《基於最短路徑算法的路徑相似颱風分析方法》是福建四創軟體有限公司於2013年9月30日申請的專利，該專利的公布號為CN103500278A，申請公布日為2014年1月8日，發明人是洪水潔、黃敏。該發明涉及防汛信息化及氣象套用領域。
《基於最短路徑算法的路徑相似颱風分析方法》該方法通過內插算法，得出每條颱風路徑中均勻分部的關鍵路徑點，再基於關鍵路徑點，計算出不同颱風路徑間的最短偏差距離，從而得到地理空間上更為科學的分析最為相似的颱風路徑，更好的為防汛防台提供科學的技術支撐。
2017年12月11日，《基於最短路徑算法的路徑相似颱風分析方法》獲得第十九屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《基於最短路徑算法的路徑相似颱風分析方法》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：基於最短路徑算法的路徑相似颱風分析方法
- 申請人：福建四創軟體有限公司
- 申請日：2013年9月30日
- 申請號：2013104569784
- 公布號：CN103500278A
- 公布日：2014年1月8日
- 發明人：洪水潔、黃敏
- 地址：福建省福州市閩侯縣上街鎮科技東路福州高新區海西高新技術產業園創業大廈9、10層
- 分類號：G06F19/00(2011.01)I、G01W1/10(2006.01)I
- 代理機構：福州元創專利商標代理有限公司
- 代理人：蔡學俊
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
中國在歷經幾十年的防台抗災中，各地防汛、氣象單位積累了大量關於颱風的路徑資料、歷史資料，這些資料在防台抗災中發揮了一定的作用。這些積累的颱風特徵參數資料雖然比較齊全，但比較分散，當前基本是通過設計單一的颱風查詢界面來查詢對應颱風編號的資料，在查詢分析、檔案搜尋、颱風對比分析上比較麻煩，在具體的防台工作中時效性差。颱風的數據在現實中具有較強的關聯性，因此有必要對這些資料進行數位化關聯分析，通過計算颱風相似的方式實現相似颱風的信息查詢，從而為防台抗災指揮決策提供更好的服務，將防汛防台工作提高到一個較高的信息化、科學化的水平，提升防汛防台工作的快速反應能力。
在颱風相似路徑分析中，2013年9月之前的有一些相似的分析方法，分析的原理更多是基於數據上的查詢功能，比如風力、風速數據在一定範圍區間的，地圖上經緯度數據在一定範圍區間的。該分析在套用上可以達到一定的作用，但是對分析結果上，計算方法偏單一，沒有深入挖掘其颱風路徑上的分析計算方式，路徑分析結果有待進一步加強。
先前《基於GIS的颱風相似路徑空間分析套用方法》（發明（設計）人：湯成鋒，分類號：G01W1/10（2006.01）I）提出了基於GIS的相似路徑空間分析方法，但是該方法仍然是基於颱風歷史路徑點的分析。因為颱風路徑點發布的時間頻率隨著颱風相對陸地的距離會發生變化，整條路徑中歷史路徑點的分別不均勻，導致靠近陸地部分的權重偏大，從而影響了分析結果。
發明內容
專利目的
該發明的目的是提供一種基於最短路徑算法的路徑相似颱風分析方法，能有效的得出最為相似的颱風路徑，為防汛防台提供科學的技術支撐。
技術方案
《基於最短路徑算法的路徑相似颱風分析方法》其特徵在於包括以下步驟：
步驟S01：確定颱風分析計算的地理空間格線力度：根據颱風路徑的經緯度數據值，生成對應的路徑過程線圖，並在過程線的範圍內按照一預定度數為單位區間的格線力度，作為最短路徑計算的基礎依據；
步驟S02：通過格線內插方法計算出颱風路徑節點與格線上的所有交叉點集，通過格線化處理，計算與格線交叉點集，沒有在格線上有交叉的不納入計算範圍；
