一种基于几何形态与运动特征的加权台风相似度分析方法和系统与流程

本发明涉及防汛信息化及气象应用的，尤其是一种基于几何形态与运动特征的加权台风相似度分析方法和系统。

背景技术：

1、台风路径相似度研究是连接历史经验与未来预测的桥梁。通过突破传统方法的技术瓶颈，构建高精度、多场景的相似度评估体系，不仅能显著提升台风灾害的应对效率，更为构建“韧性城市”提供了关键技术支撑。未来，随着气象观测数据的高精度化与计算能力的提升，该领域将向实时化、智能化方向深入发展。目前的多数研究仅聚焦路径几何形态，缺少动态指标，在不同地方的可参考性偏弱。

2、目前，现有技术中通常通过提取台风路径的几何形状、曲率、方向角等静态特征，并结合最小距离法、hausdorff距离或动态时间规整算法来量化路径形态的相似性。 此外，也有基于gis（地理信息系统）的空间分析方法，通过计算台风可能登陆的海岸线范围来检索相似台风。

3、然而，现有的技术方案在实际应用中仍存在以下不足：

4、目前的多数研究及相关算法偏向于静态的路径形态分析，忽略了台风登陆时的动态属性（如登陆时的实时风速、移动矢量特征等），而这些属性在评估台风实际影响程度时是不可或缺的因素，导致匹配结果的可参考性偏弱；部分算法仅使用台风信息中的路径因子进行相似分析，具有一定的片面性，容易对相似台风的判断造成偏差，难以构建高精度的相似度评估体系；台风生成的路径通常较长，现有的全路径分析方法容易受到台风远洋阶段不确定因素的干扰；同时，由于台风路径点发布的时间频率不一，导致历史数据中路径节点时空分布不均匀，容易产生靠近陆地部分权重偏大的问题，从而影响分析结果的精确度。

5、因此，如何构建一种能够融合空间形态与登陆动态特征、且能精准聚焦台风核心影响时段的相似度分析方案，是当前构建“韧性城市”及提升气象灾害应对效率亟需解决的关键技术问题。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种基于几何形态与运动特征的加权台风相似度分析方法和系统，以解决上述技术问题。

2、根据本发明的第一方面，提出了一种基于几何形态与运动特征的加权台风相似度分析方法，包括：

3、s1：获取待分析台风与历史台风的最佳路径数据集，以及沿海登陆边界的地理信息；

4、s2：基于路径数据集与沿海登陆边界，确定待分析台风与历史台风的预计登陆点；

5、s3：以预计登陆点为基准，截取各台风路径中登陆前第一预设时长至登陆后第二预设时长的路径段，作为关键比对路径；

6、s4：根据关键比对路径，通过融合几何形态、累积距离及运动矢量特征，计算待分析台风与历史台风之间的空间形态相似度；

7、s5：基于预计登陆点的位置信息及登陆时的风速信息，计算登陆特征相似度；以及

8、s6：根据预设的权重比例，对空间形态相似度与登陆特征相似度进行加权求和，获得最终台风相似度评分。

9、在一些具体的实施例中，确定预计登陆点的方法包括：将路径数据集中的经纬度坐标转换为投影坐标，计算台风路径拟合线与沿海登陆边界线的交汇点坐标，作为预计登陆点。

10、在一些具体的实施例中，第一预设时长为72小时，第二预设时长为48小时。

11、在一些具体的实施例中，计算空间形态相似度包括：采用弗雷歇距离算法计算两条关键比对路径之间的几何形态相似度评分；采用动态时间规整算法计算两条关键比对路径之间的最小累积距离评分；采用余弦相似度算法计算两条关键比对路径中对应轨迹点的移动速度及方向角的运动特征相似度评分。

12、在一些具体的实施例中，空间形态相似度是通过对几何形态相似度评分、最小累积距离评分及运动特征相似度评分进行二次加权融合获得的。

13、在一些具体的实施例中，计算登陆特征相似度包括：采用距离反向加权算法对两条路径的预计登陆点间距进行归一化处理，计算登陆距离相似度；计算两条路径在预计登陆点的风速绝对差值，根据绝对差值构建风速相似度。

