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基于DBSCAN与网格搜索的雷电定位算法

梁丽 雷勇 张帅弛 李涛 庞文静 王志超

梁丽, 雷勇, 张帅弛, 等. 基于DBSCAN与网格搜索的雷电定位算法. 应用气象学报, 2019, 30(3): 267-278. DOI: 10.11898/1001-7313.20190302..
引用本文: 梁丽, 雷勇, 张帅弛, 等. 基于DBSCAN与网格搜索的雷电定位算法. 应用气象学报, 2019, 30(3): 267-278. DOI: 10.11898/1001-7313.20190302.
Liang Li, Lei Yong, Zhang Shuaichi, et al. Lightning location algorithm based on DBSCAN and grid search. J Appl Meteor Sci, 2019, 30(3): 267-278. DOI:  10.11898/1001-7313.20190302.
Citation: Liang Li, Lei Yong, Zhang Shuaichi, et al. Lightning location algorithm based on DBSCAN and grid search. J Appl Meteor Sci, 2019, 30(3): 267-278. DOI:  10.11898/1001-7313.20190302.

基于DBSCAN与网格搜索的雷电定位算法

DOI: 10.11898/1001-7313.20190302
资助项目: 

科技部重大仪器专项 2014YQ110787

详细信息
    通信作者:

    雷勇, 邮箱:leiyongly@126.com

Lightning Location Algorithm Based on DBSCAN and Grid Search

  • 摘要: 定位精度是评价雷电定位网络的重要指标之一,定位算法直接影响雷电探测结果的精度。雷电监测系统探测数据误差不可避免,传统定位算法不具备抗误差干扰能力,迭代计算易发散,定位结果精度不高。为了满足实际应用需求,提出一种新的雷电定位算法DG-LLA(DBSCAN and grid-search lighting location algorithm),在定位计算中引入DBSCAN(density-based spatial clustering of applications with noise)方法与网格搜索方法。通过仿真与国家雷电监测网实际定位结果对比分析定位算法性能。结果表明:到达时间差(time difference of arrival,TDOA)法和Taylor级数展开法定位误差较大,仿真区域的均方根误差分别为982 m和668 m;定位中引入DBSCAN方法后,均方根误差明显减小为406 m,引入DBSCAN方法和网格搜索方法后,均方根误差减小为349 m;在相同回击数据条件下,算法DG-LLA与国家雷电监测网相比定位数量更多,回击数据的利用率从43.4%提升到51.5%,新增定位结果周围雷达回波特征较强,定位精度更高。
  • 图  1  DG-LLA算法流程

    Fig. 1  Flow of DG-LLA algorithm

    图  2  雷击实例聚类结果

    Fig. 2  Clustering results of lightning case

    图  3  不同方法定位误差分布对比

    (a)TDOA法,(b)Taylor级数展开法,(c)DBSCAN,(d)DG-LLA

    Fig. 3  Comparison of location error distribution

    (a)TDOA method, (b)Taylor series expansion method, (c)DBSCAN, (d)DG-LLA

    图  4  定位均方根误差与时间标准差关系曲线

    Fig. 4  Root mean square error of lightning location and time standard deviation

    图  5  2018年8月1日地闪次数分布对比

    (a)正地闪,(b)负地闪

    Fig. 5  Daily distribution of cloud-to-ground lightning on 1 Aug 2018

    (a)positive cloud-to-ground lightning, (b)negative cloud-to-ground lightning

    图  6  2018年8月1日正地闪空间分布对比

    (a)国家雷电监测网,(b)DG-LLA

    Fig. 6  Distribution of positive cloud-to-ground lightning on 1 Aug 2018

    (a)national lightning monitoring network, (b)DG-LLA

    图  7  2018年8月1日负地闪分布对比

    (a)国家雷电监测网,(b)DG-LLA

    Fig. 7  Distribution of negative cloud-to-ground lightning on 1 Aug 2018

    (a)national lightning monitoring network, (b)DG-LLA

    图  8  2018年8月1日09:00—16:00湖北地闪空间分布对比

    Fig. 8  Distribution of cloud-to-ground lightning in Hubei during 0900-1600 BT 1 Aug 2018

    图  9  2018年8月1日湖北地闪定位结果和雷达组合反射因子

    Fig. 9  Cloud-to-ground lightning location results and radar combined reflectivity factor in Hubei on 1 Aug 2018

