基于多目标追踪算法的北海高影响区域雷暴路径分类及特征分析.pdf
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1、0引言雷暴是热带和温带地区常见的局地性强对流天气,雷暴发生时可伴随雷击、闪电、强风和强降水等恶劣天气,是我国最大的灾害性天气之一。北海市为广西强雷区,每年强雷天气可造成大量的人员伤亡和财产损失1-2。雷暴路径是反映某一区域雷电活动规律的主要内容之一,雷暴移动路径的分类对研究雷暴生成、发展、消亡等过程具有指导意义3-4。天气雷达是监测雷暴活动的重要手段之一,通过算法识别雷达资料中的暴风单体,然后通过外推其运动路径得到预测结果是雷暴临近预报常用的方法5-6。也有学者选取闪电定位数据进行雷暴路径特征分析,例如崔雪东等7通过密度极大值快速搜索算法和Kalman滤波算法识别追踪雷暴路径。近年来,机器学习
2、在气象领域研究中得到广泛应用。潘巧等8利用各类雷暴追踪算法进行雷暴识别研究,解决无法区分不同单体、识别结果过于零散等问题。FMM(FiniteMixture Model)算法即有限混合模型算法,是利用混合多项式回归模型拟合曲线的形状和长度,通过分析其相似度进行聚类,属于空间数据挖掘中聚类算法的分支。研究表明,采用该算法对天气系统路径进行聚类分析能达到良好的效果9-12。本文选取20182023年的二维、三维雷电定位数据和广西雷达组合反射率产品,提出一种基于YOLOv7目标检测算法的雷暴识别方法,并结合 DeepSORT多目标追踪算法进行目标追踪,将目标检测和目标跟踪分离,以此提高雷暴单体识别的
3、精度和雷暴路径追踪的准确性。通过FMM算法对北海市雷暴路径进行客观分类,着重分析各类路径的时空变化规律,可在一定程度上避免主观误差,丰富雷暴研究的技术手段。本文旨在进一步探索影响北海市高影响区域的不同路径雷暴的气候特征,可为雷电监测预警及防灾减灾工作提供参考。1数据和方法1.1数据来源统计雷暴过程采用的是广西壮族自治区防雷中心提供的2018年1月1日至2023年8月31日的二维雷电定位数据(广西ADTD二维闪电定位系统,建于2009年,仅含地闪,不含云闪)、三维雷电定位数据*广西重点研发计划项目“基于机器学习的雷暴灾害性天气预警技术研究及智慧城乡服务示范”(桂科AB20238035);广西气象
4、科研计划项目“北部湾及其沿海区域夏季雷暴活动特征研究”(桂气科2023M10);广西壮族自治区气象灾害防御技术中心科研计划项目“基于多源数据融合的雷暴天气智能分类识别技术研究”(桂气防2021M03)。【作者简介】植耀玲,女,广西桂林人,硕士,任职于广西壮族自治区气象灾害防御技术中心,高级工程师,从事雷电监测预警、专业气象服务工作;周利发,男,广东汕头人,硕士,任职于广西电力职业技术学院,助理研究员,从事人工智能教学工作;卢炳夫,男,广西都安人,本科,任职于广西壮族自治区气象灾害防御技术中心,高级工程师,从事雷电预警、专业气象服务工作;黄丹,女,广西南宁人,硕士,任职于广西壮族自治区气象灾害防
5、御技术中心,工程师,从事雷电监测预警、专业气象服务工作;伍华丽,女,广西北流人,硕士,任职于广西壮族自治区气象灾害防御技术中心,工程师,从事专业气象服务工作;吴浙,男,广西南宁人,本科,任职于广西壮族自治区气象灾害防御技术中心,从事雷电监测预警、防雷检测服务工作;毛秋菊,女,广西浦北人,本科,任职于北海市气象局,从事气象服务工作。【引用本文】植耀玲,周利发,卢炳夫,等.基于多目标追踪算法的北海高影响区域雷暴路径分类及特征分析 J.企业科技与发展,2023(10):35-38.基于多目标追踪算法的北海高影响区域雷暴路径分类及特征分析*植耀玲1,周利发2,卢炳夫1,黄丹1,伍华丽1,吴浙1,毛秋菊