14、在一些具体的实施例中，最终台风相似度评分的计算公式为，其中，、、、、为对应的预设权重，且满足。

15、根据本发明的第二方面，提出了一种计算机可读存储介质，其上存储有一或多个计算机程序，该一或多个计算机程序被计算机处理器执行时实施上述的方法。

16、根据本发明的第三方面，提出了一种基于几何形态与运动特征的加权台风相似度分析系统，包括：

17、数据获取模块，配置用于获取待分析台风与历史台风的最佳路径数据集，以及沿海登陆边界的地理信息；

18、预计登陆点确定模块，配置用于基于路径数据集与沿海登陆边界，确定待分析台风与历史台风的预计登陆点；

19、关键路径截取模块，配置用于以预计登陆点为基准，截取各台风路径中登陆前第一预设时长至登陆后第二预设时长的路径段，作为关键比对路径；

20、空间形态相似度计算模块，配置用于根据关键比对路径，通过融合几何形态、累积距离及运动矢量特征，计算待分析台风与历史台风之间的空间形态相似度；

21、登陆特征相似度计算模块，配置用于基于预计登陆点的位置信息及登陆时的风速信息，计算登陆特征相似度；以及

22、加权评分模块，配置用于根据预设的权重比例，对空间形态相似度与登陆特征相似度进行加权求和，获得最终台风相似度评分。

23、在一些具体的实施例中，预计登陆点确定模块具体用于将路径数据集中的经纬度坐标转换为投影坐标，计算台风路径拟合线与沿海登陆边界线的交汇点坐标，作为预计登陆点。

24、在一些具体的实施例中，关键路径截取模块中，第一预设时长为 72 小时，第二预设时长为 48 小时。

25、在一些具体的实施例中，空间形态相似度计算模块包括：采用弗雷歇距离算法计算两条关键比对路径之间的几何形态相似度评分；采用动态时间规整算法计算两条关键比对路径之间的最小累积距离评分；采用余弦相似度算法计算两条关键比对路径中对应轨迹点的移动速度及方向角的运动特征相似度评分。

26、在一些具体的实施例中，登陆特征相似度计算模块包括：采用距离反向加权算法对两条路径的预计登陆点间距进行归一化处理，计算登陆距离相似度；计算两条路径在预计登陆点的风速绝对差值，根据绝对差值构建风速相似度。

27、在一些具体的实施例中，最终台风相似度评分的计算公式为，其中，、、、、为对应的预设权重，且满足。

28、本发明相对于现有技术，至少具有如下技术效果：

29、本发明提供的方法及系统显著提升了台风相似度评估的精确度与科学性，通过引入运动矢量特征和登陆时的动态物理指标，有效克服了传统算法仅聚焦路径几何形态而忽略动态属性的局限性。在空间形态相似度的计算中，融合了弗雷歇距离、动态时间规整以及基于余弦相似度的速度与方向角特征，使得模型不仅能识别路径形状的匹配，还能精准捕捉台风在移动过程中的动力特征差异。多维度的耦合分析确保了筛选出的相似台风在实际致灾影响上具有更高的适配度，为气象预测和历史案例匹配提供了更为严谨的量化依据。

30、此外，本发明通过创新的关键路径截取机制，将分析重点聚焦于台风登陆前后的核心时段，即通过截取登陆前72小时至登陆后48小时的路径段，有效排除了远洋阶段路径波动对相似度计算的冗余干扰。结合经纬度坐标向投影坐标的转换，本发明能够以极高的精度确定台风路径与海岸线的实际交汇点，从而在登陆距离的反向加权计算中获得更具科学性的地理空间指标。这种聚焦关键时空窗口的处理方式，不仅大幅度提高了计算效率，更显著增强了算法在不同地域场景下的防汛参考价值。

31、本发明构建的五因子加权评分体系，实现了几何形态、累积距离、运动特征、登陆位置及登陆强度五大核心维度的深度融合。通过灵活调整各相似度因子的权重比例，系统可以根据不同防御场景的需求进行精细化评估，确保最终产出的相似度评分能够全方位反映历史台风与待分析台风的关联性。这一方案不仅突破了传统技术单一维度的片面性，更为构建韧性城市提供了关键的技术支撑，通过科学、智能化的协同推理，显著提升了沿海地区应对台风灾害的决策时效性与量化分析能力。