專利名稱：海洋中尺度渦旋自動識別與過程重構(gòu)算法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種海洋中尺度渦旋自動識別與過程重構(gòu)的算法，屬于信息技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前基于海表面高度數(shù)據(jù)的海洋中尺度渦旋自動識別方法，主要有以下兩大類 一類是物理海洋參數(shù)法，另一類是幾何學(xué)方法。物理海洋參數(shù)法稱為Okubo-Weiss參數(shù)法(Okubo, 1970 ；Weiss, 1991)，傳統(tǒng)的 W參數(shù)法中對W計算采用的是『=《+民2 - ，其中Sn為張力的法向分量，Ss為張力的剪切分量，ω為流場的相對渦度。針對水平方向的海洋非輻散流，該公式可以簡化為 W = A{u2x+VxUy)其中u = -(g/f)hy，v= (g/f)hx，其中h是海表面高度異常，g是重力加速度，f是科氏力參數(shù)。W <0反映的是渦度比較強的區(qū)域。具體研究和實例可以在以下文獻(xiàn)中查至丨J [1] Isern-Fontanet, J. , E. Garcia-Ladona, and J. Font, Identification ofmarine eddies from altimetric maps,J. Atmos. Oceanic Technol. ,20,772-778,2003 ; [2]Morrow, R. , F.Birol, D. Griffin, and J. Sudre, Divergent pathways of cyclonic andanticyclonic ocean eddies, Geophys. Res. Lett. ,31, L24311. 2004 ; [3]Chelton, D. B. , M. G. Schlax, R. M. Samelson, and R. A. de Szoeke, Global observations of large oceanic eddies, Geophys. Res. Lett. ,34, L15606, 2007 ； [4]Henson, S., and A. C. Thomas, A census ofoceanic anticyclonic eddies in the Gulf of Alaska, Deep Sea Res. Part I，55，163-176，2008 ;[5]Xiu P, Chai F, Shi L, Xue H, Chao Y. 2010. A census of eddy activities in the South ChinaSea during 1993-2007. J. Geophys. Res. ,115 C03012,·2010。Okubo-Weiss參數(shù)法的特點是根據(jù)W值劃分渦旋核心，而且渦旋外圍只需要海表面高度數(shù)據(jù)即可確定。然而這種方法依然存在三個很重要的問題第一，此方法需要明確一個閾值來進(jìn)行渦旋的提取，而對于整個世界海洋范圍，并不存在統(tǒng)一的閾值標(biāo)準(zhǔn)，閾值設(shè)定得太高或者太低都會影響渦旋提取的效果；第二，此方法的計算易受SSH數(shù)據(jù)的噪音影響， 因為從公式上看，速度分量必須由SSH計算得到，每一級的微分以及系數(shù)加倍都會放大SSH 噪音的影響；第三，W值的閉合等值線所確定的渦旋內(nèi)部區(qū)域與SSH值的閉合等值線所確定的并不能夠普遍重疊。幾何學(xué)方法包括Wind-Angle (WA) Method (Chaigneau, s.，2008)與 SSH-based Method (Chelton, D. B，2011)。WA方法通過一個點來確定渦旋的中心，通過一條閉合的外廓連線來表示渦旋的邊界，從而表達(dá)一個完整的渦旋結(jié)構(gòu)。外廓線內(nèi)部的所有點都屬于此渦旋并且確定了此渦旋的表面范圍。對于被地轉(zhuǎn)流所圍繞的渦旋，它的外廓線大致與SSH 的閉合等值線相符，因而提出了一個更簡便的渦旋識別算法——SSH-based方法，即通過查找SSH最外層的閉合等值線來確定渦旋邊界。具體研究和實例可以在以下文獻(xiàn)中查到
權(quán)利要求
