CN112904276B - 闪电辐射源连接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种闪电辐射源连接方法，包括：将所有辐射源三维定位数据划分到若干独立的闪电，每次闪电对应各自的辐射源三维定位数据；对每次闪电覆盖范围内的辐射源的三维位置进行聚类，得到聚类区域，计算聚类区域中的辐射源密度；根据辐射源密度，确定聚类区域对应的连接距离阈值；分析获得每次闪电包含的子放电过程类型，根据放电过程类型确定预设时间阈值；将距离在距离连接阈值内和时间差在预设时间阈值的辐射源连接，形成连好的片段；在形成的多个片段区域之间在固定的连接距离阈值内且距离最小的两个顶点相连。本发明实现了放电通道的连接和计算，并且采用聚类密度决定空间连接距离阈值，提高了不同探测能力下辐射源连接计算通道的稳定性。

Description

闪电辐射源连接方法
技术领域
本发明涉及计算机及气象分析技术领域，尤其涉及一种闪电辐射源连接方法。
背景技术
随着探测技术的发展，闪电定位能力也不断增强。最初的定位系统主要实现地闪回击的二维定位，最近十几年，全闪定位系统(包括地闪和云闪)正逐步业务化，当前绝大多数业务化的全闪定位能力还处于每次闪电十几到几十次放电事件的水平。但是，在科研领域，自2000年左右就出现了采用甚高频的更精细的定位技术，而在2010年之后，低频定位技术也能实现精细定位，两者均能提供通道刻画能力。虽然定位数据越来越精细，但是精细化定位数据的拓展应用能力却严重不足，仍停留在使用三维位置层面上。
为了解决具有通道级别定位数据的应用能力问题，需要对辐射源数据连接。传统给的固定距离阈值连接方式不适合具有明显探测效率差异的三维辐射源。而一次闪电放电过程常常在同一通道中反复发生，几何通道连接忽略了放电通道路径。因此，需要发明综合考虑实际探测效率和放电情况的辐射源连接方法。该项技术的实现，将能够大大提高对闪电化学效应(氮氧化物)、释放能量、转移电荷量反演能力，也有助于更深刻的揭示闪电放电和雷暴的关系。
发明内容
本发明提供一种闪电辐射源连接方法，用以解决现有技术中如何描述三维放电通道的问题。
本发明提供一种闪电辐射源连接方法，包括：
将所有辐射源三维定位数据划分到若干独立的闪电，每次闪电对应各自的辐射源三维定位数据，所述辐射源三维定位数据包括辐射源的时间和辐射源的三维位置；
对每次闪电覆盖范围内的辐射源的三维位置进行聚类，得到聚类区域，计算所述聚类区域中的辐射源密度；
根据所述辐射源密度，确定所述聚类区域对应的连接距离阈值；
分析获得每次闪电包含的子放电过程类型，根据所述放电过程类型确定预设时间阈值；
对每次闪电的所有辐射源，将距离在所述距离连接阈值内和时间差在所述预设时间阈值的辐射源连接，形成连好的片段；
将上面形成的多个片段区域连接，连接方式为多个片段区域之间在固定连接距离阈值内且距离最小的两个顶点相连，形成闪电放电连接通道。
根据本发明提供的一种闪电辐射源连接方法，所述根据所述辐射源密度，确定所述聚类区域对应的连接距离阈值，包括：
将所述辐射源密度在预设密度距离表中进行查找，得到对应的连接距离阈值，所述预设密度距离表中存储辐射源密度及对应的连接距离阈值。
根据本发明提供的一种闪电辐射源连接方法，所述计算所述聚类区域中的辐射源密度，包括：
将所述聚类区域中辐射源的个数除以所述聚类区域中的凸壳面积，得到辐射源面密度，所述辐射源面密度即为所述辐射源密度；
或，
将所述聚类区域中辐射源的个数除以所述聚类区域中的凸壳体积，得到辐射源体密度，所述辐射源体密度即为所述辐射源密度。
根据本发明提供的一种闪电辐射源连接方法，还包括：
在闪电辐射源连接图中确定主通道和分支；
根据所述主通道的长度和所述分支的长度，确定总放电通道的长度。
根据本发明提供的一种闪电辐射源连接方法，所述在闪电辐射源连接图中确定主通道和分支，包括：
