CN115079311A - 基于包络线的雨量计算方法、装置、计算机设备及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种基于包络线的雨量计算方法、装置、计算机设备及存储介质，方法应用于压电式雨量计，包括：获取压电式雨量计下雨场景下的数字信号；确定所述数字信号中的局域极值点；基于所述局域极值点绘制包络线；计算所述包络线下的区域面积；基于所述区域面积确定雨量值。通过实施本发明实施例的方法计算包络线下的区域面积，进一步计算区域面积对应的雨量，容易实现，同时降低了雨量计算的计算量，提升了计算速度。

Description

基于包络线的雨量计算方法、装置、计算机设备及存储介质

技术领域

本发明涉及于气象监测和雨量测量技术领域，尤其涉及一种基于包络线的雨量计算方法、装置、计算机设备及存储介质，应用于压电式雨量计。

背景技术

雨量是衡量气象条件的一个重要的因素，是环境监测、农业安全监测等领域的重要指标，准确地测量雨量对防汛抗灾有着重要意义。测量雨量的传感器类型有人工量筒、翻斗式雨量计、虹吸式雨量计、称重式雨量计以及压电式雨量计等。

传统的翻斗式雨量计收集雨水到指定的容量后倒掉雨水，同时触发一次计量。翻斗式雨量计作为传统雨量计量工具，雨量时间准确，便于自动数据采集。但是由于翻斗过程的存在，在特别大和特别小的雨量的时候，并不准确。压电式雨量计，采用压电陶瓷作为传感元件，根据雨滴的滴打力度进行识别雨滴，进而给出雨滴的大小，求和得到雨量。与翻斗式雨量计相比，压电式雨量计比翻斗式雨量计的计量雨量范围更大，实时性更好。

目前压电式雨量计的思路是分析压电信号，从雨滴滴打信号检出雨滴，逐个雨滴分析大小，给出总雨量。基本原理是：雨滴滴打在压电陶瓷表面形成振动，在电路中产生一个衰减的电压波动，其初始信号的强弱与雨滴的质量成正比关系。现有的压电式雨量计的雨量计算方法能够比较准确的计算每个雨滴的质量，但是计算量很大，对整个系统的算力要求很高。

因此，有必要设计一种新的方法，以在保证雨量计算准确性的前提下，降低雨量计算的计算量，是本领域亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供雨量计计算方法、装置、计算机设备及存储介质，应用于压电式雨量计。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：基于包络线的雨量计算方法，应用于压电式雨量计，包括：

获取压电式雨量计下雨场景下的数字信号；

确定所述数字信号中的局域极值点；

基于所述局域极值点绘制包络线；

计算所述包络线下的区域面积；

基于所述区域面积确定雨量值。

进一步地，所述局域极值点包括：

对于相邻的数据点值x＞0、y＞0、z＞0，且分别对应的时间t_x、t_y、t_z满足t_x＜t_y＜t_z，如果x＜y,z＜y，那么y为所述局域极值点。

进一步地，所述基于所述局域极值点绘制包络线包括：

将所述极值点按照时间顺序进行连接。

进一步地，所述包络线下的区域面积是指包络线、0电压线、时间区域范围组成的区域所对应的面积。

进一步地，采用辛普森积分法计算所述区域面积。

进一步地，所述基于所述区域面积确定雨量值包括：

通过回归分析确定所述区域面积与雨量值间的数值关系。

本发明还提供一种基于包络线的雨量计算装置，应用于压电式雨量计，包括：

转换单元，用于获取压电式雨量计下雨场景下的数字信号；

第一确定单元，用于确定所述数字信号中的局域极值点；

绘制单元，用于基于所述局域极值点绘制包络线；

计算单元，用于计算所述包络线下的区域面积；

第二确定单元，用于基于所述区域面积确定雨量值。

进一步地，所述局域极值点包括：

对于相邻的数据点值x＞0、y＞0、z＞0，且分别对应的时间t_x、t_y、t_z满足t_x＜t_y＜t_z，如果x＜y,z＜y，那么y为所述局域极值点。

本发明还提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器及处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任一项所述的方法。

本发明还提供一种存储介质，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一项所述的方法。

本发明与现有技术相比的有益效果是：本发明基于压电信号的包络线下的面积和雨量之间存在的对应关系，把压电陶瓷得到的振荡电压信号取包络线，通过计算包络线下的区域面积进一步计算区域面积对应的雨量，取一段曲线的包络线的过程简单，需要的算力很低，容易实现，大大降低了雨量计算的计算量，提升了计算速度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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为本发明实施例提供的基于包络线的雨量计算方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的基于包络线的雨量计算装置的示意性框图；