步驟S03：將角度範圍為與正北方向正負偏差33.75度，稱為縱向區間；通過計算颱風路徑節點間的角度來確定颱風移向，首先，建立交叉點的方向坐標；其次，判斷移動方向與正北方向的夾角是否大於33.75度，以此來確定是以經度格線上的交叉點為關鍵路徑點，還是以緯度格線上的交叉點為關鍵路徑點；
步驟S04：通過遍歷計算每個線段上的交叉路徑點後，計算得到關鍵路徑點集，並得到每個關鍵路徑點的距離差；如果是緯度上的關鍵路徑點，通過計算當前颱風和歷史颱風通過這些特徵經度線時的緯度值，距離差設為Yi，則：Yi=歷史颱風緯度值–當前颱風緯度值。如果是經度上的關鍵路徑點，則：Yi=歷史颱風經度值–當前颱風經度值；
步驟S05：將所有關鍵路徑點上的距離累計和用∑Yi表示，每兩號颱風間的最短距離差都有一個∑Yi；用平均距離1/n∑Yi的大小來衡量每個颱風的路徑相似度。
在該發明一實施例中，所述格線內插方法的計算方式如下：
假設路徑節點A（x1,y1）和路徑節點B（x2,y2）通過差值計算得到該線段的交叉點集P2，P3，P3（x,y）在A和B的連線上，則： 
；
若已知x的值，得： 
；
若已知y的值，得： 
；
P3在歷史路徑與經線格線的交叉點上，因此已知P3的經度坐標x，通過公式計算，可以得出P3的緯度坐標y，同理計算對應得到P2的經緯度值。
在該發明一實施例中，所述步驟S05後根據1/n∑Yi與相似度對應表來確定路徑間的相似度值，即：1/n∑Yi為50千米、100千米、200千米、350千米分別依次對應的相似度為：95%、90%、80%、70%。
改善效果
《基於最短路徑算法的路徑相似颱風分析方法》通過內插算法，得出每條颱風路徑中均勻分部的關鍵路徑點，再基於關鍵路徑點，計算出不同颱風路徑間的最短偏差距離，從而得到地理空間上更為科學的分析最為相似的颱風路徑，由於颱風路徑的走勢具有很強的相似性，通過對颱風路徑上的關鍵節點計算出最短路徑，分析出路徑最為相似的颱風，通過相似度將颱風間建立關聯，並通過該關聯快速查詢出相似路徑的颱風歷史資料及災害影響資料，為當前颱風未來的走勢分析提供了科學依據。
附圖說明
圖1是該發明最短路徑算法計算過程示意圖。
圖2是該發明P3點坐標系示意圖。
圖3是該發明P1點坐標系示意圖。
權利要求
1.《基於最短路徑算法的路徑相似颱風分析方法》其特徵在於包括以下步驟：
步驟S01：確定颱風分析計算的地理空間格線力度：根據颱風路徑的經緯度數據值，生成對應的路徑過程線圖，並在過程線的範圍內按照一預定度數為單位區間的格線力度，作為最短路徑計算的基礎依據；
步驟S02：通過格線內插方法計算出颱風路徑節點與格線上的所有交叉點集，通過格線化處理，計算與格線交叉點集，沒有在格線上有交叉的不納入計算範圍；
步驟S03：將角度範圍為與正北方向正負偏差33.75度，稱為縱向區間；通過計算颱風路徑節點間的角度來確定颱風移向，首先，建立交叉點的方向坐標；其次，判斷移動方向與正北方向的夾角是否大於33.75度，以此來確定是以經度格線上的交叉點為關鍵路徑點，還是以緯度格線上的交叉點為關鍵路徑點；
步驟S04：通過遍歷計算每個線段上的交叉路徑點後，計算得到關鍵路徑點集，並得到每個關鍵路徑點的距離差；如果是緯度上的關鍵路徑點，通過計算當前颱風和歷史颱風通過這些特徵經度線時的緯度值，距離差設為Yi，則：Yi=歷史颱風緯度值–當前颱風緯度值；
如果是經度上的關鍵路徑點，則：Yi=歷史颱風經度值–當前颱風經度值；
步驟S05：將所有關鍵路徑點上的距離累計和用∑Yi表示，每兩號颱風間的最短距離差都有一個∑Yi；用平均距離1/n∑Yi的大小來衡量每個颱風的路徑相似度。
2.根據權利要求1所述的基於最短路徑算法的路徑相似颱風分析方法，其特徵在於：所述格線內插方法的計算方式如下：
假設路徑節點A（x1,y1）和路徑節點B（x2,y2）通過差值計算得到該線段的交叉點集P2，P3，P3（x,y）在A和B的連線上，則： ；