将每个辐射源的三维位置均作为顶点，每条连接线作为边，边的集合作为闪电通道；
从所述顶点中筛选出节点，所述节点为边大于或等于3条的顶点，将每条闪电通道的最后一个顶点作为终点，最后一个顶点是只有单向连接的顶点；
若所述通道的终点与连接最近节点之间的通道距离大于预设距离阈值，则将所述通道作为所述主通道，若所述通道的终点与连接最近节点之间的通道距离小于预设距离阈值，则将所述通道作为所述分支。
根据本发明提供的一种闪电辐射源连接方法，所述预设距离阈值根据所述聚类密度确定。
根据本发明提供的一种闪电辐射源连接方法，所述预设时间阈值在1ms到20ms之间。
本发明还提供一种闪电辐射源连接装置，包括：
划分模块，用于将所有辐射源三维定位数据划分到若干独立的闪电，每次闪电对应的相应辐射源三维定位数据，所述三维定位数据包括辐射源的时间和辐射源的三维位置；
聚类模块，用于对每次闪电覆盖范围内的辐射源的三维位置进行聚类，得到聚类区域，计算所述聚类区域中的辐射源密度；
查找模块，用于根据所述辐射源密度，确定所述聚类区域对应的连接距离阈值；
分析模块，用于分析获得每次闪电包含的子放电过程类型，根据放电类型确定预设连接时间阈值；
片段内连接模块，用于对每次闪电的所有辐射源，将距离在所述距离连接阈值内和时间差在所述预设时间阈值的辐射源连接，形成连好的片段；
片段间连接模块，用于将上面形成的多个片段区域连接，连接方式为多个片段区域之间在固定连接距离阈值内且距离最小的两个顶点相连，形成闪电放电连接通道。
本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述任一种所述闪电辐射源连接方法的步骤。
本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述闪电辐射源连接方法的步骤。
本发明提供的一种闪电辐射源连接方法，实现了所有放电通道的连接和计算，并且采用聚类密度决定空间连接距离阈值，提高了不同探测能力下辐射源连接计算通道的稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种闪电辐射源连接方法的流程图；
图2为本发明提供的一种闪电辐射源连接结果示意图；
图3为本发明提供的一种闪电辐射源连接装置的结构示意图；
图4为本发明提供的一种电子设备的实体结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
针对上述需求，本发明首次提出了一种闪电辐射源连接及放电尺度计算方法，并解决了辐射源密度差异导致的尺度稳定性不足的问题。
该项技术的实现，将能够大大提高对闪电化学效应(氮氧化物)、释放能量、转移电荷量反演能力，也有助于更深刻的揭示闪电放电和雷暴的关系。
该方法适用于低频及甚高频闪电三维定位数据(在这里统称为辐射源数据)，并且要求辐射源数据能实现基本的通道轮廓刻画能力。
本发明实施例提供一种闪电辐射源连接方法，如图1所示，该方法包括：
110，将所有辐射源三维定位数据划分到若干独立的闪电，每次闪电对应各自的辐射源三维定位数据，所述辐射源三维定位数据包括辐射源的时间和辐射源的三维位置；
首先进行归闪，将三维定位数据根据空间和时间划分成一次次闪电。
120，对每次闪电覆盖范围内的辐射源的三维位置进行聚类，得到聚类区域，计算所述聚类区域中的辐射源密度；
然后对每次闪电覆盖范围内辐射源进行聚类，得到聚类区域，得到这些聚类区域中的凸壳面积，利用聚类区域中辐射源总数除以凸壳面积或者凸壳体积，得到不同区域的辐射源面密度或者辐射源体密度，该辐射源面密度或辐射源体密度即为本发明实施例中的辐射源密度。
在更粗的应用场合，也可以对一次闪电整体求平均密度，不同技术人员可能求密度的方式也不一样。