图3为本发明实施例提供的计算机设备的示意性框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例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做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。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在此本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

图1是本发明实施例提供的基于包络线的雨量计算方法的流程示意图。如图1所示，该方法包括以下步骤S110至S150。

S110、获取压电式雨量计下雨场景下的数字信号；

在本实施例中，提出的基于包络线的雨量计算方法主要应用于压电式雨量计，采用一般压电式雨量计的硬件环境。压电式雨量计的工作原理是利用压电振子的压电效应，将机械位移(振动)变成电信号，然后根据雨滴冲击的能量转变的电压波形，而且根据电压波形的变化，可以得到雨量的大小，从而实现对单个雨滴重量测算，进而计算降雨量。

因此，本实施例中，为了对降雨量进行计算，首先获取下雨场景下压电式雨量计下产生的数字信号，以进一步对相应的数字信号进行分析，得到相应的降雨量。

具体地，压电式雨量计包括压电传感器，通过压电传感器将雨滴降落在该压电传感器上的冲击力转换为电荷信号，并对该电荷信号进行进一步处理，得到相应的模拟信号。对电荷信号的处理包括电荷电压转换、滤波等，压电式雨量计在下雨的时候产生振荡的电压信号输出。处理得到的模拟信号经过ADC转换后变成数字信号输出。本实施例中获取压电式雨量计下雨场景下的数字信号，数字信号中，每个数据点有对应的时间戳，且一般时间戳是均匀的。

S120、确定所述数字信号中的局域极值点；

如上所述，数字信号中的每个数据点有对应的时间戳，各数据点按时间顺序排列。本实施例中，在获取的数字信号按照时间顺序，逐点搜索局域极值点。具体地，对于数字信号中时间相邻的3数据点值x＞0、y＞0、z＞0，且x、y、z对应的时间t_x、t_y、t_z满足t_x＜t_y＜t_z，如果x＜y,z＜y，那么y就是我们要寻找的局域极值点。

因此，本发明在数字信号中按照时间顺序，进行逐点搜索，确定所有满足条件的局域极值点。

S130、基于所述局域极值点绘制包络线；

本实施例中，包络线为所有局域极值点的连线。因此，在逐点搜索得到数字信号的极值点后，将所有的极值点按照时间顺序进行连接，得到所需的包络线。

S140、计算所述包络线下的区域面积；

值得注意的是，压电式雨量计的压电信号越强，雨量越大。由于压电信号的包络线和0电压线之间的面积和雨量之间存在对应关系，而取一段曲线的包络线的过程简单，需要的算例很低，容易实现，因此本发明把压电陶瓷得到的振荡电压信号取包络线，通过计算包络线下的区域面积进一步计算区域面积对应的雨量，以降低雨量计算的计算量。

具体地，包络线下的区域面积是指包络线、0电压线、时间区域范围组成的区域所对应的面积。本实施例不对具体的面积计算方法进行限定，可以采用辛普森积分法。

S150、基于所述区域面积确定雨量值。

如上所述，包络线下的区域面积S的大小与雨量值直接关联，因此，本发明根据区域面积快速确定相应计量标准的雨量值。

具体地，本实施例不对区域面积S与计量标准的雨量值R的数值关系进行限定。为了把区域面积S与计量标准的雨量值R之间做一个数值关联，我们收集不同时期区域面积S及雨量值R，做回归分析，给出二者之间的数值关系。回归分析可以是线性回归，也可以是多项式回归，本实施例不作限定。具体地，本发明将线性回归与多项式回归可以统一表示为：

其中，R表示作为计量标准的雨量值，n表示回归阶数，S是区域面积，C_i是各阶系数。

回归分析过程中，阶数n可以选择n＝1，2，3作为尝试，通过各阶回归分析结果的对比，给出最佳阶数。通过确定的阶数，用回归分析后可以得出出C_i的值。

因此，可以根据上述得出的回归分析式，由上述步骤得到的区域面积S计算对应的作为计量标准的雨量值R。

上述的基于包络线的雨量计算方法，基于压电信号的包络线下的面积和雨量之间存在的对应关系，把压电陶瓷得到的振荡电压信号取包络线，通过计算包络线下的区域面积进一步计算区域面积对应的雨量，取一段曲线的包络线的过程简单，需要的算力很低，容易实现，降低了雨量计算的计算量，提升了计算速度。

