閃電多點定位系統的開發與應用

蘇 偉 羅佳俊

（1. 天津市防雷中心，天津 300074；2. 深圳市盾牌防雷技術有限公司，深圳 廣東 518067）

閃電多點定位系統的開發與應用

蘇 偉1羅佳俊2

（1. 天津市防雷中心，天津 300074；2. 深圳市盾牌防雷技術有限公司，深圳 廣東 518067）

介紹開發閃電多點定位系統思路和框架結構，并提供核心源代碼。該系統可對閃電定位系統監測到的閃電資料進行處理后存儲于SQL2000數據庫中，通過程序調用數據將閃電數據重新定位于地理信息地圖中。該系統的開發與應用對于多個相同類型的大型建設工程、重點工程、爆炸和火災危險環境、人員密集場所的雷擊風險評估、雷電分布規律和雷災事故調查具有重要的作用。

閃電監測；地理信息系統；多點定位

閃電是一種重要的災害性天氣現象[1]。由于閃電產生的瞬時放電電流強度大，常常對地面設施造成影響，嚴重的甚至發生人員傷亡事故，同時閃電放電時產生的強大電磁場對電子信息系統、易燃易爆場所等構成嚴重威脅。因此，對閃電進行準確的定位和監測就顯得非常必要。隨著我國雷電監測預警網的建立和不斷完善，閃電同其它氣象現象如氣溫、氣壓、風速風向、濕度等一樣，已經可以實現全自動、連續性地記錄監測，對于研究雷電時空分布規律、閃電參量的測量研究和采取有效措施減輕雷電災害具有重要的價值。

現有雷電監測系統的圖形顯示終端雖然具有閃電數據查詢功能，并與GIS信息結合在一起，但是滿足不了雷電監測服務的實際需要，如不能對多個項目周圍的雷電同時進行同時統計分析、不能對直觀地看出不同統計半徑范圍內雷電分布狀況等。因此，本文以雷電監測系統獲取的閃電資料為基礎，結合GIS系統，介紹閃電多點定位系統的開發與應用，從而更好地服務于防雷減災和風險評估。

1 閃電定位監測系統介紹

雷電定位監測系統（Lightning Location System，LLS）基于當代雷電物理研究成果，采用衛星同步對時技術（GPS）、地理信息系統（GIS）和雷電遙測、波形傳播延時處理以及超量程計算技術，結合“時間到達＋定向”綜合定位模型，實時計算顯示云對地雷擊的發生時間、位置、雷電流幅值和極性、回擊次數、每次回擊的參數，并以雷擊點的分時彩色圖清晰地顯示雷暴的運動軌跡[2]。LLS是一套全自動、大面積、高精度、實時雷電監測系統，是當代雷電探測和雷電預警領域的高新技術。

目前國際上應用的閃電定位監測系統主要由三大類[3]，一類是磁方向定位法（DMF），一類是時差定位法（TOA），另外一類是時差方向混合定位法（IMPACT），也是目前國內閃電定位監測系統采用的定位方法。從監測的數據看，定位方法有二站時差法、三站時差測向法、四站算法三種。國內常用的兩種閃電定位監測系統為中國科學院空間科學與應用研究中心的ADTD型和中國華云公司的LD-II型兩種。兩者均可以監測到的閃電數據有時間、經度、緯度、強度、陡度、誤差、定位方式、省、市、縣等參數。

2 閃電多點定位系統的構架

考慮到各個地方的氣象部門只擁有所在地區的閃電資料，為了便于管理閃電數據，提高數據的存儲和調取速度，本系統采用客戶機/服務器（Client/Server，C/S）模式，它是一種分布式系統結構。客戶機通過互聯網獲取國家雷電監測預警中心的閃電數據，并存儲到本地服務器的閃電信息數據庫中，客戶機具備一定的數據處理功能，用戶在客戶機端對服務器閃電信息數據庫中的閃電數據進行調閱統計，同時調取本地的 mapinfo和 GISmap地圖，并在客戶端的顯示器上顯示定位圖形，從而達到客戶端共享數據和單獨分析處理數據的目的。本系統適合于局域網絡或者氣象系統的內部網絡專線，提高了數據庫的安全性和訪問速度。該系統基于VB.NET語言程序開發，采用的定位軟件為 MapX 5.0，地圖包為 GISmap，數據庫軟件 SQL2000，服務器系統Windows server 2003，系統結構圖如圖1所示。

圖1 系統結構

3 閃電多點定位系統的開發

本文以中國氣象局國家雷電監測預警網監測到的閃電數據為基礎，介紹兩種閃電多點定位系統的思想和核心代碼。但是本系統可以兼容 ADTD和LD-II兩種系統監測的雷電數據。兩種閃電多點定位分別為同點不同半徑的多點定位和不同點相同半徑的多點定位，用于對某一點周圍不同半徑的雷電時空分布特征分析和項目類型相同、半徑相同而位置不同的周圍雷電時空分布特征。除了閃電定位在GIS系統上外，還統計出某段時間內每個點任意半徑范圍內總地閃次數、雷擊大地密度、正閃次數、最大正閃、最小正閃、正閃比例、平均正閃、負閃次數、最大負閃、最小負閃、負閃比例和平均負閃等數據，并可查看每一次地閃的詳細參數。