若已知x的值，得： ；
若已知y的值，得：；
P3在歷史路徑與經線格線的交叉點上，因此已知P3的經度坐標x，通過公式計算，可以得出P3的緯度坐標y，同理計算對應得到P2的經緯度值。
3.根據權利要求1所述的基於最短路徑算法的路徑相似颱風分析方法，其特徵在於：所述步驟S05後根據1/n∑Yi與相似度對應表來確定路徑間的相似度值，即：1/n∑Yi為50千米、100千米、200千米、350千米分別依次對應的相似度為：95%、90%、80%、70%。
4.根據權利要求1所述的基於最短路徑算法的路徑相似颱風分析方法，其特徵在於：所述預定度數為0.1度。
實施方式
參照圖1，該發明的基於最短路徑算法的路徑相似颱風分析方法，計算實現包括以下步驟：
（1）確定颱風分析計算的地理空間格線力度；
根據颱風路徑的經緯度數據值，生成對應的路徑過程線圖，並在過程線的範圍內按照一預定度數為單位區間的格線力度，作為最短路徑計算的基礎依據。如示意圖中的格線化處理。該實施例中，較佳的，該預定度數為0.1度。
（2）利用內插方法計算出颱風路徑與格線的交叉點；
通過內插方法，計算出路徑節點與格線上的所有交叉點集，通過格線化處理，計算與格線交叉點集，沒有在格線上有交叉的不納入計算範圍，這樣內插計算有利於解決颱風歷史數據中路徑節點時空分布不均勻的問題，使要計算各路徑點的權重分配平均，相似分析效果更好。如示意圖上，路徑節點A和路徑節點B通過差值計算得到該線段的交叉點集P2，P3。
格線內插計算方式如下：
歷史路徑點A（x1,y1）、B（x2,y2），內插點P3（x,y）在A和B的連線上。則： ；
若已知x的值，得： ；
若已知y的值，得： ；
P3在歷史路徑與經線格線的交叉點上，因此已知P3的經度坐標x，通過公式計算，可以得出P3的緯度坐標y。同理計算對應得到P2的經緯度值。其他路徑線段同樣方式計算。
（3）通過颱風移向計算確定需要納入最短路徑計算的關鍵路徑點；
取N（北）、NNW（北北西）、NNE（北北東）為偏北走向，角度範圍為與正北方向正負偏差33.75度，稱為縱向區間。通過計算颱風路徑節點間的角度來確定颱風移向，首先，建立交叉點的方向坐標，其次，判斷移動方向與正北方向的夾角是否大於33.75度，以此來確定是以經度格線上的交叉點為關鍵路徑點，還是以緯度格線上的交叉點為關鍵路徑點。如圖2所示：P3點建立方向坐標系，AB線與P3的坐標交叉，不落在P3的縱向區間內，則P3的點為經度上的關鍵路徑點。如圖3：P1點建立方向坐標系，CD線與P1的坐標交叉，落在P1的縱向區間內，則P1的點為緯度線上的關鍵路徑點。
（4）計算關鍵路徑點上的距離差；
通過遍歷計算每個線段上的交叉路徑點後，計算得到關鍵路徑點集，並得到每個關鍵路徑點的距離差。如果是緯度上的關鍵路徑點，通過計算當前颱風和歷史颱風通過這些特徵經度線時的緯度值，距離差設為Yi，則：Yi=歷史颱風緯度值–當前颱風緯度值。如果是經度上的關鍵路徑點，則：Yi=歷史颱風經度值–當前颱風經度值。
（5）計算颱風路徑上所有關鍵路徑點的距離平均值，並確定相似度值。
所有關鍵路徑點上的距離累計和用∑Yi表示，每兩號颱風間的最短距離差都有一個∑Yi。這樣就可以用平均距離（1/n∑Yi）的大小來衡量每個颱風的路徑相似度，並通過如下對應表來算出路徑間的相似度值。確定相似度值後即可通過列表方式可以直觀在展示界面上過濾出相似度達95%的颱風路徑列表，並可直接查詢到該颱風的相關路徑資料和災害資料。
1/n∑Yi | 50千米 | 100千米 | 200千米 | 350千米 |
相似度 | 95% | 90% | 80% | 70% |
榮譽表彰
2017年12月11日，《基於最短路徑算法的路徑相似颱風分析方法》獲得第十九屆中國專利優秀獎。
