申请/专利权人：青岛市生态与农业气象中心(青岛市气候变化中心)

申请日：2023-12-27

公开（公告）日：2024-03-22

公开（公告）号：CN117473877B

主分类号：G06F30/27

分类号：G06F30/27;G06F17/11;G06F18/243;G06N5/01;G01R29/08;G01W1/00;G06F111/08

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.03.22#授权;2024.02.20#实质审查的生效;2024.01.30#公开

摘要：本发明公开了一种基于静止卫星数据的闪电三维辐射源位置反演方法，涉及闪电辐射源特征参量反演领域，包括利用匹配的组多维度特征数据、三维辐射源位置数据和选取的静止卫星气象观测数据建立地基卫星同步观测数据集；使用机器学习方法，利用地基卫星同步观测数据集进行训练，选择误差最小的模型作为最终的闪电三维辐射源位置反演模型；将和模型训练中采用的特征量对应的静止卫星新数据输入到闪电三维辐射源位置反演模型中，得到闪电三维辐射源位置。本发明利用静止卫星数据实现了对三维辐射源位置更高精度的反演。

主权项：1.一种基于静止卫星数据的闪电三维辐射源位置反演方法，其特征在于，利用静止卫星多源数据实现闪电三维辐射源位置反演，包括：步骤1，利用选取的静止卫星气象观测数据以及相互匹配的组多维度特征数据和三维辐射源位置数据建立地基卫星同步观测数据集；步骤2，将步骤1中地基卫星同步观测数据集按7:3分为训练集和验证集，基于机器学习算法，进行训练，选择误差最小的模型作为最终的闪电三维辐射源位置反演模型；步骤3，将和模型训练中采用的特征量对应的静止卫星新数据输入到步骤2所得的闪电三维辐射源位置反演模型，得到闪电三维辐射源位置；所述步骤1中静止卫星气象观测数据选取过程包括：步骤a，建立可以同时考虑闪电光源结构和云的不规则形状与不均匀特性的闪电光辐射传输优化模型；步骤b，通过步骤a中优化后的闪电光辐射传输模型提取影响闪电光辐射特征的因素，按因素确定静止卫星气象观测数据；所述步骤a具体包括：闪电光辐射传输模型采用MonteCarlo方法，对闪电光源释放的每一个光子在云中与云粒子多次碰撞散射的全过程进行模拟，不断重复直到达到设定好的模拟光子数；其中对单个光子的模拟过程为：赋予光子一个初始权重值，根据光子所在位置的特性计算其下一步的散射方向和距离，逐步跟踪其散射路径，并在每次散射发生之前产生一个0到1之间的随机数与单次散射反照率ω0进行比较，当随机数小于1-ω0时认为光子被吸收；当光子被吸收或从云中逸出时模拟过程终止，记录光子的位置及状态信息后开始对下一个光子的模拟；通过下式计算光子每次的散射方向和距离，散射方向由散射相函数pμ确定： 其中，g表示不对称因子,是所有散射角的平均值，与波长和云粒子的大小相关；μ＝cosα，α表示光子传输的散射角； 其中，α表示光子传输的散射角；r表示均匀分布在0到1之间的随机数；s＝-lnr·Λ其中，s表示光子在两次散射过程间行进的距离；Λ表示光子在云中的平均自由程； 其中，a表示云中粒子平均半径，N表示粒子平均数浓度；为考虑闪电光源结构，让闪电光辐射传输模型可加载的光源形式包括点光源和线光源；其中线光源为一系列的点光源间隔一定距离组成，组成线光源的每个点光源平分发射的总光子，从而实现光源在空间上的延伸；为考虑云的不规则形状与不均匀特性，利用边长为200m的立方体网格组成任意形状的三维云；每个小立方体内云的性质相同，按照需要给每个小立方体赋予不同参数值来表现云的不均匀性，向小立方体添加的参数来源于对云的实际观测数据，且符合云水粒子通常的分布趋势；所述步骤b具体包括：在优化的闪电光辐射传输模型中通过控制变量的方法，研究不同的光源的形状、位置、云几何形状、云不均匀性和观测角度对闪电光辐射特征的影响，并对影响程度大的那些因素进行提取；按照提取的影响因素选择与之相关静止卫星气象观测数据类型，如云顶高度，云顶温度等；根据匹配的闪电的发生时间和位置以及确定使用的静止卫星气象观测数据类型，选取闪电周围100km*100km范围内同一时间的静止卫星气象观测数据；所述步骤1中将数据匹配的具体过程包括：将静止卫星闪电探测组数据对应的像元覆盖区域外延一个邻近和对角像素点，以外延后的区域为搜索区域寻找与静止卫星闪电观测数据相匹配的三维辐射源；匹配后得到的闪电发生位置和时间用于寻找静止卫星气象观测数据。

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