1.一种三维闪电临近预测方法,其特征在于,包括:
构建目标区域的涵盖闪电活动空间范围的三维栅格;
将历史三维闪电定位数据映射到所述三维栅格中,得到历史三维闪电栅格数据;
基于所述历史三维闪电栅格数据,对计及空间特征变化的三维闪电临近预测模型进行训练;
利用训练完成的三维闪电临近预测模型进行三维闪电临近预测。
2.根据权利要求1所述的三维闪电临近预测方法,其特征在于,所述构建目标区域的涵盖闪电活动空间范围的三维栅格的具体步骤包括:根据目标区域的经度范围和纬度范围确定三维栅格在经纬度所在平面的栅格范围,并基于栅格单元的长度和宽度,划定三维栅格在经纬度所在平面的分布,其中,经度上的总栅格数记为Nlon,经度上的行索引记为col_index,纬度上的总栅格数记为Nlat,纬度上的列索引记为row_index;
根据目标区域的高度范围、栅格单元的高度,确定三维栅格在高度方向上的分布,栅格的高度层总数记为Nlay,高度层索引记为height_index;
由此形成三维栅格Nlon×Nlat×Nlay。
3.根据权利要求2所述的三维闪电临近预测方法,其特征在于,所述将历史三维闪电定位数据映射到所述三维栅格中,得到历史三维闪电栅格数据的具体步骤包括:对历史三维闪电定位数据以一定时间步长划分成时间上连续的若干条历史三维闪电定位数据序列;
利用每条历史三维闪电定位数据序列中的高度数据、经度数据和纬度数据进行三维栅格的高度层索引、经纬度所在平面上的行索引以及列索引的映射,对三维栅格中存在闪电发生的栅格单元进行用于表示闪电发生的数据映射操作以及用于表示闪电对周侧区域影响的数据增强操作,由此得到记录有闪电发生高度层索引、行索引以及列索引以及栅格单元值的历史三维闪电栅格数据。
4.根据权利要求3所述的三维闪电临近预测方法,其特征在于,所述用于表示闪电发生的数据映射操作的具体步骤包括:逐条地对所述历史三维闪电定位数据序列,将每次闪电发生位置对应三维栅格中的映射位置(height_index,row_index,col_index)的栅格单元值增加1。
5.根据权利要求3所述的三维闪电临近预测方法,其特征在于,所述用于表示闪电对周侧区域影响的数据增强操作的具体步骤包括:逐条地对历史三维闪电定位数据序列,对于发生位置对应三维栅格中的映射位置的栅格单元及其周围的栅格单元进行中心点处理和邻近点处理;
所述中心点处理的具体方法为:将闪电发生所在栅格单元作为中心栅格单元使其值在原有基础上增加1,以标记该位置的闪电发生;
所述邻近点处理的具体方法为:将中心栅格单元周围的栅格单元作为邻近栅格并使其值在原有基础上增加1。
6.根据权利要求1所述的三维闪电临近预测方法,其特征在于,所述计及空间特征变化的三维闪电临近预测模型采用三维卷积神经网络3DAttUnet‑GAN,所述三维卷积神经网络
3DAttUnet‑GAN以Unet神经网络模型为基础,将其中的二维卷积操作拓展为三维卷积操作,并引入注意力机制,结合生成对抗网络形成;所述三维闪电临近预测模型包括3DAttUnet编码‑解码结构和生成对抗网络,生成对抗网络的生成器为3DAttUnet编码‑解码结构,判别器为二分类网络;所述生成器对输入数据进行特征编码与解码并生成预测结果;所述生成对抗网络根据生成器生成的预测结果结合真实数据输入至判别器,由判别器输出的真实性评估结果训练生成器。
7.根据权利要求6所述的三维闪电临近预测方法,其特征在于,所述3DAttUnet编码‑解码结构包括编码器、解码器和注意力机制模块;编码器部分包含5层三维卷积模块构成,每层使用深度可分离三维卷积,Relu激活函数,并集成注意力机制模块和最大池化层;
解码器部分采用三线性插值或反卷积进行上采样操作,通过逐层恢复输入特征的空间和时间分辨率,使用深度可分离三维卷积并结合注意力模块进一步增强特征;
注意力机制模块包括时序注意力、通道注意力和空间注意力,时序注意力应用于时间序列,捕捉时间序列中的动态变化;通道注意力应用于高度层,动态地调整高度层的重要性;空间注意力应用于每一高度层的平面空间,自适应地调整每个高度层的空间位置权重。
8.根据权利要求1所述的三维闪电临近预测方法,其特征在于,所述基于所述历史三维闪电栅格数据,对计及空间特征变化的三维闪电临近预测模型进行训练的具体步骤包括:将历史三维闪电栅格数据按8:2的比例划分为训练集和测试集,其中训练集再按8:2的比例进一步划分为训练子集和验证子集;
在模型训练过程中,设置时间戳文件,将三维闪电栅格数据形成长度为20个时间步长的连续滑动时间数组,即利用前10个时间步长的数据预测后10个时间步长的数据,并通过学习率、数据批处理规模和损失函数的优化调整,提高模型对闪电聚集区域的关注度,同时使用验证集进行验证;
利用测试集进行推理预测,并多个评价指标对训练完成的模型的预测精度进行评估。
9.根据权利要求1所述的三维闪电临近预测方法,其特征在于,还包括对三维闪电临近预测结果进行可视化处理,对应生成具有闪电发生频率标记和空间特征标记的三维立体图和由三维闪电临近预测结果俯视图、正视图和侧视图组成的三视图。
10.一种三维闪电临近预测系统,其特征在于,包括:三维栅格构建模块、三维闪电栅格数据构建模块、模型训练模块和预测模块;
所述三维栅格构建模块,用于构建目标区域的涵盖闪电活动空间范围的三维栅格;
所述三维闪电数据构建模块,用于将历史三维闪电定位数据映射到所述三维栅格中,得到历史三维闪电栅格数据;
所述模型训练模块,用于基于所述历史三维闪电栅格数据,对计及空间特征变化的三维闪电临近预测模型进行训练;
所述预测模块,用于利用训练完成的三维闪电邻近预测模型进行三维闪电临近预测。