[發(fā)明專利]基于深度置信網(wǎng)絡(luò)的MODIS霧監(jiān)測方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710262475.1
• 申請日: 2017-04-20
• 公開（公告）號: CN107423670A
• 公開（公告）日: 2017-12-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李元祥;陸永帥;施雨舟;劉嘉瑋
• 申請（專利權(quán)）人: 上海交通大學(xué)
• 主分類號: G06K9/00
• 分類號: G06K9/00;G06K9/62;G06N3/08
• 代理公司: 上海恒慧知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙)31317
• 代理人: 張寧展

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及圖像處理及模式識別的技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種基于深度置信網(wǎng)絡(luò)的MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)霧監(jiān)測方法。

背景技術(shù)

霧是由大量浮游在近地面空氣中的微小水滴或冰晶所組成的氣溶膠系統(tǒng)，是一種災(zāi)害性天氣現(xiàn)象。大霧對社會生活、軍事活動，特別是地面、空中和海上交通威脅很大，常常給人民的生產(chǎn)生活造成重大損失。因此，監(jiān)測和預(yù)報(bào)大霧生消動態(tài)、消除霧害，對防止和減少因霧造成的事故和損失，保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全具有重要的意義。由于霧具有發(fā)展快、影響區(qū)域廣等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的地面觀測設(shè)備局限于點(diǎn)或者局部地區(qū)，且觀測時(shí)次少，故難以滿足宏觀、快速的監(jiān)測要求，而衛(wèi)星遙感作為一種大尺度觀測手段越來越多的應(yīng)用到了災(zāi)害監(jiān)測方面。

常規(guī)的監(jiān)測方法往往是通過在陸海表面布設(shè)站點(diǎn)進(jìn)行人工或儀器自動觀測，不僅耗費(fèi)大量的人力物力，而且觀測站點(diǎn)的設(shè)置密度和觀測密度也難以滿足監(jiān)測的需要；常規(guī)預(yù)報(bào)方法如天氣學(xué)方法、統(tǒng)計(jì)學(xué)方法和數(shù)值預(yù)報(bào)方法等，或者由于方法本身不夠完善，或者由于缺乏足夠、準(zhǔn)確的地面觀測資料及相關(guān)信息，因而也往往難以取得理想效果。特別是在監(jiān)測和預(yù)報(bào)霧的生消動態(tài)方面，常規(guī)方法困難較大。而具有宏觀、快速和直觀等特點(diǎn)的衛(wèi)星遙感監(jiān)測技術(shù)在這一方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢。

MODIS(moderate-resolution imaging spectroradiometer)是搭載在terra和aqua衛(wèi)星上的一個(gè)重要的傳感器，又被稱為中分辨率成像光譜儀。它有36個(gè)離散光譜波段，光譜范圍寬，從0.4微米(可見光)到14.4微米(熱紅外)全光譜覆蓋。最大空間分辨率可達(dá)250米，掃描寬度2330千米。

近年來，國內(nèi)外霧的監(jiān)測研究和實(shí)驗(yàn)均表明，單靠某一通道的遙感資料，利用霧的某一特征難以滿足霧區(qū)監(jiān)測和分離的整體要求。只有綜合多通道的衛(wèi)星資料和霧區(qū)的多種特征才能滿足霧的監(jiān)測需要。利用MODIS較寬的光譜范圍和空間覆蓋以及隨時(shí)間變化的資料連續(xù)覆蓋使之更適合監(jiān)測大霧的生消動態(tài)，并且有著廣闊的應(yīng)用前景。在MODIS出現(xiàn)以前，國內(nèi)外對霧生消動態(tài)的監(jiān)測的研究主要利用NOAA/AVHRR和風(fēng)云系列、GMS和GOES等衛(wèi)星數(shù)據(jù)。這些衛(wèi)星數(shù)據(jù)的通道一般都比較寬，而且通道數(shù)很少，對霧的監(jiān)測有一定的局限性。近年來MODIS已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于對地球上大氣、海洋、陸地和環(huán)境的綜合信息的分析研究，利用MODIS數(shù)據(jù)研究霧有助于提高對霧的實(shí)時(shí)監(jiān)測能力。但傳統(tǒng)的MODIS霧監(jiān)測都是依據(jù)人工經(jīng)驗(yàn)判斷閾值的方法，根據(jù)少數(shù)幾個(gè)通道的光譜反射率特點(diǎn)來識別霧，MODIS數(shù)據(jù)36個(gè)通道的信息，沒有能完全使用，精度較差。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種基于深度置信網(wǎng)絡(luò)的MODIS霧監(jiān)測方法，使用深度網(wǎng)絡(luò)自動的提取出霧光譜曲線的特征，減少了人工提取特征帶來的誤差，實(shí)現(xiàn)了霧識別率的提升。

本發(fā)明基于深度置信網(wǎng)絡(luò)的MODIS霧監(jiān)測方法，包括訓(xùn)練階段和識別階段兩部分，所述訓(xùn)練階段包括以下步驟：

第一步，獲取MODIS遙感原始數(shù)據(jù)；

第二步，對MODIS遙感原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理操作，包括條紋修復(fù)和換線去除、損壞波段剔除、大氣校正、幾何校正等操作；

第三步，獲取MODIS圖像對應(yīng)區(qū)域?qū)?yīng)時(shí)間的地面站觀測數(shù)據(jù)；

第四步，將每個(gè)觀測站位置的MODIS圖像像元取出，作為訓(xùn)練集，觀測站的天氣情況(無霧、有霧)作為此區(qū)域的標(biāo)簽數(shù)據(jù)；

第五步，將訓(xùn)練數(shù)據(jù)和標(biāo)簽數(shù)據(jù)輸入深度置信網(wǎng)絡(luò)中訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，先采用限制玻爾茲曼機(jī)逐層訓(xùn)練提取特征，再使用反饋的方法整體微調(diào)。同時(shí)，加入了隨機(jī)隱退的操作，提高了模型的泛化能力，進(jìn)一步提高了監(jiān)測模型的精度。

第六步，將第五步訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)保存，作為我們的識別模型。

所述識別階段包括以下步驟：

第一步，獲取要進(jìn)行識別的MODIS遙感原始數(shù)據(jù)；

第二步，對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理操作，包括條紋修復(fù)和換線去除、損壞波段剔除、大氣校正、幾何校正等操作；

第三步，將預(yù)處理好的MODIS數(shù)據(jù)輸入上述識別模型，得到識別結(jié)果。

所述第五步中深度置信網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)具體是：