1.海洋中尺度渦旋自動識別與過程重構(gòu)的方法，其特征在于步驟如下 步驟1 構(gòu)建海洋中尺度渦旋自動提取方法采用一種改進(jìn)的基于SSH的自動識別方法，通過海表面高度數(shù)據(jù)提取渦旋狀態(tài)，所述渦旋狀態(tài)包括表示渦旋邊界的多邊形以及表示渦旋內(nèi)部海表面高度極值位置的點； 步驟2 構(gòu)建海洋中尺度渦旋過程自動追蹤方法采用基于最近距離與相似性的追蹤方法，對渦旋狀態(tài)進(jìn)行過程追蹤，捕捉下一時刻與目標(biāo)渦旋同源的渦旋對象，將捕捉到的渦旋與目標(biāo)渦旋視為同一過程內(nèi)部的連續(xù)狀態(tài)；步驟3 建立基于拓?fù)渲貥?gòu)的海洋渦旋過程時空數(shù)據(jù)模型，將渦旋過程的演變進(jìn)行分類，對多個時刻渦旋狀態(tài)之間的拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行表達(dá)，進(jìn)行渦旋過程的時空重建；步驟4 結(jié)合步驟1、步驟2和步驟3，對SSH數(shù)據(jù)進(jìn)行海洋中尺度渦旋自動識別與過程追蹤，并將結(jié)果通過基于拓?fù)渲貥?gòu)的海洋渦旋時空數(shù)據(jù)模型組織管理起來，形成包括渦旋狀態(tài)、渦旋狀態(tài)拓?fù)潢P(guān)系以及渦旋過程的渦旋時空過程數(shù)據(jù)庫。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的海洋中尺度渦旋自動識別與過程重構(gòu)的算法，其特征在于 所述步驟1中一種改進(jìn)的基于SSH的海洋中尺度渦旋自動識別方法具體步驟為la.針對某一日期的SSH數(shù)據(jù)，取其最大最小值作為渦旋自動提取的SSH閾值范圍，以 Icm為間隔提取SSH數(shù)據(jù)的所有等值線集合；lb.從等值線集合中篩選出所有閉合的等值線，并將其轉(zhuǎn)換為多邊形對象，所述多邊形對象集合是提取表示渦旋狀態(tài)的邊界與核心點的基礎(chǔ)；Ic.通過判斷多邊形對象之間的空間包含關(guān)系，提取表示渦旋邊界的多邊形并計算其屬性特征，具體判定條件如下第一，不被任何其他多邊形所包含； 第二，邊界SSH值與內(nèi)部SSH極值之差在2cm以上； 第三，所表達(dá)的渦旋的空間尺度應(yīng)在45-500km ； 第四，對于暖渦或冷渦，其區(qū)域內(nèi)至少存在一個SSH的最大或最小值； 第五，多邊形內(nèi)任兩點之間的距離必須小于一個與多邊形所在緯度相關(guān)的特定值，規(guī)定此值在赤道處為1200km，在緯度25°處為400km，在赤道與緯度25°之間此值與緯度呈線性關(guān)系；Id.對提取出的表示渦旋邊界的多邊形對象，在其內(nèi)部查找不包含任何其他多邊形的多邊形對象，查找的對象范圍為Ib中得到的多邊形對象集合；若查找到的多邊形對象內(nèi)部極值與對應(yīng)渦旋邊界上的均值之差大于2cm，則取其內(nèi)部極值點作為對應(yīng)渦旋的渦核，即表示渦旋內(nèi)部海表面高度極值位置的點，并計算其屬性特征。渦核至少存在一個，表示渦旋邊界的多邊形與表示同一渦旋的渦核點通過UID唯一標(biāo)識。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的海洋中尺度渦旋自動識別與過程重構(gòu)的算法，其特征在于 所述步驟2海洋中尺度渦旋過程追蹤方法步驟如下2a.對某一渦旋狀態(tài)的多邊形對象，如果是單核的則取其極值點為中心點，如果是多核的則取其幾何中心為中心點；2b.對上一步驟所得的中心點做半徑為2km的緩沖區(qū)，選擇與此緩沖區(qū)有交疊關(guān)系的下一時刻的渦旋狀態(tài)多邊形對象作為與目標(biāo)渦旋同源的渦旋對象；2c.完成上一步驟后，不論是否已找到與目標(biāo)渦旋同源的渦旋對象，繼續(xù)再對中心點做半徑為IOkm的緩沖區(qū)，如果仍存在與此緩沖區(qū)有交疊關(guān)系的下一時刻的渦旋狀態(tài)多邊形對象，則分別對這些多邊形對象進(jìn)行相似性計算，選擇相似性最大的多邊形對象也作為與目標(biāo)渦旋同源的渦旋對象；相似性計算公式如下
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的海洋中尺度渦旋自動識別與過程重構(gòu)的算法，其特征在于 所述步驟3中基于拓?fù)渲貥?gòu)的海洋渦旋過程時空數(shù)據(jù)模型的構(gòu)建方法為3a.將海洋中尺度渦旋過程的演變劃分為三種情況 第一，一個渦旋從產(chǎn)生起經(jīng)過中間狀態(tài)的演化直到最后消亡； 第二，一個渦旋在某一時刻分裂為兩個或多個渦旋，針對該情況，規(guī)定渦旋分裂時刻的那個狀態(tài)為此渦旋的結(jié)束狀態(tài)，其分裂后的多個狀態(tài)分別對應(yīng)不同渦旋過程的起始狀態(tài)；第三，多個渦旋在某時刻合并為一個渦旋，針對該種情況，規(guī)定渦旋合并后的狀態(tài)為新的過程的起始狀態(tài)，合并前的多個狀態(tài)分別對應(yīng)多個過程的結(jié)束狀態(tài)；3b.