1、闪电定位密度数据泰森多边形优化方法 冯真祯 张烨方 郑栋栋 张泉峰 杨超 福建省防雷中心 福建省龙海市气象局 福建省三明市气象局 厦门市防雷中心 摘 要： 从识别、修订闪电定位监测数据异常值、提高闪电定位监测产品准确度的目的出发, 以闪电定位栅格密度图为研究对象, 结合人工观测雷电日数据及国内外对小电流幅值闪电数据剔除的研究成果, 引入泰森多边形、数据分布假设检验、异常值 (五数概括) 处理算法等模型, 建立了可用于判别和优化闪电定位监测数据栅格密度异常值的方法, 以福建省为例, 对该方法进行了实例应用。结果表明, 在福建省西、北部区域, 闪电定位监测数据存在一定探测误差或数据丢失的情况, 并
2、使用人工观测雷电日数据对这些异常值所在的区域进行了修订, 该方法适用于闪电定位仪覆盖数量较少区域的闪电定位监测数据异常值识别与优化应用。关键词： 闪电定位; 人工观测雷电日; 异常值处理; 泰森多边形; 作者简介：冯真祯, 女, 1986 年生, 硕士, 工程师, 主要从事雷电灾害风险评估与雷电监测预警工作, Email:收稿日期：2016 年 12 月 16 日基金：福建省气象局青年科技专项项目 (2017Q13) 资助Distributional Optimization of Lightning Location Density Grid DataFeng Zhenzhen Zhang
3、Yefang Zheng Dongdong Zhang Quanfeng Yang Chao Fujian Lightning Protection Center; Longhai Meteorological Service; Sanming Meteorological Service; Xiamen Lightning Protection Center; Abstract： With the purpose of distinguishing and revising the abnormal values of lightning location data and improvin
4、g the accuracy of lightning location products, this study uses such methods as the Tyson polygon, the hypothesis test of data distribution, abnormal values (with the Five-Number Summary) to establish a technique that associates with the manual observation of lightning days to distinguish the abnorma
5、l grid data of lightning density location on the lightning positioning gird density map.The application case of Fujian Province is discussed.The results show that there are certain detection errors or data loss of lightning location data in the northern and western parts of Fujian Province;the corre
6、ction is conducted in the areas with unusual values by the artificial observation of lightning data;the method can be used in the areas with less lightning location instruments to distinguishes and optimizes the abnormal values of lightning location data.Keyword： lighting positioning; lightning obse