图2是本发明实施例提供的一种基于包络线的雨量计算装置的示意性框图，应用于压电式雨量计。如图2所示，对应于以上基于包络线的雨量计算方法，本发明还提供一种基于包络线的雨量计算装置。该基于包络线的雨量计算装置包括用于执行上述基于包络线的雨量计算方法的单元，该装置可以被配置于服务器中。具体地，请参阅图2，该基于包络线的雨量计算装置包括转换单201、第一确定单元202、绘制单元203、计算单元204以及第二确定单元205。

转换单元，用于获取压电式雨量计下雨场景下的数字信号；

在本实施例中，提出的基于包络线的雨量计算方法主要应用于压电式雨量计，采用一般压电式雨量计的硬件环境。压电式雨量计的工作原理是利用压电振子的压电效应，将机械位移(振动)变成电信号，然后根据雨滴冲击的能量转变的电压波形，而且根据电压波形的变化，可以得到雨量的大小，从而实现对单个雨滴重量测算，进而计算降雨量。

因此，本实施例中，为了对降雨量进行计算，首先获取下雨场景下压电式雨量计下产生的数字信号，以进一步对相应的数字信号进行分析，得到相应的降雨量。

具体地，压电式雨量计包括压电传感器，通过压电传感器将雨滴降落在该压电传感器上的冲击力转换为电荷信号，并对该电荷信号进行进一步处理，得到相应的模拟信号。对电荷信号的处理包括电荷电压转换、滤波等，压电式雨量计在下雨的时候产生振荡的电压信号输出。处理得到的模拟信号经过ADC转换后变成数字信号输出。本实施例中获取压电式雨量计下雨场景下的数字信号，数字信号中，每个数据点有对应的时间戳，且一般时间戳是均匀的。

第一确定单元，用于确定所述数字信号中的局域极值点；

如上所述，数字信号中的每个数据点有对应的时间戳，各数据点按时间顺序排列。本实施例中，在获取的数字信号按照时间顺序，逐点搜索局域极值点。具体地，对于数字信号中时间相邻的3数据点值x＞0、y＞0、z＞0，且x、y、z对应的时间t_x、t_y、t_z满足t_x＜t_y＜t_z，如果x＜y,z＜y，那么y就是我们要寻找的局域极值点。

因此，本发明在数字信号中按照时间顺序，进行逐点搜索，确定所有满足条件的局域极值点。

绘制单元，用于基于所述局域极值点绘制包络线；

本实施例中，包络线为所有局域极值点的连线。因此，在逐点搜索得到数字信号的极值点后，将所有的极值点按照时间顺序进行连接，得到所需的包络线。

计算单元，用于计算所述包络线下的区域面积；

值得注意的是，压电式雨量计的压电信号越强，雨量越大。由于压电信号的包络线和0电压线之间的面积和雨量之间存在对应关系，而取一段曲线的包络线的过程简单，需要的算例很低，容易实现，因此本发明把压电陶瓷得到的振荡电压信号取包络线，通过计算包络线下的区域面积进一步计算区域面积对应的雨量，以降低雨量计算的计算量。

具体地，包络线下的区域面积是指包络线、0电压线、时间区域范围组成的区域所对应的面积。本实施例不对具体的面积计算方法进行限定，可以采用辛普森积分法。

第二确定单元，用于基于所述区域面积确定雨量值。

如上所述，包络线下的区域面积S的大小与雨量值直接关联，因此，本发明根据区域面积快速确定相应计量标准的雨量值。

具体地，本实施例不对区域面积S与计量标准的雨量值R的数值关系进行限定。为了把区域面积S与计量标准的雨量值R之间做一个数值关联，我们收集不同时期区域面积S及雨量值R，做回归分析，给出二者之间的数值关系。回归分析可以是线性回归，也可以是多项式回归，本实施例不作限定。具体地，本发明将线性回归与多项式回归可以统一表示为：

其中，R表示作为计量标准的雨量值，n表示回归阶数，S是区域面积，C_i是各阶系数。

回归分析过程中，阶数n可以选择n＝1，2，3作为尝试，通过各阶回归分析结果的对比，给出最佳阶数。通过确定的阶数，用回归分析后可以得出出C_i的值。

因此，可以根据上述得出的回归分析式，由上述步骤得到的区域面积S计算对应的作为计量标准的雨量值R。

上述基于包络线的雨量计算装置200可以实现为一种计算机程序的形式，该计算机程序可以在如图3所示的计算机设备上运行。

请参阅图3，图3是本申请实施例提供的一种计算机设备的示意性框图。该计算机设备500可以是服务器，其中，服务器可以是独立的服务器，也可以是多个服务器组成的服务器集群。