130，根据所述辐射源密度，确定所述聚类区域对应的连接距离阈值；
不同的辐射源密度对应的连接距离阈值不同，根据每个聚类面积内的凸壳面密度或凸壳体密度，确定连接距离阈值，不同的聚类密度对应的连接距离阈值不同。
对于一个整体平均密度，连接距离阈值在整个覆盖空间都符合同样的密度-距离关系。例如，闪电的聚类密度大于或等于1小于3时，允许空间连接距离在2000m以内的辐射源连接；当闪电的聚类密度大于或等于3小于5时，允许空间连接距离在1250m以内的辐射源连接；当闪电聚类密度大于或等于5时，允许空间距离在1000m以内的辐射源连接。
140，分析获得每次闪电包含的子放电过程类型，根据所述放电过程类型确定预设时间阈值；
根据对闪电放电规律的普适性认识，分析每次闪电包含的子放电过程类型，并且根据子放电过程类型找到对应的预设时间阈值，本发明实施例中，根据子放电过程类型及其对应的预设时间阈值存储起来，通过查找找到子放电过程类型对应的预设时间阈值。例如，一般而言，预设时间阈值大于1ms，小于20ms。
150，对每次闪电的所有辐射源，将距离在所述距离连接阈值内和时间差在所述预设时间阈值的辐射源连接，形成连好的片段；
采用时间顺序进行逐点比较，将时间差在时间阈值范围内的，采用变化的空间连接距离阈值进行连接，将在一定空间范围和时间范围内的辐射源连接成分支。
经过上述处理后，即使定位到的闪电辐射源个数较少，闪电密度较小时，也能得到比较真实的连接。闪电被赋予密度后，在该密度对应的空间阈值范围内都没有连接的点被认为是孤立点。
160，将上面形成的多个片段区域连接，连接方式为多个片段区域之间在固定连接距离阈值内且距离最小的两个顶点相连，形成闪电放电连接通道。
当然，在对需求较低的情况下，也可以直接设定固定连接距离阈值，进行连接。然后将连接好的分支在连接起来形成完整的闪电通道，分支的空间距离在2000m以内就可以连接。
本发明实施例提供的一种闪电辐射源连接方法，实现了所有放电通道的连接和计算，并且采用聚类密度决定空间连接距离阈值，提高了不同探测能力下辐射源连接计算通道的稳定性。
在上述实施例的基础上，优选地，所述根据所述辐射源密度，确定所述聚类区域对应的连接距离阈值，包括：
将所述辐射源密度在预设密度距离表中进行查找，得到对应的连接距离阈值，所述预设密度距离表中存储辐射源密度及对应的连接距离阈值。
具体地，本发明实施例通过设置预设密度距离表，反映辐射源密度和连接距离阈值之间的对应关系。
在上述实施例的基础上，优选地，还包括：
在闪电辐射源连接图中确定主通道和分支；
根据所述主通道的长度和所述分支的长度，确定总放电通道的长度。
将通道结构分为主通道和分支，每个闪电辐射源作为顶点，对于任意一个顶点，若与该顶点连接的线大于或等于3条，则将该顶点作为一个节点。每个分支的最后一个点定义为终点，如果一个终点与离它最近的连接节点之间的通道距离大于一定距离就当做主通道，否则当作分支。
对于主通道和分支，连接一段就计算该段的长度，所有得到的线段长度之和为总放电通道长度，也得到对应的主通道和分支通道的长度。
本发明实施例提供的一种按照本方法获得的辐射源连接结果，如图2所示，图中黑线为主通道，灰线为分支通道。
本发明实施例提供一种闪电辐射源连接装置，如图3所示，该装置包括：划分模块301、聚类模块302、查找模块303、分析模块304、片段内连接模块305和片段间连接模块306，其中：
划分模块301用于将所有辐射源三维定位数据划分到若干独立的闪电，每次闪电对应的相应辐射源三维定位数据，所述三维定位数据包括辐射源的时间和辐射源的三维位置；
聚类模块302用于对每次闪电覆盖范围内的辐射源的三维位置进行聚类，得到聚类区域，计算所述聚类区域中的辐射源密度；
查找模块303用于根据所述辐射源密度，确定所述聚类区域对应的连接距离阈值；
分析模块304用于分析获得每次闪电包含的子放电过程类型，根据放电类型确定预设连接时间阈值；
