[發明專利]一種基于零位線的山區落雷點分布的預測方法

在審

• 申請號: 202310673019.1
• 申請日: 2023-06-07
• 公開（公告）號: CN116542394A
• 公開（公告）日: 2023-08-04
• 發明（設計）人: 李瑞芳;曹曉斌;雷騫;劉樂佳;李承志;郭能星
• 申請（專利權）人: 西南交通大學
• 主分類號: G06Q10/04
• 分類號: G06Q10/04;G06Q50/26;G06V20/10;G06V10/20
• 代理公司: 成都方圓聿聯專利代理事務所(普通合伙) 51241
• 代理人: 茍銘

1.一種基于零位線的山區落雷點分布的預測方法，其特征在于，所述方法包括：

S1：對真實雷電圖像進行預處理并識別雷電通道，提取圖像中的雷電通道；

S2：將雷電先導每一步發展方向與上一步發展方向的角度差劃分為十七種狀態，對雷電通道進行統計分析，得到角度差與概率擬合曲線函數；

S3：通過MATLAB編程計算出山區地形下從雷電先導發展初始點到山體之間最強的場強方向，形成零位線；

S4：通過MATLAB編程，輸入步長、角度差與概率擬合曲線函數和零位線，模擬出山區地形下的雷電通道模擬路徑，結合蒙特卡羅法模擬出大量的雷擊路徑，得出落雷分布。

2.根據權利要求1所述的一種基于零位線的山區落雷點分布的預測方法，其特征在于，所述步驟S1具體包括：

利用加權平均值法對真實雷電圖像進行灰度化，使圖像背景部分與雷電通道像素的灰度值差距加大；

采用基于Otsu自適應閾值的Canny算子識別法對雷電通道進行識別，提取雷電通道，得到雷電通道圖。

3.根據權利要求2所述的一種基于零位線的山區落雷點分布的預測方法，其特征在于，采用加權平均法，公式如下：

式中w_R、w_G、w_B分別為R、G、B的權值，在不同的取值下可形成不同的灰度圖像。

4.根據權利要求1所述的一種基于零位線的山區落雷點分布的預測方法，其特征在于，所述步驟S2具體包括：

利用相鄰路徑之間的角度差進行雷電先導仿真模擬，對雷電通道的每一個步長區間內進行以直代曲處理，將原來的不規則曲線用直線代替；

將下一級步長與上一級步長之間的角度差以10度±5度為間隔劃分為17個狀態，統計出多個雷電通道的每級步長角度差；

最后將所有的數據整合，將角度差與其對應的出現概率進行擬合，得到角度差與概率擬合曲線函數。

5.根據權利要求4所述的一種基于零位線的山區落雷點分布的預測方法，其特征在于，所述擬合公式如下：

y＝7.59+2.59×10^-2x+4.21×10^-3x²-2.15×10^-5x³-3.29×10^-6x⁴

+5.65×10^-9x⁵+6.44×10^-10x⁶-4.35×10^-13x⁷

-4.01×10^-14x⁸

式中x、y分別為角度差和其對應的概率。

6.根據權利要求1所述的一種基于零位線的山區落雷點分布的預測方法，其特征在于，所述步驟S3具體包括：

利用超松弛迭代法，通過MATLAB編程計算，求出山區地形周圍空間各點的場強，找出雷電先導過程中，雷電先導通道頭部場強最大的方向，形成典型地形下的零位線。

7.根據權利要求6所述的一種基于零位線的山區落雷點分布的預測方法，其特征在于，對零位線的定義為山區地形下從雷電先導發展初始點到山體之間場強最強的路徑，將雷云與山體之間的空間離散為一系列的等間距網格；確定整個空間中的電荷分布保持不變，雷電先導發展時每一步對應的空間電場都為靜態場，則離散后的空間網格電位滿足Poisson方程；上下邊界條件滿足第一類邊界條件，上邊界設置為雷云電位，下邊界包括山體設置電位為0；網格的左右邊界距離山體足夠遠，即左右邊界滿足Neumann邊界條件；

上述空間網格中的每一個網格的電位φ_i,j通過求解離散拉普拉斯方程得到，離散后的計算公式為：

4φ_i,j-φ_i+1,j-φ_i,j+1-φ_i,j-1-φ_i-1,j＝0

用超松弛迭代法求解上式可以得到下式：

上式中的最佳松弛因子ω₀取值由下式計算：

式中n、m分別是網格空間長寬的網格數。