[發明專利]一種基于PSR-FastICA-OS_ELM的自動氣象站實時數據質量控制方法

有效

• 申請號: 201710098307.3
• 申請日: 2017-02-22
• 公開（公告）號: CN106886856B
• 公開（公告）日: 2020-07-28
• 發明（設計）人: 葉小嶺;姚潤進;熊雄;沈云培;楊星;陳洋
• 申請（專利權）人: 南京信息工程大學
• 主分類號: G06Q10/06
• 分類號: G06Q10/06
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 徐激波

本發明公開了一種基于PSR?FastICA?OS_ELM的自動氣象站實時數據質量控制方法，該方法，首先對單站實時氣溫及定長歷史氣溫序列進行采集，構成采集信號；然后對采集信號進行基本質量控制；接著進行相空間重構；并對重構的高維矢量空間信號進行快速獨立分量分析，達到去噪、去冗余的目的，得到源信號在高維矢量空間中的無偏信號；最后，通過在線序貫極限學習機構建時間序列采集信號的重建模型，得到去噪后的氣溫重建值；并根據此去噪重建值與實際觀測值比較進行條件修正，完成對該時刻氣溫的質量控制。該方法滿足了實時數據采集的要求，提高了實時自動氣象站觀測數據的質量。

技術領域

本發明涉及自動氣象站觀測數據的質量控制領域，特別發明了一種針對自動氣象站實時采集氣溫資料的質量控制方法。

背景技術

我國自90年代末開始在部分臺站布設地面自動氣象觀測系統，至2011年，全國有2500多個地面自動氣象站應用到氣象觀測業務。自動氣象站具有站點分布密集、地形差異大、測站環境惡劣、數據采集和傳輸自動化程度高、資料實時性強、中小尺度天氣現象明顯等特點，其觀測數據的質量問題比人工常規地面站觀測資料顯得更復雜和嚴重，因而必須對自動氣象站的觀測數據進行質量控制。我國對采集的數據進行兩個層面質量控制，即基于觀測臺站的數據有效性、實時性控制和基于數據中心的內部一致性、時間一致性和空間一致性質量控制。在我國三級質量控制業務中，基層臺站級控制進行基本質量控制，省級、國家級應對自動站實時數據進行全面系統質量控制。但是，自動氣象站在進行數據采集過程中容易受到大量系統噪聲、隨機噪聲、粗大噪聲和微氣象噪聲的干擾；這些噪聲中的隨機噪聲、系統噪聲和微氣象噪聲是現有質量控制方法不能消除的，這會影響自動氣象站觀測數據的質量，從而影響氣候、氣象變化模型的研究和短期數值天氣預報的精度。

傳統基于相空間重構的氣溫重建實時質量控制法，是根據歷史觀測數據在高維矢量空間與對應氣溫的映射關系完成對氣溫的重建，進而達到質量控制的目的。這種方法忽視了歷史氣溫數據在高維矢量空間信號中噪聲部分的分離，即高維矢量空間信號包含源信號和噪聲信號；也忽視了高維矢量空間信號的冗余性去除，即高維矢量空間獨立信號的特征提取。這是傳統基于相空間重構方法的不足之處。

發明內容

本發明的目的是提供一種基于PSR-FastICA-OS_ELM的自動氣象站實時數據質量控制方法，解決了目前質量控制方法不能消除隨機噪聲、系統噪聲、微氣象噪聲的問題，提高了自動氣象站實時觀測數據的質量。

本發明采用的技術方案為：一種基于相空間重構(PSR)、快速獨立分量分析(FastICA)和在線序貫極限學習機(OS_ELM)的自動氣象站實時數據質量控制方法，包括以下步驟：

步驟1：采集被檢站被檢t時刻氣溫tep(t)，即實際觀測值，及t時刻前某一長度的小時數據構成氣溫時間采樣信號{x(t′)|t′＝1,2,…,n}，其中t為實時采樣時間，t′為歷史采樣時間，兩者滿足關系t′＝t-n+1，n為歷史采樣時間的長度。

步驟2：對歷史氣溫序列信號{x(t′)|t′＝1,2,…,n}進行基本質量控制，得到基本控制后的數據

步驟3：根據公式對基本質量控制后的數據進行相空間重構，得到N(N＝n-(m-1)τ)個維數為m的矢量信號其中，m、τ為相空間重構參數嵌入維數和時間延遲。

步驟4：根據獨立分量分析，步驟3得到的高維矢量信號包括源信號真實信息部分和噪聲信息部分，即ICA混疊模型其中，為步驟3中得到的高維矢量信號，即混疊信號；A為未知混合矩陣；為理想的相互獨立、無污染的高維矢量信號；n_i為噪聲項。根據ICA解混模型求取源信號真實部分的無偏估計值其中為基于某一目標函數的最優解疊矩陣W下的源信號的估計信號。本發明運用FastICA算法的基于負熵非高斯性最大化原理求解解疊矩陣W，得到去噪、獨立統計高維信號