    表  1  人工触发闪电回击定位结果对比

    Table  1  Comparison of location results of artificially triggered lightning return stroke

    闪电 到达时间/s 探测站大地坐标 国家雷电监测网 DG-LLA
    定位结果 误差/m 定位结果 误差/m
    1 0.0857547 23.183°N,114.288°E 23.640°N, 113.594°E 133.58 23.638°N, 113.596°E 66.79
    0.0858466 24.670°N,113.608°E
    0.0858582 23.630°N,112.435°E
    0.0859659 22.275°N,113.567°E
    2 0.6785874 23.630°N,112.435°E 23.637°N, 113.416°E 204.38 23.637°N, 113.563°E 156.69
    0.6785959 23.183°N,114.288°E
    0.6786434 24.670°N,113.608°E
    0.6787589 22.275°N,113.567°E
    0.6789672 24.423°N,111.508°E
    3 0.4382787 23.1833°N,114.2880°E 23.640°N,113.595°E 122.45 23.638°N, 113.596°E 89.06
    0.4383708 24.6704°N,113.6080°E
    0.4383826 23.6304°N,112.4349°E
    0.4384902 22.2750°N,113.5670°E
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    表  2  不同探测站数量的定位对比

    Table  2  Comparison of location under different number of stations

    探测站数量 国家雷电监测网 DG-LLA
    定位
    数量
    参与定位回击
    数据数量
    定位结果与探测站
    间的平均距离/km
    定位
    数量
    参与定位回
    击数据数量
    定位结果与探测站
    的平均距离/km
    3站 26604 79812 159.66 37610 112830 148.26
    4站 18594 74376 183.45 25275 101100 172.16
    4站以上 60042 306210 271.21 69018 414108 242.23
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    表  3  2018年8月1日湖北区域雷达组合反射率因子叠加对比

    Table  3  Comparison of regional radar combination reflectivity factor in Hubei on 1 Aug 2018

