[發明專利]海洋溫度鋒自動追蹤和特征參數信息提取方法

有效

• 申請號: 201910675669.3
• 申請日: 2019-07-25
• 公開（公告）號: CN110502801B
• 公開（公告）日: 2023-03-24
• 發明（設計）人: 武曉博;韓桂軍;李威
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F16/29;G01C13/00;G01K13/02;G06F119/08
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 王蒙蒙

1.一種海洋溫度鋒自動追蹤和特征參數信息提取方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1，溫度梯度場的建立：利用給定海域的溫度場網格數據，計算溫度梯度場，并對溫度梯度場進行內插，獲得較溫度場網格數據更高分辨率的溫度梯度場網格數據集；

步驟2，溫度鋒橫斷面的確定：建立溫度鋒判別標準，以某一滿足溫度鋒判別標準的點為溫度鋒中心位置初猜點，并以溫度鋒中心位置初猜點為中心，分別沿溫度梯度正負兩個方向尋找溫度鋒臨時邊界點；

步驟3，溫度鋒特征參數的確定：采用逐步迭代的方式，確定鋒區的中心位置，提取特征參數信息，包括：

步驟3-1，對步驟2獲得的溫度鋒橫斷面，按照計算物體質心的方法，以分配權重的方式計算該溫度鋒橫斷面上的鋒區中心以及平均強度；

步驟3-2，如果計算得到的鋒區中心并非步驟2中的溫度鋒中心位置初猜點，則以計算得到的鋒區中心為新的初猜點，并以新的初猜點為中心，按照步驟2所示的方法重新設定溫度鋒橫斷面并按照步驟3-1計算獲得重新設定的溫度鋒橫斷面上的鋒區中心以及平均強度，判斷重新設定的溫度鋒橫斷面上的鋒區中心是否與新的初猜點重合，直至計算得到的鋒區中心與初猜點重合，獲得最終的鋒區中心；

步驟3-3，記錄最終的鋒區中心位置、平均強度、邊界點位置；根據兩邊界點的位置信息，計算得到鋒區寬度：

式中，FWD表示鋒區寬度，(x_L,y_L)和(x_R,y_R)分別表示鋒區左右兩個邊界點的經緯度坐標，R表示地球半徑；

步驟4，鋒區中心位置的追蹤：根據步驟3確定的鋒區中心位置，沿著與鋒區中心位置的溫度梯度方向的逆時針垂直方向，追蹤下一個溫度鋒橫斷面的鋒區中心位置，提取相應特征參數信息；

步驟5，遍歷海區內所有網格點，以搜索得到海區內所有的海洋溫度鋒，并完成相應的溫度鋒特征參數信息的提取，用于海洋中尺度現象研究并對未來海洋溫度鋒的分布做出可能性預測。

2.根據權利要求1所述的海洋溫度鋒自動追蹤和特征參數信息提取方法，其特征在于，步驟1中，所述的溫度梯度場的計算方法為：

利用給定的溫度場網格數據，分別計算網格中每個網格點X軸方向，Y軸方向的溫度梯度，其中，在計算X軸方向的溫度梯度時，緯度不變，經度按照固定步長變化；在計算Y軸方向的溫度梯度時，經度不變，緯度按照固定步長變化；

任意網格點處的溫度梯度GF為：

式中，GX表示所求點沿著X軸方向的溫度梯度值，GY表示所求點沿著Y軸方向的溫度梯度值；

其中，所求點沿著X軸方向的溫度梯度值GX的計算方法如下：

當所求點為左邊界點時，沿X軸方向，取所求點之后的兩個點依次命名為點l2和點l3；設所求點、點l2和點l3沿著X軸方向的溫度值分別為T_lspx、T_l2x、T_l3x，所求點與點l2在X軸方向上的距離為L_lsp-l2x，點l2與點l3在X軸方向上的距離為L_l2-l3x，則：

式中，W_1spx為所求點為左邊界點時、所求點沿著X軸方向占有的梯度權重、W_l2x為所求點為左邊界點時、點l2沿著X軸方向占有的梯度權重、W_l3x為所求點為左邊界點時、點l3沿著X軸方向占有的梯度權重；

當所求點為右邊界點時，沿X軸反方向，取所求點之前的兩個點依次命名為點r2和點r1；設點r1、點r2和所求點沿著X軸方向的溫度值分別為T_r1x、T_r2x、T_rspx，點r1與點r2在X軸方向上的距離為L_r1-r2x，點r2與所求點在X軸方向上的距離為L_r2-rspx，則：

