[发明专利]一种基于聚类的水文降雨一致区分析方法

说明书

本发明为一种基于聚类的水文降雨一致区分析方法，公开了一种基于雨量站降雨特征的降雨区域相似分析方法，首先分割日降雨量时间序列，提取单场降雨时间序列；然后选择和提取单场降雨特征向量，并对单场降雨特征进行标准化，并对单场降雨特征向量进行PCA变换，基于PCA变换特征值的贡献率保留单场降雨的主要特征，实现单场降雨特征的降维，然后基于改进K‑means聚类方法对单场降雨进行聚类，得到单场降雨类型；最后构造雨量站的降雨特征多元时间序列，基于S_PCA度量降雨特征多元时间序列的相似程度，从而建立雨量站相似模型。

技术领域

本发明涉及一种能够进行降雨区域相似的方法，具体是一种基于雨量站降雨特征的降雨区域相似分析方法，属于水文水资源和数据挖掘交叉的领域。

背景技术

降雨是水资源的主要构成之一，水资源是社会和经济发展的基础。为了进行流域水资源科学管理和调度，需要全面了解流域水资源现状，特别是降雨信息。目前我国大部分地区雨量站分布稀疏，虽然有3400多个国家级水文站点，但布局不甚合理，大多部署在经济发达地区。随着水利信息化的不断推进，新增设了许多雨量站，但由于许多雨量站设站时间较晚，部分站点降雨资料只有短短几年。为了更准确地获取基础水文数据，科学管理水资源，需要解决以下问题：第一、缺失资料站点的数据补齐。处于同一降雨一致区域内的站点之间的降雨数据可以互相补充，如A站点有20年的降雨数据，B站点有30年的降雨数据，若它们在近20年内的降雨类型相似，则B站可以补齐A站前 10年的数据；第二、站点的合理规划。去除旧的冗余站点，新增必须的测站。地理位置相近的两个站点若降雨相似度极高，则可以考虑去除其中的一个冗余站点(若两站点相似度很高但地理位置较远，一般不考虑去除冗余站点的问题)；第三，对相似类型的降雨站点进行分类，作为一个重要的参考依据，以便于对降雨站点进行统一有效的管理。

目前对降雨站点进行相似性几乎没有相关研究，也没有其他方式为水资源管理提供这方面的技术支撑。主要是在于如何对降雨数据进行科学地标准化并精确聚类，提供具有指导性的建议存在较大困难。

发明内容

发明目的：本发明提供一种基于聚类的水文降雨一致区分析方法，为补齐雨量站缺失数据，以及水文站点的合理布设提供科学依据。

技术方案：为了实现上述发明目的，本发明的一种基于聚类的水文降雨一致区分析方法包括如下步骤：

(1)对雨量站监测的汛期的日雨量时间序列，根据单场降雨分割规则进行分割，

获得单场降雨时间序列；

(2)统计所述单场降雨时间序列的特征量，获得单场降雨n维特征向量；

(3)对所述单场降雨n维特征向量进行主成份变换，保留特征值贡献率超过阈值

的p个维度，并向p维子空间重新投影，获得单场降雨p维特征向量；

(4)基于改进K-means方法对单场降雨p维特征向量进行聚类；

(5)基于雨量站所有汛期的降雨类型特征向量建立基于监测时间的降雨特征序列；

(6)采用相似度量建立相似性模型。

同一场降雨有一定的持续时间，不同的降雨场次之间有一个多日无雨的时间段(无雨期)，因此日降雨时间序列的数据是不连续的。为了分析各雨量站监测到的单场降雨的特征，需要将雨量站监测到的单场降雨量时间序列提取出来。根据实际的降雨观察，同一场降雨过程中，有可能某一天的降雨量有可能变小，甚至雨量可以忽略，但是从降雨的本质上来看，这一场雨实际上并没有结束，甚至存在一种情况，有连续两天由于雨量值实在太小，以至于难以观测到，但是这样的无雨间隔不会太长。所述单场降雨分割规则是将雨量监测站无降雨记录的间隔天数大于两天的相邻降雨记录为不同的单场降雨。