根據(jù)上述渦旋過程演變的三種情況，構(gòu)建渦旋狀態(tài)對象(Eddy State Object，簡稱ES0)來表達(dá)渦旋某時刻的狀態(tài)特征；構(gòu)建渦旋狀態(tài)拓?fù)浔?Eddy Caused By Table，簡稱為ECBT)來表達(dá)渦旋狀態(tài)和狀態(tài)之間的因果繼承關(guān)系；構(gòu)建渦旋過程對象(EddyProcess Object，簡稱ΕΡ0)來表達(dá)渦旋的時空過程。其中ESO包括表示渦旋邊界的面(Eddy Boundary Area，簡稱EBA)以及表示渦核的點(Eddy Center Point，簡稱ECP)這兩部分。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的海洋中尺度渦旋自動識別與過程重構(gòu)的算法，其特征在于 所述步驟4中建立渦旋時空數(shù)據(jù)庫的方法為4a.結(jié)合步驟1與步驟3，將提取到的渦旋狀態(tài)(包括表示渦旋邊界的多邊形與表示渦核的點)的空間特征及屬性特征記錄到ESO中，通過唯一的渦旋狀態(tài)對象標(biāo)識碼(UID)進(jìn)行關(guān)聯(lián)；4b.在上述步驟的基礎(chǔ)上，結(jié)合步驟2，對于可追蹤到同源渦旋的目標(biāo)渦旋，將目標(biāo)渦旋的UID記錄到ECBT中的CBUID字段中，將追蹤得到的與目標(biāo)渦旋同源的渦旋UID記錄到與目標(biāo)渦旋對應(yīng)的UID字段中；4c.完成ESO與ECBT的填充后，通過對ECBT中渦旋狀態(tài)對象標(biāo)識碼在CBUID與UID兩個字段中出現(xiàn)的次數(shù)來進(jìn)行渦旋狀態(tài)對應(yīng)的過程狀態(tài)的判斷，分為以下五種情況第一，如果某個UID在ECBT的“CBUID”字段中從未出現(xiàn)，則該UID對應(yīng)的渦旋狀態(tài)為某一個過程的結(jié)束狀態(tài)；第二，如果某個UID在ECBT表的“UID”字段中從未出現(xiàn)過，則該UID對應(yīng)于某個過程的起始狀態(tài)；第三，如果某個UID在ECBT表的“UID”字段中出現(xiàn)次數(shù)大于等于2，則該情況對應(yīng)于渦旋的合并過程，該UID為某個過程的起始狀態(tài)，而UID對應(yīng)的ECBT中“CBUID”字段中的多個UID則都為某些過程的結(jié)束狀態(tài)；第四，如果某個UID在ECBT表“CBUID”字段中出現(xiàn)次數(shù)大于等于2，則該情況對應(yīng)于渦旋的分裂過程，則該UID為某個過程的結(jié)束狀態(tài)，其對應(yīng)ECBT中的“UID”字段中的多個 UID分別為某些新過程的起始狀態(tài)；第五，經(jīng)過以上所有的判斷后，沒有涉及到的UID則都為過程的中間狀態(tài)； 4d.通過上述判斷則可以把渦旋狀態(tài)對象在過程中所處的狀態(tài)完全確定，繼而選擇所有的起始狀態(tài)，根據(jù)UID與CBUID的繼承關(guān)系，分別進(jìn)行渦旋過程中下一時刻狀態(tài)的查找追蹤直到過程結(jié)束，并統(tǒng)計渦旋過程中的屬性特征，將過程追蹤結(jié)果記錄到EPO中。
全文摘要
一種海洋中尺度渦旋自動識別與追蹤方法，屬信息技術(shù)領(lǐng)域，主要用于海洋中尺度渦旋的自動提取與過程追蹤構(gòu)建，其實現(xiàn)方法是，首先在海洋中尺度渦旋自動識別方法研究的基礎(chǔ)上，提出一種改進(jìn)的基于SSH的渦旋自動識別方法，采用基于最近距離和相似性的追蹤方法，提取渦旋狀態(tài)并跟蹤渦旋過程，結(jié)合基于拓?fù)渲貥?gòu)的時空數(shù)據(jù)模型，構(gòu)建海洋中尺度渦旋時空過程數(shù)據(jù)庫。本發(fā)明更加簡單靈活，并且結(jié)合了一種基于拓?fù)渲貥?gòu)的渦旋時空過程數(shù)據(jù)模型，能夠與渦旋的自動識別與過程追蹤緊密結(jié)合，從而自動地實現(xiàn)渦旋的提取與時空過程重構(gòu)，為更好地探索渦旋過程及其內(nèi)部細(xì)節(jié)演變規(guī)律提供有力的支持。
文檔編號G06F19/00GK102289594SQ20111024055
公開日2011年12月21日 申請日期2011年8月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月19日
發(fā)明者周成虎, 杜云艷, 樊星, 王欣 申請人:中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所