[發明專利]全球渦旋間多層次關系的識別、追蹤

在審

• 申請號: 201710835152.7
• 申請日: 2017-09-15
• 公開（公告）號: CN107633224A
• 公開（公告）日: 2018-01-26
• 發明（設計）人: 田豐林;劉淮淑;陳戈
• 申請（專利權）人: 中國海洋大學
• 主分類號: G06K9/00
• 分類號: G06K9/00;G06K9/62
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明基于海洋表面遙感數據結合流體力學相關研究進行大數據分析，屬于流體拓撲結構分析領域。

背景技術

中尺度渦旋作為海洋中重要的物理過程，無論在大洋動力學理論研究方面還是國防軍事等實際應用方面，都有極高的研究價值，已經成為近些年研究的重點。在海洋動力學、熱鹽和能量的輸送、其它生物化學過程中都起著非常重要的作用，它對我國在戰略海域的軍事防御、能源開采、氣候預測有著不可替代的作用。

進入21世紀，海洋再度成為世界關注的焦點，海洋的國家戰略地位空前提高。順應世界潮流，黨中央、國務院提出了“逐步把我國建設成為海洋經濟強國”的宏偉目標。如何對海洋強國的內涵再認識、再定位，堅持“以海興國”的民族史觀，使中國崛起于21世紀的海洋，是事關中華民族生存與發展、繁榮與進步、強盛與衰弱的重大戰略問題。實現由海洋大國向海洋強國的歷史跨越，是時代的召喚，也是中華民族走向繁榮昌盛的必由之路。

發明內容

本發明目的是提出一個中尺度渦多層次識別和追蹤算法，以構建全球長時間尺度渦旋連續特征。它可以完全自動化實現且具有客觀性；本發明的技術方案包括如下步驟：

1、基于衛星高度計全球中尺度渦多層次識別算法

在個體渦旋識別算法的基礎上，基于海平面高度數據不同層次的閉合等高線，將每天識別的渦旋建立層次結構：渦樹，其葉子結點為渦旋個體，中間結點即為渦群。

主要涉及以下問題：

a. 如何構建渦樹結構。

2、全球中尺度渦多層次路徑構建算法

本發明將采用多層次渦群結構來組織中尺度渦的識別與追蹤數據。基于前后兩天的多層次中尺度渦識別結果：渦樹，利用相似度匹配和2維相似向量相結合的方法，構建渦旋多層次復雜拓撲路徑，此路徑實際上是將不同時間渦樹鏈接起來的時序有向連接圖。

主要涉及以下問題：

a. 在渦樹結構的基礎上如何遍歷查找對應結點從而構建多層次追蹤路徑。

關鍵技術：

（1）中尺度渦多層次識別技術；

（2）全球中尺度渦多層次復雜拓撲演化路徑構建技術。

附圖說明

圖1 渦旋識別流程。

圖2 渦群集合存儲結構。

圖3 渦旋相似度匹配流程。。

具體實施方式

1、基于衛星高度計全球中尺度渦多層次識別算法

基于AVISO的全球衛星高度計數據[AVISO MLSA Data],在全球遙感數據進行極值點識別后,通過遍歷等高線進行渦旋識別（如圖1）。一渦多心的渦旋作為渦旋合并和分裂情況的中間情況對研究渦旋的運動軌跡以及渦與渦之間的相互作用具有重要作用。我們在以往并行渦旋識別工作[Yingjie Liu2016]的基礎上保留多核心渦的數據,在渦旋識別過程中通過遍歷閉合等高線，在等高線振幅絕對值一定范圍內找到具有共同封閉等高線的渦旋群落。最后建立以渦旋個體為葉子結點，以渦群為中間結點的樹型存儲結構（如圖2）。建立起全球渦與渦、渦群與渦群之間的鏈接關系，為后續的渦旋復雜拓撲路徑追蹤研究提供數據基礎。

2、全球中尺度渦多層次復雜拓撲路徑構建算法

在對比前后兩天的渦樹并且進行軌跡查找，兩天的渦旋匹配性是決定渦旋軌跡是否準 確的關鍵。對Day0天的渦樹進行遍歷并在Day1的渦旋群集數據中按照先2維相似向量匹配 [Li QY2016]，再以渦旋相似度匹配的方法進行查找。如圖3從渦樹的根結點開始按照廣度優先搜索遍歷。渦群的移動速度大約為0.1m/s，通過進行兩天時間里渦群面積重疊面積作為渦群是否匹配的一個重要因素（2維相似向量）。因此我們通過比對兩天渦群的面積重疊度，獲得重疊區域面積與前后兩天渦群面積比例的2維相似向量，篩選出相似向量絕對值較高的幾個渦群作為Day1的后備渦群。同時可以得到兩天渦群與渦群，渦與渦之間的關系（分裂、合并、存活、死亡）。然后對備選渦群進行基于相似度計算(振幅、渦動能等的標準歐式距離之和)，修正渦群與渦群之間的關系遞歸到葉節點（渦旋）結束匹配，從而建立渦旋、渦群沿時間變化的有向關系圖。