式中，W_r1x為所求點為右邊界點時、點r1沿著X軸方向占有的梯度權重、W_r2x為所求點為右邊界點時、點r2沿著X軸方向占有的梯度權重、W_rspx為所求點為右邊界點時、所求點沿著X軸方向占有的梯度權重；

當所求點既不是左邊界點也不是右邊界點時，在X軸上，取與所求點左、右相鄰的兩個點分別命名為點m1和點m3；設點m1、所求點和點m3沿著X軸方向的溫度值分別為T_m1x、T_mspx、T_m3x，點m1與所求點在X軸方向上的距離為L_m1-mspx，所求點與點m3在X軸方向上的距離為L_msp-m3x，則：

式中，W_m1x為所求點即不是左邊界點也不是右邊界點時、點m1沿著X軸方向占有的梯度權重、W_mspx為所求點即不是左邊界點也不是右邊界點時、所求點沿著X軸方向占有的梯度權重、W_m3x為所求點即不是左邊界點也不是右邊界點時、點m3沿著X軸方向占有的梯度權重；

其中，所求點沿著Y軸方向的溫度梯度值GY的計算方法如下：

當所求點為下邊界點時，沿Y軸方向，取所求點之后的兩個點依次命名為點d2和點d3；設所求點、點d2和點d3沿著Y軸方向的溫度值分別為T_dspy、T_d2y、T_d3y，所求點與點d2在Y軸方向上的距離為L_dsp-d2y，點d2與點d3在Y軸方向上的距離為L_d2-d3y，則：

式中，W_dspy為所求點為下邊界點時、所求點沿著Y軸方向占有的梯度權重、W_d2y為所求點為下邊界點時、點d2沿著Y軸方向占有的梯度權重、W_d3y為所求點為下邊界點時、點d3沿著Y軸方向占有的梯度權重；

當所求點為上邊界點時，沿Y軸反方向，取所求點之前的兩個點依次命名為點h2和點h1；設點h1、點h2和所求點沿著Y軸方向的溫度值分別為T_h1y、T_h2y、T_hspy，點h1與點h2在Y軸方向上的距離為L_h1-h2y，點h2與所求點在Y軸方向上的距離為L_h2-hspy，則：

式中，W_h1y為所求點為上邊界點時、點h1沿著Y軸方向占有的梯度權重、W_h2y為所求點為上邊界點時、點h2沿著Y軸方向占有的梯度權重、W_hspy為所求點為上邊界點時、所求點沿著Y軸方向占有的梯度權重；

當所求點既不是下邊界點也不是上邊界點時，在Y軸上，取與所求點下、上相鄰的兩個點分別命名為點b1和點b3；設點b1、所求點和點b3沿著Y軸方向的溫度值分別為T_b1y、T_bspy、T_b3y，點b1與所求點在Y軸方向上的距離為L_b1-bspy，所求點與點b3在Y軸方向上的距離為L_bsp-b3y，則：

式中，W_b1y為所求點即不是下邊界點也不是上邊界點時、點b1沿著Y軸方向占有的梯度權重、W_bspy為所求點即不是下邊界點也不是上邊界點時、所求點沿著Y軸方向占有的梯度權重、W_b3y為所求點即不是下邊界點也不是上邊界點時、點b3沿著Y軸方向占有的梯度權重；

所述的較溫度場網格數據更高分辨率的溫度梯度場網格數據集的獲得方法為：

采取雙線性插值的原理將各點梯度值插值到使用的較溫度場網格更高分辨率的網格上：

GF(x,y)＝W₁₁×GF(x₁,y₁)+W₂₁×GF(x₂,y₁)+W₁₂×GF(x₁,y₂)+W₂₂×GF(x₂,y₂)(8)

式中，(x,y)表示較溫度場網格數據更高分辨率的溫度梯度場網格數據點對應坐標，GF(x,y)表示(x,y)處的溫度梯度值；(x₁,y₁)、(x₂,y₁)、(x₁,y₂)、(x₂,y₂)分別為(x,y)點所鄰近的四個溫度場網格數據點對應坐標；GF(x₁,y₁)、GF(x₂,y₁)、GF(x₁,y₂)、GF(x₂,y₂)分別表示(x₁,y₁)、(x₂,y₁)、(x₁,y₂)、(x₂,y₂)處的溫度梯度值；W₁₁、W₂₁、W₁₂、W₂₂分別為(x₁,y₁)、(x₂,y₁)、(x₁,y₂)、(x₂,y₂)點的溫度梯度值所對應的權重，分別按如下公式計算：