[发明专利]一种基于大数据的移动通信网降水分布及动态测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于大数据的移动通信网降水分布及动态测量方法，主要用于自动化气象探测中。

背景技术

降水的时空分布异常是引发洪涝灾害、山体滑坡、泥石流等自然灾害的重要因素，我国每年由洪涝灾害引发的直接经济损失超过千亿元，平均受灾人口超过1.2亿人。虽然雨量计、天气雷达和气象卫星等多种降水测量手段已经广泛应用，但是降水在城市、山区等重点区域存在极为复杂的时空变化，雨量计站点分布不均匀，即使在城市等站点相对密集的地区，仍难以监测到降水的精细时空变化；天气雷达在高仰角条件下只能测量到部分降水体或云体，在低仰角条件下易受地物回波影响，因而在城市和山区的测量效果有限；测雨卫星只能自上而下测量云顶或穿透云顶，与降落到地表附近的实际降水之间存在较大差别，难以根据回波反演准确的降水分布。目前来看，准确获取城市、山区等重点区域的高时空分辨率降水分布资料仍是降水测量的难点，尚未得到有效解决。

近年来气象领域的专家提出了利用微波通讯信号传播的衰减信息来反演降水的设想。当前大气层内广泛存在着不同频段、不同体制和不同应用的微波信号，但是微波信号在近地层大气中传播时会受到大气介质的影响而发生吸收、衰减、散射、极化以及传播路径的弯曲等，其中雨、雪等降水粒子对微波的影响尤为明显，这一影响在通讯领域是需要尽量避免并消除的。将其引入到气象应用中，微波在近地表传播可以保证电磁波与降水粒子直接作用，有效解决了扫描方式和地物影响等问题，根据降水粒子对微波传播路径上的衰减、极化等效应可以反演得到高时空分辨率的降水分布。

由于降水对高频微波的影响显著，目前相关研究大多利用高频微波链路反演降水。而实际上，低频微波也同样会受到降水的影响。移动终端所用频段为800MHz～2.1GHz，在该频段电磁波也同样受到降水的衰减、极化等影响，电磁波的衰减与降水强度存在一定的相关关系。在移动终端通讯网络中，移动终端基站一直在监测移动终端的接收功率，当大雨造成移动终端信号强烈衰减而影响通话时，会通过增大基站发射功率来提高信号 质量。目前移动终端信号以及广泛覆盖广大的城市和乡村地区，利用降水对移动终端信号的衰减影响，就可以测量降水的分布。目前利用移动终端进行气象服务主要分为两种：一是在智能移动终端上加装气象传感器，进行气象探测和信息服务(如CN201310084836.X)，额外加装气象传感器所获取的资料与专业气象探测资料在代表性、准确性和比较性上存在差异；二是利用移动终端的上网功能来接收气象局公布的气象实况和预报资料(如CN201320107347.7)，只能被动接收，用户无自主获取资料的能力。目前，移动终端已经遍布城市和乡村的各个角落，移动终端与基站之间的通信链路包含了丰富的气象信息，但是对这些海量数据的充分挖掘和应用尚未展开。在大数据时代利用移动终端信号的衰减信息进行气象探测和公共气象服务这一领域还是空白。

发明内容

本发明的目的是：提出一种基于大数据的移动通信网降水分布及动态测量方法，利用目前广泛分布的移动通信网，提取移动终端(手机)与基站之间信号传播的衰减信息，利用大数据分析和数据挖掘技术，建立移动终端信号衰减特征(包括但不限于衰减量值、时间、梯度和整体波动等)与降水的相关关系，从海量移动终端衰减特征中挖掘有效降水信息，并与雨量计资料、天气雷达资料进行融合分析，得到降水的区域分布及其动态变化。并通过可视化界面显示为公众提供公共气象服务。

本发明的技术方案为：一种基于大数据的移动通信网降水分布及动态测量方法，包括如下步骤：

(1)搭建连接移动终端基站的中心服务器，建立移动终端、基站与中心服务器之间数据通信的链路；

(2)实时采集各基站的发射功率P_station和基站接收到对应的各移动终端的功率P_phone；

(3)建立各移动终端与某基站的一一对应关系，基于此计算每个移动终端与基站通信之间的链路路径衰减ΔP_attenuation＝P_station-P_phone；

(4)基于地理信息系统(GIS)，计算移动终端及其对应基站的地理位置和相对距离，以基站发射功率为基准，计算自由空间传播损耗、建筑物、植被、不固定障碍等非气象因素引起每个移动终端信号的衰减ΔP_path；