[發(fā)明專利]一種基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的海冰類型遙感分類方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201811455975.8
• 申請(qǐng)日: 2018-11-30
• 公開（公告）號(hào): CN109359631A
• 公開（公告）日: 2019-02-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 柯長青;沈校熠;李萌萌;蔡宇;李海麗
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京大學(xué)
• 主分類號(hào): G06K9/00
• 分類號(hào): G06K9/00;G06K9/62;G06F16/29
• 代理公司: 南京同澤專利事務(wù)所(特殊普通合伙) 32245
• 代理人: 蔡晶晶

本發(fā)明公開了一種基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的海冰類型遙感分類方法。屬于遙感地學(xué)應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。本方法采用衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)海冰進(jìn)行分類（分為多年冰、一年冰和開闊水域三種類型），其步驟包括從高度計(jì)數(shù)據(jù)中獲取測(cè)量點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)及其雷達(dá)回波波形。下載海冰類型數(shù)據(jù)，并提取相應(yīng)測(cè)量點(diǎn)位處的海冰類型信息。將上述提取的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行空間位置匹配，通轉(zhuǎn)換為帶經(jīng)緯度坐標(biāo)的矢量點(diǎn)數(shù)據(jù)。所獲取的雷達(dá)回波波形和對(duì)應(yīng)的海冰類型作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，對(duì)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，對(duì)待分類的雷達(dá)回波波形進(jìn)行海冰類型的識(shí)別。分類后將海冰類型標(biāo)記到矢量數(shù)據(jù)上；標(biāo)記后的矢量數(shù)據(jù)在通過投影變換、柵格轉(zhuǎn)換和空間重采樣等處理，獲得整個(gè)研究區(qū)的海冰類型。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的海冰類型遙感分類方法，屬于遙感應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。

技術(shù)背景

海冰類型的變化是氣候變化的重要指示器，其變化會(huì)影響海冰厚度的反演、船只航行路線的劃定以及其他人類重要的極地活動(dòng)。早期海冰類型數(shù)據(jù)只能通過人工實(shí)地調(diào)查得到，之后利用光學(xué)和SAR遙感影像可以實(shí)現(xiàn)海冰的分類，但是由于遙感影像空間覆蓋范圍小，光學(xué)影像受光線、云的影響較大，SAR影像獲取成本比較高等困難的限制，難以實(shí)現(xiàn)大尺度的海冰分類。隨著衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)的發(fā)展，可利用高度計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)海冰進(jìn)行分類。雖然高度計(jì)常常被用來反演海冰厚度，但自1990年以來，多位學(xué)者相繼發(fā)現(xiàn)不同類型的海冰其雷達(dá)回波波形具有一定的差異性，并且這種差異可以用來對(duì)海冰進(jìn)行分類。同時(shí)由于高度計(jì)的空間覆蓋范圍更大，時(shí)間分辨率也較高，因此可采用高度計(jì)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)的海冰分類。然而要實(shí)現(xiàn)更為準(zhǔn)確的海冰分類，需要更加先進(jìn)的雷達(dá)高度計(jì)。

2010年4月，歐空局發(fā)射的CryoSat-2衛(wèi)星，是目前為止最為先進(jìn)的衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)，觀測(cè)數(shù)據(jù)范圍可達(dá)南北緯88°N的區(qū)域，且擁有369天的全周期和30天的小周期，一個(gè)月即可實(shí)現(xiàn)對(duì)南極海冰的全部觀測(cè)。衛(wèi)星上攜帶的合成孔徑干涉雷達(dá)高度計(jì)(SIRAL)的垂直測(cè)量精度達(dá)到1～3cm，并采用延遲多普勒雷達(dá)高度計(jì)(DDA)技術(shù)將衛(wèi)星地面足跡減小到沿軌約為0.3km，跨軌約為1.5km，分辨率優(yōu)于傳統(tǒng)的高度計(jì)。此外，SIRAL對(duì)地表點(diǎn)進(jìn)行多視處理以減少雷達(dá)斑點(diǎn)引起的噪聲，其測(cè)量海平面高度數(shù)據(jù)精度約為傳統(tǒng)雷達(dá)高度計(jì)的2倍。

美國國家海冰中心(NIC)每周提供一次南極海域的冰況圖。該海冰類型產(chǎn)品是使用光學(xué)、近紅外、SAR衛(wèi)星數(shù)據(jù)和船舶走航數(shù)據(jù)得到的。采用其shapefile格式的數(shù)據(jù)產(chǎn)品，產(chǎn)品中主要包含三種海冰類型數(shù)據(jù)：一年冰、多年冰和開闊水域。因此，我們以美國國家海冰中心的冰況圖作為參考對(duì)照數(shù)據(jù)，針對(duì)全南極進(jìn)行一年冰、多年冰和開闊水域的分類。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：提供一種基于CryoSat-2衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)的海冰分類方法。考慮到高度計(jì)數(shù)據(jù)較高的空間分辨率和時(shí)間分辨率，該數(shù)據(jù)大大提高了海冰分類的時(shí)效性，同時(shí)提出了一種快速、大尺度的海冰分類方法。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案是：一種基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的海冰類型遙感分類方法，包括以下步驟：

第一步：準(zhǔn)備訓(xùn)練數(shù)據(jù)和待分類數(shù)據(jù),具體包括如下幾個(gè)方面的內(nèi)容：

a.下載某一時(shí)期內(nèi)和待分類的CryoSat-2衛(wèi)星SAR模式L1b級(jí)數(shù)據(jù)，將所述某一時(shí)期內(nèi)的數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)；讀取L1b級(jí)數(shù)據(jù)DBL格式的原始文件，從中提取各測(cè)量點(diǎn)的經(jīng)緯度和雷達(dá)回波波形；

b.下載與訓(xùn)練數(shù)據(jù)相同時(shí)期內(nèi)的美國國家海冰中心的冰況圖數(shù)據(jù)使用多年冰、一年冰和開闊水域數(shù)據(jù)，獲得相應(yīng)的海冰類型信息；

第二步、獲取雷達(dá)回波波形圖像和提取波形特征：根據(jù)訓(xùn)練數(shù)據(jù)和待分類數(shù)據(jù)中所有測(cè)量點(diǎn)的雷達(dá)回波波形生成雷達(dá)回波波形圖像像，并提取波形特征值用于后續(xù)的海冰分類；所述波形特征值包含脈沖寬度、前緣寬度和棧標(biāo)準(zhǔn)差；