[發明專利]一種基于降雨量圖的降雨相似性搜索方法

在審

• 申請號: 202210243705.0
• 申請日: 2022-03-11
• 公開（公告）號: CN114969416A
• 公開（公告）日: 2022-08-30
• 發明（設計）人: 余宇峰;楊永杰;萬定生;朱躍龍;賀新固
• 申請（專利權）人: 河海大學
• 主分類號: G06F16/583
• 分類號: G06F16/583;G06F16/587;G06F16/532;G06F16/538
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開一種基于降雨量圖的降雨相似性搜索方法，屬于水文數據挖掘技術領域。本發明主要是為了解決現有的降雨相似性方法中使用雨量站降雨數據而忽略降雨空間分布情況的問題，使用分塊的方法將日降雨量圖轉換成降雨分布矩陣后，用S?2DDTW算法計算兩個降雨分布矩陣之間的距離，并結合滑動窗口方法和IWDTW算法，實現降雨序列的相似性搜索。

技術領域

本發明涉及一種基于降雨量圖的降雨相似性搜索方法，屬于水文數據挖掘技術領域。

背景技術

降雨是全球水分和能量循環的核心組成部分，同時也是水文循環的一大基本要素。作為流域水文系統的關鍵輸入，降雨的時空分布特征直接影響區域內水文循環各要素(如徑流、土壤水、蒸散發等)及水資源量的時空演變規律，而極端降雨事件通常還會成為觸發洪澇、干旱、滑坡等自然災害的重要誘因。尋找出與實際暴雨洪水條件相似的流域歷史場次暴雨洪水，可以對本次的實際暴雨洪水形勢進行預估。對歷史降雨數據進行相似性搜索研究，能夠有助于人們發現降雨規律，并進一步了解降雨對其他水文過程的影響，從而為水資源管理、水文預報等提供有力的決策支持，特別是在防洪調度的各個階段，如何有效地利用歷史上相似場次暴雨洪水的發生、發展和演化信息，對指導實時洪水的預報和調度十分迫切。

目前常見的降雨相似性搜索方法往往只考慮到降雨的雨量大小，并沒有充分考慮到降雨的空間分布情況。由于流域內的水流流向、地貌、土壤等各個因素通常都是復雜的，不同區域內相同降雨對各種水文要素的影響可能存在很大差異，因此忽略空間分布的降雨相似性搜索并不是有效可靠的方法。

發明內容

發明目的：本發明的目的在于解決現有技術中存在的不足，提供一種基于降雨量圖的降雨相似性搜索方法，通過數據挖掘的相關技術，對降雨序列進行相似性搜索。

技術方案：本發明為一種基于降雨量圖的降雨相似性搜索方法，包括以下步驟：

S1、將查詢序列和整個歷史序列中每張日降雨量圖劃分為n×n的網格，并根據降雨量圖的顏色和圖例信息，分別提取每張降雨量圖中各個網格的降雨量數值，從而將每一張降雨量圖轉換為一個降雨分布矩陣；

S2、根據查詢序列的長度確定搜索結果序列長度范圍，將范圍內的每一個整數分別作為窗口的大小，使得各個大小的窗口滑過歷史序列，得到若干子序列。

S3、使用IWDTW算法計算查詢序列與S2中得到的各個子序列的距離，其中序列中任意兩個元素的距離使用S-2DDTW方法度量。

S4、根據S3獲得所有子序列與查詢序列的距離，將所有子序列按照距離從小到大的順序進行排序，得到距離較小的若干子序列作為搜索結果。

進一步地，所述步驟S1的實現過程如下：將查詢序列以及歷史序列中的每一張降雨量圖劃分為n×n的網格，統計出每個網格中各種顏色的像素點個數，再用每個顏色像素點個數乘以該像素點代表的降雨量數值大小，計算出每個網格中的降雨量數值大小，從而生成一個降雨分布矩陣。對每一幅降雨量圖進行相同的操作，可以得到一個待查詢的降雨分布矩陣序列和歷史降雨分布矩陣序列。

進一步地，所述步驟S3中的S-2DDTW算法的實現過程如下：

設有兩個降雨分布矩陣A和B，它們的大小都為n行n列先得到兩個降雨分布矩陣間的距離矩陣Mat(A，B)：

構成的兩個降雨分布矩陣距離矩陣Mat_(A，B)為n行n列的矩陣，其中代表矩陣A第一行行向量與矩陣B第一行行向量之間的距離以及矩陣A第一列列向量與矩陣B第一列列向量之間的距離之和。同理，代表矩陣A第i行行向量和矩陣B第j行行向量之間的距離以及矩陣A第i行行向量和矩陣B第j行行向量之間的距離之和。此處，兩個行向量之間的距離以及兩個列向量之間的距離均使用DTW距離進行表示。