7、rvation; outlier processing algorithm; Thiessen polygon; Received： 2016 年 12 月 16 日引言闪电是严重的气象灾害之一, 对闪电进行科学的监测与分析是防御闪电灾害的重要环节。近年来, 我国各省市逐渐开始布设和使用闪电定位系统来进行闪电观测, 闪电定位系统是通过测量闪电辐射的声、光、电磁场信息, 确定闪电发生时间、放电的空间位置和放电参数的雷电探测技术1-3。在目前的探测环境与技术下, 受限于气象、地理、电磁环境、计算模式等因素的影响, 闪电定位系统的闪电监测数据存在一定的偏差, 不少研究人员发现了这个问题并做了误差的分
8、析与研究。如张其林等4利用场地误差优化模式对甘肃省平凉地区地闪定位资料进行了误差分析及优化处理;田芳等5采用剔除不可靠观测记录以及用回击、电流处理方法修正江苏电力部门闪电记录;笔者在工作过程中也发现了福建省闪电定位探测数据存在无法用物理模型来解释的偏差或异常。在闪电定位监测数据误差处理技术上, 目前主要有场地误差优化模型4, 对闪电回击及电流进行处理5, 基于闪电定位时差法原理的定量修订模式6, 基于目测、多普勒雷达、其他部门闪电定位系统比对7等方法。如何对闪电定位数据进行修订是提高闪电定位资料实际应用效果的重要内容。泰森多边形是美国气候学家 A.H.Thiessen 提出的一种根据离散分布气
9、象站的降雨量来计算平均降雨量的方法, 目前广泛被应用于站点数据向面域数据优化和修订的工作中, 如方慈安等8利用泰森多边形对流域面雨量计算方法做了研究, 朱求安等9对地形要素日降水量空间插值方法做了研究, 该方法是将所有相邻气象站连成三角形, 作这些三角形各边的垂直平分线, 每个气象站周围的若干垂直平分线便围成一个多边形, 用这个多边形内所包含的一个唯一气象站的降雨强度来表示这个多边形区域内的降雨强度, 并称这个多边形为泰森多边形, 泰森多边形的特性是多边形内的点到相应离散点的距离最近。本文以实际工作中较常使用的闪电定位密度分布图绘制为例, 从数理统计分析异常值处理的角度出发, 结合地理信息处理
10、技术, 引入人工观测雷电日对应的年雷击大地密度进行泰森多边形处理, 将得到的数据与闪电定位数据进行比较, 根据异常值处理模型挖掘出其中存在的不合理或误差较大的栅格数据 (而非原始闪电定位数据) 并进行优化替代, 生成新的闪电定位密度分布图, 实现基于数理统计模式及地理信息技术的闪电定位异常值处理模型。1 数据处理1.1 处理流程数据处理流程如图 1 (彩页) 所示, 选取研究区域某年各观测站点年总雷电日数据为样本, 将年总雷电日数值转换为年雷击大地密度, 以观测站点经纬度为位置坐标, 年雷击大地密度为 Z 值, 运用 Arcgis Thiessen Polygon 算法对年雷击大地密度进行泰森
11、多边形处理, 生成面矢量格式的地理信息数据, 再利用Arcgis To Raster 算法将矢量格式数据按 0.020.02转换为栅格格式数据。选取研究区域某年闪电定位探测数据库为样本, 考虑到闪电定位数据中一些小电流幅值的闪电数据可能是云闪的情况10, 在使用闪电定位数据进行计算前应先对数据中的小电流数据进行剔除处理。目前国内外多数研究认为小于 10kA的闪电数据比较可能是云闪的情况, 栾健等11对重庆地区 19992008 年闪电定位资料进行研究发现, 剔除 5kA 以下的闪电数据可以得到对数正态分布的最佳拟合效果, 程辉等12对福州地区 20072012 年闪电定位资料进行研究发现该剔除
12、区间在 01kA 时得到最佳拟合效果, 而 IEEE 工作组建议在应用闪电定位资料时, 可以不考虑 02kA 之间的数据10。综合考虑了各个研究成果及建议, 认为处理福建省闪电定位数据时可剔除电流幅值在 02kA 之间的数据, 以保证闪电定位数据在实践应用中的准确性, 在此基础上运用 Arcgis 生成 Fishnet 矢量网格, 通过连接的方式将处理后的闪电数据附加到 Fishnet 中, 利用 Arcgis To Raster 算法将 Fishnet 矢量格式数据按 0.020.02转换为栅格格式数据。将得到的两个栅格文件进行栅格减法计算, 生成两个栅格文件差值的新栅格文件, 对这些栅格点