3.1 同點不同半徑的多點定位功能實現

本功能實現的重點在于選擇了閃電信息數據庫，確定評估對象的經緯度后，能夠篩選出某個時間段和半徑內的閃電記錄數據，并將閃電數據轉換為正閃符號“+”和負閃符號“-”，同時顯示在GIS地圖上，所有的正、負閃電均落在以經緯度定位點為圓心的一個圓內，并將該圓在地圖上畫出。另外，將符合條件的閃電資料進行統計分析，自動計算出總地閃次數、雷擊大地密度、正閃次數、最大正閃、最小正閃、正閃比例、平均正閃、負閃次數、最大負閃、最小負閃、負閃比例和平均負閃等數據。同時，可以預覽符合條件的篩選出來的閃電數據，并導出為 EXCEL文件。當半徑發生變化而評估點和時間段固定時，不同半徑范圍內的閃電信息將全部顯示在GIS地圖上，并自動完成上述統計計算功能。

1）篩選數據

篩選數據的要點在于計算閃電信息數據庫中指定時間段內的每條閃電記錄中經緯度與指定點經緯度之間的距離，當距離小于或等于半徑 r時，符合要求，當距離大于半徑 r時不符合要求。后臺數據庫數據逐行查詢和符合半徑范圍內的數據篩選核心代碼如下：

2）正、負地閃在GIS地圖上的顯示

該功能的要點在于在地圖上創建一個臨時層，并通過函數將正、負閃電記錄轉換為圖片顯示在臨時層。當輸入多個半徑時，分別創建不同的臨時層。核心代碼如下：

3）閃電資料統計

本功能的重點在于區分正、負閃電的數量及幅值大小等，核心代碼如下：

3.2 不同點相同半徑的多點定位功能實現

該功能與同點不同半徑的多點定位功能的區別在于，多點定位可以保存項目，將多個屬性相同的項目分別同時定位在地圖上，并對閃電資料進行統計定位。閃電信息數據篩選、統計、定位與同點不同半徑的多點定位功能類似，再次不在列舉代碼。新建不同點相同半徑的多點定位功能核心代碼如下：

4 閃電多點定位系統的應用

本應用以中國石化股份公司天津分公司100萬t/年乙烯及配套項目和天津京津塘高速公路 3個收費站為例，分別分析2011年內不同半徑及相同半徑內的閃電時空分布規律。

圖2 閃電多點定位系統界面

4.1 閃電信息數據庫的鏈接

閃電信息數據庫是該系統用于存儲、調閱閃電數據的重要后臺處理平臺。該平臺采用SQL2000作為數據庫，具有存儲數據大、速度快的特點。用戶通過本軟件的數據庫設定功能，可以很方便的將數據庫連接上，從而實現數據庫與客戶端的數據交換。設定數據庫連接的界面如圖3所示。

4.2 同點不同半徑的多點定位功能應用

以中國石化股份公司天津分公司 100萬 t/年乙烯及配套項目為例，分析2011年全面附近3～5km范圍內的落雷概況，并統計出以下參數。

圖3 數據庫的設定與連接

表1 中心經緯度117.4096，38.82432011年3～5km范圍內閃電數據統計

中國石化股份公司天津分公司100萬t/年乙烯及配套項目2011年內的閃電數據查詢統計如表1所示。

圖4 經緯度117.4096，38.82432011年3～5km范圍內閃電定位

4.3 不同點相同半徑的多點定位功能

該功能對于屬性相同、地理位置不同的大型項目、重點項目和易燃易爆項目等的閃電定位監測具有重要的意義。對大型項目的閃電狀況進行閃電定位監測，必要時結合大氣電場監測系統發布雷電預警，并對大型項目，易燃易爆項目和人員密集場所進行雷電專項服務。

表2 京津塘高速公里收費站3公里范圍落雷數據統計表（取三個站為例）

圖5 京津塘高速公里收費站3km范圍閃電定位

5 結論

該軟件通過測試，可以穩定地運行在Windows XP和Windows 7系統中，并且可以實現預期的功能。全面地統計閃電數據并分析其活動規律，對于防雷減災工作意義重大。閃電多點定位系統的開發和應用為防雷減災工作尤其是雷擊風險評估工作提供了可靠的閃電數據和直觀閃電分布規律，為決策者快速做出科學決策、提高公共服務水平具有重要的作用。

[1] 周后福. 安徽省雷電監測預報及風險評估[M]. 合肥：中國科技大學出版社, 2010.

[2] 朱義東，邵寶珠，凌立平. 雷電定位系統在遼寧電網的應用[J]. 東北電力技術, 2009(12): 24-26.

[3] 梁華，徐志龍，馬良，等. 淺談LD-Ⅱ型時差法雷電定位系統[J]. 氣象水文海洋儀器, 2009(2): 67-69.

Development and Application of Lightning Location System

Su Wei1 Luo Jiajun2
(1. Tianjin Lightning Protection Center , Tianjin 300074;2. Shenzhen DOWIN Lightning Technologies Co., Ltd, Shenzhen, Guangdong 518067)

Introduces the thinking and the framework of developing the lightning location system,and provide the core source code. This system can be used for storing the lightning data in the SQL2000database which from the lightning location system to monitor, and according the program calls the data to put lightning data relocation to geographic information map. The development and application of the system plays an important role in the same type of large construction projects, key projects, explosion and fire hazardous environment, personnel intensive places risk assessment of lightning, thunder and lightning disaster distribution accident investigation.

lightning monitoring; geographic information system; multi point positioning

蘇 偉（1960-），男，高級工程師，主要研究方向：雷電監測預警與風險評估。