片段内连接模块305用于对每次闪电的所有辐射源，将距离在所述距离连接阈值内和时间差在所述预设时间阈值的辐射源连接，形成连好的片段；
片段间连接模块306用于将上面形成的多个片段区域连接，连接方式为多个片段区域之间在固定连接距离阈值内且距离最小的两个顶点相连，形成闪电放电连接通道。
本实施例为与上述方法相对应的系统实施例，详情请参考上述方法实施例，本系统实施例在此不再赘述。
本发明实施例提供的一种电子设备，如图4所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)410、通信接口(Communications Interface)420、存储器(memory)430和通信总线440，其中，处理器410，通信接口420，存储器430通过通信总线440完成相互间的通信。处理器410可以调用存储器430中的逻辑指令，以执行一种闪电辐射源连接方法，该方法包括：
将所有辐射源三维定位数据划分到若干独立的闪电，每次闪电对应各自的辐射源三维定位数据，所述辐射源三维定位数据包括辐射源的时间和辐射源的三维位置；
对每次闪电覆盖范围内的辐射源的三维位置进行聚类，得到聚类区域，计算所述聚类区域中的辐射源密度；
根据所述辐射源密度，确定所述聚类区域对应的连接距离阈值；
分析获得每次闪电包含的子放电过程类型，根据所述放电过程类型确定预设时间阈值；
对每次闪电的所有辐射源，将距离在所述距离连接阈值内和时间差在所述预设时间阈值的辐射源连接，形成连好的片段；
将上面形成的多个片段区域连接，连接方式为多个片段区域之间在固定连接距离阈值内且距离最小的两个顶点相连，形成闪电放电连接通道。
此外，上述的存储器430中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
另一方面，本发明还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法所提供的一种闪电辐射源连接方法，该方法包括：
将所有辐射源三维定位数据划分到若干独立的闪电，每次闪电对应各自的辐射源三维定位数据，所述辐射源三维定位数据包括辐射源的时间和辐射源的三维位置；
对每次闪电覆盖范围内的辐射源的三维位置进行聚类，得到聚类区域，计算所述聚类区域中的辐射源密度；
根据所述辐射源密度，确定所述聚类区域对应的连接距离阈值；
分析获得每次闪电包含的子放电过程类型，根据所述放电过程类型确定预设时间阈值；
对每次闪电的所有辐射源，将距离在所述距离连接阈值内和时间差在所述预设时间阈值的辐射源连接，形成连好的片段；
将上面形成的多个片段区域连接，连接方式为多个片段区域之间在固定连接距离阈值内且距离最小的两个顶点相连，形成闪电放电连接通道。
又一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各提供的一种闪电辐射源连接方法，该方法包括：
将所有辐射源三维定位数据划分到若干独立的闪电，每次闪电对应各自的辐射源三维定位数据，所述辐射源三维定位数据包括辐射源的时间和辐射源的三维位置；
对每次闪电覆盖范围内的辐射源的三维位置进行聚类，得到聚类区域，计算所述聚类区域中的辐射源密度；
根据所述辐射源密度，确定所述聚类区域对应的连接距离阈值；
分析获得每次闪电包含的子放电过程类型，根据所述放电过程类型确定预设时间阈值；
对每次闪电的所有辐射源，将距离在所述距离连接阈值内和时间差在所述预设时间阈值的辐射源连接，形成连好的片段；
将上面形成的多个片段区域连接，连接方式为多个片段区域之间在固定连接距离阈值内且距离最小的两个顶点相连，形成闪电放电连接通道。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种闪电辐射源连接方法，其特征在于，包括：