6、3(1.广西壮族自治区气象灾害防御技术中心,广西 南宁 530022;2.广西电力职业技术学院,广西 南宁 530007;3.北海市气象局,广西 北海 536006)摘要:文章利用二维、三维雷电定位数据和广西雷达组合反射率产品,综合YOLOv7算法与DeepSORT算法,设计一套冷启动方式下的雷暴路径自动识别方法,对雷暴进行识别和追踪;通过FMM(Finite Mixture Model)聚类算法将影响北海市的雷暴路径确定为5类,统计分析不同类型路径雷暴的时空分布特征。研究结果表明:各类路径的频次和月份分布存在显著差异,第一类西南东北向雷暴频次最高,第五类南北向雷暴频次最低;各类雷暴路径多发生
7、在白天时段;闪电密度分布与主要影响北海市的雷暴路径分布区域基本一致。关键词:多目标算法;雷暴路径;路径分类中图分类号:X43文献标识码:A文章编号:1674-0688(2023)10-0035-04企业科技创新植耀玲,周利发,卢炳夫,等.基于多目标追踪算法的北海高影响区域雷暴路径分类及特征分析35(广西雷电综合监测网,建于2016年,含地闪及云闪)和广西雷达组合反射率产品。1.2过程筛选与技术方法1.2.1定义标准(1)高影响区域:将北海市行政区域边界的外接矩形外扩15 km得到的矩形区域。(2)高影响区域雷暴过程:在影响区域内生成、发展、成熟或消散的雷暴过程,并且该过程需持续20min以上,
8、若目标分析区域只有消散过程,则可能是该过程短暂而被遗漏。(3)过程雷暴路径:把雷暴初生、发展、消散过程中雷达回波组合反射率最高值移动路径作为雷暴路径,利用逐6 min一次的雷达组合反射率产品统计雷暴高影响区域内每隔1218 min对应的雷达回波高组合反射率的质心连线及其移动方向。1.2.2冷启动下的雷暴路径自动识别追踪方法针对雷达加闪电数据视频序列中可能无法识别不同雷暴单体、识别结果过于零散及无法追踪等问题,本文结合YOLOv7算法与DeepSORT算法提出一种冷启动方式下的雷暴路径自动识别追踪方法。该方法将雷暴质心识别与追踪相结合,通过引入 YOLOv7算法识别检测雷暴中心,提高识别的精度,
9、将雷暴质心移动的方向差因素加入DeepSORT算法关联代价中,实现雷暴中心的目标追踪。雷暴路径自动识别追踪方法的具体步骤(如图1所示)如下:首先利用 DarkLabel视频标注软件对目标区域2022年6月至2023年6月的历史雷暴数据进行逐帧框选标注冷启动方式,制作MOT(多目标追踪)数据集格式作为训练集;其次使用YOLOv7算法训练出能识别雷暴质心位置的模型,引入多目标算法中的DeepSORT对剩余数据的雷暴质心进行连续追踪,进而绘制出近6年的雷暴移动路径;最后使用FMM聚类算法对路径进行聚类,得到雷暴路径的类型。图1雷暴路径自动识别追踪方法的具体步骤1.2.3雷暴过程训练集选取标准雷暴过程
10、训练集选取标准如下:过程当日三维闪电日频次高于 1 000次;过程当日二维闪电日频次高于100次;过程中雷达回波组合反射率持续18 min(连续 4帧)高于 35 dBz;过程中连续 6 min内,三维闪电频次大于5次。2雷暴路径绘制及聚类2.1雷暴过程路径绘制(1)单一路径绘制。确定路径起始点,用实心点和编号标记,沿着路径每隔1218 min(23帧)以实心圆标记雷暴发生区域质心,用黑色实线依次连接实心圆,在雷暴消散区或高影响区域边界用箭头标记代表雷暴消散或路径越过高影响区域的位置及方向。(2)多路路径绘制。对于多路路径汇成一路路径的绘制,分别绘制多路路径的起始点,用实心点和同一编号标记,多
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