[发明专利]一种基于零位线的山区落雷点分布的预测方法

权利要求书

1.一种基于零位线的山区落雷点分布的预测方法，其特征在于，所述方法包括：

S1：对真实雷电图像进行预处理并识别雷电通道，提取图像中的雷电通道；

S2：将雷电先导每一步发展方向与上一步发展方向的角度差划分为十七种状态，对雷电通道进行统计分析，得到角度差与概率拟合曲线函数；

S3：通过MATLAB编程计算出山区地形下从雷电先导发展初始点到山体之间最强的场强方向，形成零位线；

S4：通过MATLAB编程，输入步长、角度差与概率拟合曲线函数和零位线，模拟出山区地形下的雷电通道模拟路径，结合蒙特卡罗法模拟出大量的雷击路径，得出落雷分布。

2.根据权利要求1所述的一种基于零位线的山区落雷点分布的预测方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：

利用加权平均值法对真实雷电图像进行灰度化，使图像背景部分与雷电通道像素的灰度值差距加大；

采用基于Otsu自适应阈值的Canny算子识别法对雷电通道进行识别，提取雷电通道，得到雷电通道图。

3.根据权利要求2所述的一种基于零位线的山区落雷点分布的预测方法，其特征在于，采用加权平均法，公式如下：

式中w_R、w_G、w_B分别为R、G、B的权值，在不同的取值下可形成不同的灰度图像。

4.根据权利要求1所述的一种基于零位线的山区落雷点分布的预测方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：

利用相邻路径之间的角度差进行雷电先导仿真模拟，对雷电通道的每一个步长区间内进行以直代曲处理，将原来的不规则曲线用直线代替；

将下一级步长与上一级步长之间的角度差以10度±5度为间隔划分为17个状态，统计出多个雷电通道的每级步长角度差；

最后将所有的数据整合，将角度差与其对应的出现概率进行拟合，得到角度差与概率拟合曲线函数。

5.根据权利要求4所述的一种基于零位线的山区落雷点分布的预测方法，其特征在于，所述拟合公式如下：

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分别为角度差和其对应的概率。

6.根据权利要求1所述的一种基于零位线的山区落雷点分布的预测方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：

利用超松弛迭代法，通过MATLAB编程计算，求出山区地形周围空间各点的场强，找出雷电先导过程中，雷电先导通道头部场强最大的方向，形成典型地形下的零位线。

7.根据权利要求6所述的一种基于零位线的山区落雷点分布的预测方法，其特征在于，对零位线的定义为山区地形下从雷电先导发展初始点到山体之间场强最强的路径，将雷云与山体之间的空间离散为一系列的等间距网格；确定整个空间中的电荷分布保持不变，雷电先导发展时每一步对应的空间电场都为静态场，则离散后的空间网格电位满足Poisson方程；上下边界条件满足第一类边界条件，上边界设置为雷云电位，下边界包括山体设置电位为0；网格的左右边界距离山体足够远，即左右边界满足Neumann边界条件；

上述空间网格中的每一个网格的电位φ_i,j通过求解离散拉普拉斯方程得到，离散后的计算公式为：

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取值由下式计算：

式中n、m分别是网格空间长宽的网格数。