13、 Z 值数据的概率分布情况进行假设检验, 以决定后面我们采取哪种异常值的剔除方法来处理数据。如果数据服从正态分布, 则使用伊拉达准则13来进行数据异常值的提取;如果数据不服从正态分布, 则以数据差值大于四分位点的样本来表征异常值的数据14。1.2 年总雷电日泰森多边形处理闪电人工观测雷电日一般是以县域为一个数值单位, 实际应用中某个地理点的闪电人工观测数值也是按照该地理点所属的行政区域县来选择。闪电人工观测数据的记录, 是以观测者是否听到雷声来判断的, 观测站能否识别到雷声与人的辨识能力、当时的天气及周围环境因素有关, 国外科学研究表明, 听力好的人可以听到 20km 以外的雷声, 听力不好的
14、人连 5km 处发生的雷声都听不到15。在观测站一定距离范围内, 闪电人工观测雷电日的数值可以较客观地表达范围内的闪电活动规律, 但当地理点处于县域边缘, 周边有多个临县的闪电人工观测数据时, 使用距离该地理点最近的闪电人工观测数值来代表其雷电活动规律应该是更为科学的方法。按照上述原则, 文章选用泰森多边形的思想, 将闪电人工观测点在平面上进行泰森多边形处理, 可以保证区域内任意一个点可以使用到最近气象台站的人工观测数据, 减少因行政区域对人工观测数据的影响。1.3 数据异常值剔除在闪电定位系统使用之前, 人工观测雷电日是反应雷电活动的重要参数15, 多年的研究与应用表明, 人工观测雷电日具有
15、较为科学的准信度, 通过泰森多边形的处理后, 基本消除了地域因素对人工观测雷电日的影响, 因此选择人工观测雷电日作为判断闪电定位系统观测数据偏差, 如果某个栅格内的闪电定位观测数据与人工观测雷电日数值相差太大, 即可以认为该栅格内的闪电定位观测数据存在较大偏差。在应用数理统计中, 有多种用来处理异常值的算法, 一般是要求先对样本数据的分布情况进行检验, 当样本或经过变换的样本服从正态分布时, 可选用伊拉达等异常值剔除方法, 当样本不服从正态分布时, 可以选择五数概括、Walsh 检验方法来剔除异常值14。所谓“五数”是指中位数, 上、下四分位数和上、下极值, 要识别数据中的异常值, 就要有对于
16、异常值不敏感的展布度, 而且仅强调数据中心部分的行为而不强调极端值, 所以选择四分展布而不选极差与标准差。这种方法简单易操作, 对大样本检验功效较高, 但对小样本则略显粗糙11。而文章涉及分析的闪电定位与人工观测差值的样本量足以满足大样本的需求 (30 样本数) , 故而选用分位数的方法来剔除异常值。2 应用结果分析以福建省 20042008 年闪电定位监测数据, 福建省 20042008 年各县市气象台站年总雷电日观测数据为例进行分析。图 2 (彩页) 为没有进行异常值剔除前根据福建省 20042008 年闪电定位监测数据绘制得到的密度图, 从图 2 可看出, 福建省闪电活动主要集中在中东部
17、位置泉州、莆田、南平中部区域, 福建省省域边界位置, 特别是龙岩、三明等福建西南部位置的闪电活动较少。而袁铁、郄秀书利用卫星观测到的我国闪电活动的时空分布特征11以及林秀芳、游立杭等人利用福建省 19612007 年各县市雷电日观测数据分析得到的福建省雷电活动规律表明, 福建省西部 (南平、三明、龙岩) 以及中部 (泉州) 是雷电活动较为频繁的区域, 东部沿海活动则较弱, 图 3 (彩页) 为采用泰森多边形处理过的 20042008 年总雷电日对年雷击大地密度分布图, 其分布情况也与文献14、15的结论较为一致。结合地理信息处理技术将图 2、图 3 转换为栅格数据, 并进行栅格数据的差值计算,
