地理实体则用沿线走向的一组相邻栅格单元表示，每个栅格单元最多只有两个相邻单元在线上；面或区域地理实体用记有区域属性的相邻栅格单元的集合表示，每个栅格单元可有多于两个的相邻单元同属一个区域；地理地图数据直接记录属性的指针或属性本身，而所在位置则根据行列号转换为相应的坐标给出；每个栅格存贮单元的行列位置可以方便地根据其在数据文件中的记录位置得到，且行列坐标可以转为其他坐标系下的坐标；

步骤2中把地理基层和雷电地闪点基层的坐标系统一的方法为：

，

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式中，X、Y、Z是中国西安80或北京54坐标系的点坐标；X_w、Y_w、Z_w是WGS-84坐标系下的点坐标，ζ_x、ζ_y、ζ_z是坐标系之间的旋转参数；X₀、Y₀、Z₀是坐标系之间的平移参数；K是坐标系之间的尺度参数；其中七个转换参数可以通过地图区域的三个公共点求得；

    步骤3中把地理基层和雷电地闪点基层实施投影的方法为：采用正解变换的方法，即通过建立地理基层投影变换为雷电地闪点基层投影的解析关系式，由雷电地闪点基层投影的数字化坐标x、y变换到地理基层投影的直角坐标X、Y；且步骤3中把地理基层和雷电地闪点基层实施叠置分析的方法为：通过对投影地理区域多重属性的模拟，寻找和确定同时具有几种地理属性的位置，按照确定的地理坐标，对其进行逻辑交运算，即：

式中，x是雷击地闪点的地理坐标；A,B分别是地理基层和雷电地闪点基层，通过逻辑交运算，使雷击地闪点得到地理基层的海拔高程属性。

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