[發明專利]全球中尺度渦時空層次拓撲路徑構建技術

在審

• 申請號: 201610714009.8
• 申請日: 2016-08-24
• 公開（公告）號: CN107784311A
• 公開（公告）日: 2018-03-09
• 發明（設計）人: 田豐林;劉穎潔;陳戈
• 申請（專利權）人: 中國海洋大學
• 主分類號: G06K9/62
• 分類號: G06K9/62
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于海洋時空數據挖掘領域，具體涉及一種全球中尺度渦時空層次拓撲路徑構建技術。

背景技術

目前對海洋中尺度渦的研究主要集中在中尺度渦識別及追蹤上。常見的渦旋識別方法有Sea Surface Height(SSH)法、Okubo-Weiss (OW)法、Vector Geometry (VG)法和Hybird Detection (HD)法等。SSH法以最外圈的閉合等值線為渦旋邊界,再以渦旋邊界內的SSH局地極值為渦旋中心，無閾值的SSH法雖增強了程序的自動性，但運算量大。OW法以W值作為物理參數，W值是由SSH計算得到的。將-0.2σ_w（σ_w為整個W場的標準差)作為閾值，判斷檢測區域是否為渦旋。OW法從中尺度渦的物理性質出發定義判別標準,更能揭示中尺度渦的物理本質,但卻存在明顯的缺陷。第一，在赤道附近科氏力是趨于0，因此，由SLA和科氏力以及重力加速度計算得到的OW參數不正確。第二，W場會產生很多噪點,往往被誤判為渦旋。第三，不同閾值得到的結果波動很大。VG法檢測得到的渦心為渦流速率最小的網格點,渦邊則是對應著最大平均旋轉速度的閉合流線。該方法在準確率方面比OW法有優勢，但其檢測過程較復雜。HD法是0W法和SSH法的混合。先以SSH局地極值和“渦核”(W<-0.2σ_w)確定渦心,再以包含“渦核”的最內圈閉合SSH等值線為渦邊,最后確定“多核結構”及其邊界。

常見的中尺度渦追蹤方法則有像素法、距離法和相似度法。像素法簡單快速,適用于渦旋分離明顯的海域,但在渦旋結構復雜的區域容易出錯。距離法中,假設e₁為t₁時的某個渦旋, e₂為t₂時相同類型的渦旋,ΔD則是e₁中心到e₂中心的距離,那么ΔD最短者構成同一軌跡，為了避免兩條不同的軌跡連接在一起, ΔD需設定一個上限近似取值為局地平均流流速和資料的時間分辨率之積。相似度法則是距離法的擴展。相似度法不僅考慮到ΔD，還考慮到e₁和e₂之間半徑、渦動能以及渦度之間的關系。相似參數S_e1,e2是由以上四種渦旋特征值通過相應計算得到的。S_e1,e2最小的e₁和e₂是同一條軌跡上前后時刻的渦旋。

目前已有的中尺度渦識別、追蹤算法并不能精確地識別渦旋的分裂、合并等拓撲現象，同時較少有涉及渦旋時空軌跡分析的研究，因此很難對中尺度渦旋的時空演變規律及渦旋內部細節進行描述及分析。

發明內容

本發明的技術效果能夠克服上述缺陷，提供一種全球中尺度渦時空層次拓撲路徑構建技術，建立中尺度渦旋之間潛在合并或分裂等關系，并對渦旋軌跡進行時空聚類，獲取渦旋演變機制及規律。

為實現上述目的，本發明采用如下技術方案，具體步驟為：

（1）基于改進的SSH法，識別單核渦旋的同時，保留渦旋之間的共同邊界，建立渦旋空間層次拓撲結構；

（2）采用最近鄰法，對渦旋空間拓撲結構的子節點（單核渦旋）進行追蹤，得到渦旋追蹤數據集，建立中尺度渦時空拓撲路徑；

（3）計算渦旋軌跡間的動態時間扭曲（DTW, Dynamic time warping）距離，對渦旋軌跡進行相似性度量；

（4）利用基于密度的聚類算法 (DBSCAN, Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise)對渦旋軌跡進行時空聚類，形成全球中尺度渦時空層次拓撲結構。

上述步驟（1）中，基于衛星高度計海平面高度異常（SLA）數據，采用改進的SSH法，將SLA局部極值作為渦旋種子點，對SLA等高線迭代，判斷等高線包圍范圍的大小及振幅，保留渦旋邊界及渦旋間的共同邊界（SLA等高線），建立渦旋之間潛在聯系（如圖1所示），得到渦旋識別空間層次拓撲數據集。

上述步驟（2）中，基于渦旋識別空間層次拓撲數據集，采用最近鄰法進行渦旋追蹤，得到渦旋追蹤數據集，結合渦旋識別得到的空間層次拓撲結構，建立中尺度渦時空拓撲路徑。