18、 将得到的差值样本进行偏峰度检验法无法通过正态分布假设, 采用五数概括的上四分位点法筛选出差值栅格数据中偏差较大的异常数据 (图 4, 彩页) , 对异常数据栅格 Z 值按图 1 流程进行替换, 得到如图 5 (彩页) 所示的优化后的闪电密度图。由于是以栅格为异常值的处理单位, 判定为异常值的栅格表明该栅格内的闪电定位计算得到的闪电活动密度与人工观测雷电日对应的密度在数值上差别较大, 可以理解为栅格所在位置有很多闪电没有探测到, 因此判定为异常值, 而不是指该栅格内的闪电定位记录有异常, 故而在处理这些异常栅格数值时, 采用闪电定位观测与人工雷电日计算得到雷击密度的平均值来代替异常栅格的雷击密
19、度值, 既可以保留原有闪电定位探测数据的信息, 也可以利用人工观测雷电日对这些异常数值进行一定的修正。图 5 为优化后的福建省 20042008 年闪电活动密度图, 图中闪电活动较为密集的区域为泉州、南平以及龙岩、三明西部等地区, 沿海一线的闪电活动密度较弱, 这与文献16、17的研究结果较为一致, 文章采用的筛选异常栅格并与人工观测雷电日进行融合的处理方法在一定程度上减少了因闪电定位探测误差导致某些区域雷电密度与实际情况有出入的错误, 由图 4 也可以看出, 异常栅格主要分布在福建省西部、北部的边界区域, 这些边界区域的一个特点就是被有效范围闪电定位仪所覆盖的数量较少, 可能存在部分闪电没有
20、被闪电定位仪所探测记录下来的情况, 而福建省中东部区域由于覆盖的闪电定位仪较多18-19, 因此探测得到的闪电定位监测数据与人工观测雷电日的结果相差较为一致, 不会存在如图 4 所示栅格的较大数值差异。3 结论与讨论针对实际业务应用过程中发现的闪电定位监测数据栅格密度图存在异常的问题, 引入泰森多边形、应用数理统计等模型, 建立了可用于闪电定位监测数据异常值识别与修订的方法, 以福建省 20042008 年的数据为例对该方法进行了实例应用, 在地理信息处理平台上得到了福建省闪电定位监测数据栅格密度图在福建省西、北部等边界区域存在异常值的结论, 并结合人工观测雷电日数据对这些异常值做了融合与优化
21、, 弥补了这些区域闪电定位监测数据密度分布异常的情况, 新生成的“闪电定位+人工观测雷电日栅格密度图”相比于原有闪电定位栅格密度图, 在人工观测与闪电定位自动监测数据的差值上达到了尽可能的统一, 减少了因闪电定位监测误差引起的不同观测方法在同一参量 (闪电密度) 上存在的差异, 实现闪电自动监测与人工观测数据的融合应用。所讨论的模型 (方法) 以及针对福建省某年的分析结论, 可以被应用在闪电定位仪的布局设计、闪电定位探测效率评价、闪电定位数据前端处理以及其他与闪电定位监测数据栅格密度图有关的业务产品当中, 对一些闪电定位仪有效覆盖距离较少的区域, 可用于调整和优化这些区域闪电定位监测数据可能存
22、在异常值的情况, 提高闪电监测数据的准确性。本文对异常值的评判上主要依靠于应用数理统计学科对异常值的处理算法, 这些异常值区域的辨识仅具有其统计学上的意义, 如何通过物理的模式, 从探测与闪电定位计算过程的角度出发来挖掘异常值是后期待研究的内容, 也是提高闪电定位监测数据精度的重要手段。图 1 基于泰森多边形等的模型闪电定位数据栅格密度分布优化方法流程 下载原图图 2 优化前福建省 20042008 年闪电定位密度 下载原图图 3 泰森多边形处理后的福建省 20042008 年闪电人工观测密度 下载原图图 4 异常数据 (红点处) 位置分布 下载原图本文仅使用了福建省 5 年的闪电定位监测数据
23、作为示例, 在数据计算量上还不够达到得到普遍结论的要求, 在将来的应用中需引入大数据对模型 (方法) 、结论进行验证。在闪电定位监测异常值栅格数据的修订上, 使用了人工观测与闪电定位监测数值取平均的方式, 对于逼近实际栅格真实值上显得略为不足和粗糙, 这需要在以后的研究中做进一步的探讨和优化。图 5 优化后的福建省 20042008 年闪电密度 下载原图参考文献1张烨方, 冯真祯, 王颖波, 等.基于 GIS 的网格化雷电灾害风险评估模型及其应用J.气象科技, 2016, 44 (1) :142-147. 2殷娴, 尹丽云, 许迎杰, 等.云南省雷灾特征分析及灾情评估J.气象科技, 2013,
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