将所有辐射源三维定位数据划分到若干独立的闪电，每次闪电对应各自的辐射源三维定位数据，所述辐射源三维定位数据包括辐射源的时间和辐射源的三维位置；
对每次闪电覆盖范围内的辐射源的三维位置进行聚类，得到聚类区域，计算所述聚类区域中的辐射源密度；
根据所述辐射源密度，确定所述聚类区域对应的连接距离阈值；
分析获得每次闪电包含的子放电过程类型，根据所述放电过程类型确定预设时间阈值；
对每次闪电的所有辐射源，将距离在所述距离连接阈值内和时间差在所述预设时间阈值的辐射源连接，形成连好的片段；
将上面形成的多个片段区域连接，连接方式为多个片段区域之间在固定连接距离阈值内且距离最小的两个顶点相连，形成闪电放电连接通道。
2.根据权利要求1所述的闪电辐射源连接方法，其特征在于，所述根据所述辐射源密度，确定所述聚类区域对应的连接距离阈值，包括：
将所述辐射源密度在预设密度距离表中进行查找，得到对应的连接距离阈值，所述预设密度距离表中存储辐射源密度及对应的连接距离阈值。
3.根据权利要求1所述的闪电辐射源连接方法，其特征在于，所述计算所述聚类区域中的辐射源密度，包括：
将所述聚类区域中辐射源的个数除以所述聚类区域中的凸壳面积，得到辐射源面密度，所述辐射源面密度即为所述辐射源密度；
或，
将所述聚类区域中辐射源的个数除以所述聚类区域中的凸壳体积，得到辐射源体密度，所述辐射源体密度即为所述辐射源密度。
4.根据权利要求1至3任一所述的闪电辐射源连接方法，其特征在于，还包括：
在闪电辐射源连接图中确定主通道和分支；
根据所述主通道的长度和所述分支的长度，确定总放电通道的长度。
5.根据权利要求4所述的闪电辐射源连接方法，其特征在于，所述在闪电辐射源连接图中确定主通道和分支，包括：
将每个辐射源的三维位置均作为顶点，每条连接线作为边，边的集合作为闪电通道；
从所述顶点中筛选出节点，所述节点为边大于或等于3条的顶点，将每条闪电通道的最后一个顶点作为终点，最后一个顶点是只有单向连接的顶点；
若所述通道的终点与连接最近节点之间的通道距离大于预设距离阈值，则将所述通道作为所述主通道，若所述通道的终点与连接最近节点之间的通道距离小于预设距离阈值，则将所述通道作为所述分支。
6.根据权利要求5所述的闪电辐射源连接方法，其特征在于，所述预设距离阈值根据所述聚类密度确定。
7.根据权利要求1至3任一所述的闪电辐射源连接方法，其特征在于，所述预设时间阈值在1ms到20ms之间。
8.一种闪电辐射源连接装置，其特征在于，包括：
划分模块，用于将所有辐射源三维定位数据划分到若干独立的闪电，每次闪电对应的相应辐射源三维定位数据，所述三维定位数据包括辐射源的时间和辐射源的三维位置；
聚类模块，用于对每次闪电覆盖范围内辐射源的三维位置进行聚类，得到聚类区域，计算所述聚类区域中的辐射源密度；
查找模块，用于根据所述辐射源密度，确定所述聚类区域对应的连接距离阈值；
分析模块，用于分析获得每次闪电包含的子放电过程类型，根据放电类型确定预设连接时间阈值；
片段内连接模块，用于对每次闪电的所有辐射源，将距离在所述距离连接阈值内和时间差在预设时间阈值的辐射源连接，形成连好的片段；
片段间连接模块，用于将上面形成的多个片段区域连接，连接方式为多个片段区域之间在固定连接距离阈值内且距离最小的两个顶点相连，形成闪电放电连接通道。
9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至7任一项所述闪电辐射源连接方法的步骤。
10.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述闪电辐射源连接方法的步骤。
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