参阅图3，该计算机设备500包括通过系统总线501连接的处理器502、存储器和网络接口505，其中，存储器可以包括非易失性存储介质503和内存储器504。

该非易失性存储介质503可存储操作系统5031和计算机程序5032。该计算机程序5032包括程序指令，该程序指令被执行时，可使得处理器502执行基于包络线的雨量计算方法。

该处理器502用于提供计算和控制能力，以支撑整个计算机设备500的运行。

该内存储器504为非易失性存储介质503中的计算机程序5032的运行提供环境，该计算机程序5032被处理器502执行时，可使得处理器502执行一种基于包络线的雨量计算方法。

该网络接口505用于与其它设备进行网络通信。本领域技术人员可以理解，图3中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备500的限定，具体的计算机设备500可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。

其中，所述处理器502用于运行存储在存储器中的计算机程序5032，以实现如下步骤：

获取压电式雨量计下雨场景下的数字信号；确定所述数字信号中的局域极值点；基于所述局域极值点绘制包络线；计算所述包络线下的区域面积；基于所述区域面积确定雨量值。

应当理解，在本申请实施例中，处理器502可以是中央处理单元302(CentralProcessing Unit，CPU)，该处理器502还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(DigitalSignal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。其中，通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

本领域普通技术人员可以理解的是实现上述实施例的方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成。该计算机程序包括程序指令，计算机程序可存储于一存储介质中，该存储介质为计算机可读存储介质。该程序指令被该计算机系统中的至少一个处理器执行，以实现上述方法的实施例的流程步骤。

因此，本发明还提供一种存储介质。该存储介质可以为计算机可读存储介质。该存储介质存储有计算机程序，其中该计算机程序被处理器执行时使处理器执行如下步骤：

获取压电式雨量计下雨场景下的数字信号；确定所述数字信号中的局域极值点；基于所述局域极值点绘制包络线；计算所述包络线下的区域面积；基于所述区域面积确定雨量值。

所述存储介质可以是U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的计算机可读存储介质。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的。例如，各个单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式。例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。

本发明实施例方法中的步骤可以根据实际需要进行顺序调整、合并和删减。本发明实施例装置中的单元可以根据实际需要进行合并、划分和删减。另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元302中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元集成在一个单元中。

该集成的单元如果以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，或者该技术方案的全部或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，终端，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。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于包络线的雨量计算方法，应用于压电式雨量计，其特征在于，包括：

获取压电式雨量计下雨场景下的数字信号；

确定所述数字信号中的局域极值点；

基于所述局域极值点绘制包络线；

计算所述包络线下的区域面积；

基于所述区域面积确定雨量值。

2.根据权利要求1所述的基于包络线的雨量计算方法，其特征在于，所述局域极值点包括：

对于相邻的数据点值x＞0、y＜0、z＞0，且分别对应的时间t_x、t_y、t_z满足t_x＜t_y＜t_z，如果x＜y,z＜y，那么y为所述局域极值点。

3.根据权利要求1所述的基于包络线的雨量计算方法，其特征在于，所述基于所述局域极值点绘制包络线包括：

将所述极值点按照时间顺序进行连接。

4.根据权利要求1所述的基于包络线的雨量计算方法，其特征在于，所述包络线下的区域面积是指包络线、0电压线、时间区域范围组成的区域所对应的面积。

5.根据权利要求4所述的基于包络线的雨量计算方法，其特征在于，采用辛普森积分法计算所述区域面积。

6.根据权利要求1所述的基于包络线的雨量计算方法，其特征在于，所述基于所述区域面积确定雨量值包括：

通过回归分析确定所述区域面积与雨量值间的数值关系。

7.一种基于包络线的雨量计算装置，应用于压电式雨量计，其特征在于，包括：

转换单元，用于获取压电式雨量计下雨场景下的数字信号；

第一确定单元，用于确定所述数字信号中的局域极值点；

绘制单元，用于基于所述局域极值点绘制包络线；

计算单元，用于计算所述包络线下的区域面积；

第二确定单元，用于基于所述区域面积确定雨量值。

8.根据权利要求7所述的基于包络线的雨量计算装置，其特征在于，所述局域极值点包括：

对于相邻的数据点值x＞0、y＞0、z＞0，且分别对应的时间t_x、t_y、t_z满足t_x＜t_y＜t_z，如果x＜y,z＜y，那么y为所述局域极值点。

9.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括存储器及处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至6中任一项所述的方法。

10.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6中任一项所述的方法。

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