    时间 区域范围 组合反射率因子
    平均值/dBZ
    定位结果次数
    国家雷电监测网 DG-LLA
    09:10 29°~30°N, 109°~110°E 19.8 4 8
    10:40 29°~30°N, 110°~111°E 20.6 1 10
    11:50 29°~30°N, 109°~110°E 15.2 7 16
    14:20 29°~30°N, 113°~114°E 42.7 12 45
    15:10 29°~30°N, 110°~111°E 26.5 6 23
    15:40 29°~30°N, 110°~111°E 32.3 4 18
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  • [1] 李京校, 扈海波, 樊荣, 等.雷电监测预警对雷击风险评估的影响分析.气象科学, 2013, 33(6):678-684. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/qxkx201306013
    [2] 林辉, 谭涌波, 马宇翔, 等.雷暴云内电荷水平分布形式对闪电放电的影响.应用气象学报, 2018, 29(3):374-384. http://qikan.camscma.cn/jams/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20180311&flag=1
    [3] 王洪涛, 王洪梅, 马启明.一种基于抗差估计的TDOA无线定位方法.科学技术与工程, 2008, 8(4):917-920. doi:  10.3969/j.issn.1671-1815.2008.04.013
    [4] 赵文光, 陈家宏, 张勤, 等.新的雷电综合定位系统的定位计算.高电压技术, 1999, 25(4):66-68. doi:  10.3969/j.issn.1003-6520.1999.04.027
    [5] 方姝, 倪育德, 刘逸, 等.基于最小二乘与Taylor级数展开的新型混合定位方法.计算机工程, 2015, 41(6):316-321. doi:  10.3969/j.issn.1000-3428.2015.06.057
    [6] 杨俊峰, 张丕状.基于Chan算法和Taylor级数混合算法的到达时差定位.核电子学与探测技术, 2013, 33(4):480-482;526. doi:  10.3969/j.issn.0258-0934.2013.04.020
    [7] 郭福成.基于多级网格搜索的固定单站无源定位方法.信号处理, 2008, 24(6):927-930. doi:  10.3969/j.issn.1003-0530.2008.06.009
    [8] 胡志祥, 赵文光, 文银平, 等.雷电定位计算的粒子群优化方法.华中科技大学学报, 2011, 39(4):129-132. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HZLG201104040.htm
    [9] 郭小红, 赵雪松, 朱永利, 等.基于改进果蝇优化算法的雷电定位研究.电测与仪表, 2016, 53(16):5-10. doi:  10.3969/j.issn.1001-1390.2016.16.002
    [10] 刘达新, 来志云, 吉平, 等.能抵抗粗差的雷电定位算法研究与仿真.科学技术与工程, 2013, 13(28):8399-8403. doi:  10.3969/j.issn.1671-1815.2013.28.031
    [11] 李双庆, 慕升弟.一种改进的DBSCAN算法及其应用.计算机工程与应用, 2014, 50(8):72-76. doi:  10.3778/j.issn.1002-8331.1212-0093
    [12] 钟丹星, 邓新蒲, 周一宇.一种基于WGS-84地球面模型的卫星测时差定位算法.宇航学报, 2003, 24(6):569-573. doi:  10.3321/j.issn:1000-1328.2003.06.005
    [13] 曾辉, 曾芳玲, 杨景曙, 等.一种辅助纬度信息的空间三站时差定位算法.中国电子科学研究院学报, 2010, 5(3):243-247. doi:  10.3969/j.issn.1673-5692.2010.03.005
    [14] 王丽娜, 许朴, 谢亚琴.基于WSRFCM聚类的局部离群点检测算法.微电子学与计算机, 2015(10):129-133. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/wdzxyjsj201510027
    [15] 钟丹星, 邓新蒲, 周一宇.一种基于WGS-84地球面模型的卫星测时差定位算法.宇航学报, 2003(6):569-573. doi:  10.3321/j.issn:1000-1328.2003.06.005
    [16] 夏鲁宁, 荆继武.SA-DBSCAN:一种自适应基于密度聚类算法.中国科学院研究生院学报, 2009, 26(4):530-538. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/zgkxyyjsyxb200904015
    [17] 谭涌波, 张鑫, 向春燕, 等.建筑物上侧击雷电的三维数值模拟.应用气象学报, 2017, 28(2):227-236. http://qikan.camscma.cn/jams/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20170210&flag=1
    [18] 刘岩, 李征, 程向阳, 等.LD-2和ADTD型闪电定位资料的对比分析.南京信息工程大学学报(自然科学版), 2015, 7(4):380-384. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-NJXZ201504012.htm
    [19] 赵伟, 姜瑜君, 童杭伟, 等.浙江省两套闪电定位系统地闪数据对比.应用气象学报, 2015, 26(3):354-363. http://qikan.camscma.cn/jams/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20150311&flag=1
    [20] 王丽娜, 莫月琴, 陶法, 等.气象常用表(第三号)可照时数订正.太阳能学报, 2018, 39(11):3014-3021. http://www.cqvip.com/QK/95586X/201811/6100003508.html
    [21] 张志孝, 郑栋, 张义军, 等.闪电初始阶段和尺度判别方法及其特征.应用气象学报, 2017, 28(4):414-426. http://qikan.camscma.cn/jams/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20170403&flag=1
    [22] 刘恒毅, 董万胜, 张义军.云闪K过程的三维时空特征.应用气象学报, 2017, 28(6):700-713. http://qikan.camscma.cn/jams/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20170606&flag=1
    [23] 王婷波, 郑栋, 周康辉, 等.暴雨和雹暴个例中闪电特征对比.应用气象学报, 2017, 28(5):568-578. http://qikan.camscma.cn/jams/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20170505&flag=1
    [24] 姜睿娇, 董万胜, 刘恒毅, 等.雷暴中双极性窄脉冲事件的位置与辐射强度.应用气象学报, 2018, 29(2):177-187. http://qikan.camscma.cn/jams/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20180205&flag=1
    [25] 武斌, 张广庶, 文军, 等.闪电初始预击穿过程辐射脉冲特征及电流模型.应用气象学报, 2017, 28(5):555-567. http://qikan.camscma.cn/jams/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20170504&flag=1
    [26] 孟青, 樊鹏磊, 郑栋, 等.青藏高原那曲地区地闪与雷达参量关系.应用气象学报, 2018, 29(5):524-533. http://qikan.camscma.cn/jams/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20180502&flag=1
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-12-06
  • 修回日期:  2019-03-14
  • 刊出日期:  2019-05-31

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