[發明專利]一種提取海冰觀測值分解的空間多尺度信息的方法

有效

• 申請號: 202010566170.1
• 申請日: 2020-06-19
• 公開（公告）號: CN111949920B
• 公開（公告）日: 2022-08-23
• 發明（設計）人: 楊璐;付紅麗;張學峰;張連新;胡旭輝;王奭璠
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G06F17/10
• 分類號: G06F17/10;G06F30/20;G01C13/00;G06F111/10
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 程小艷

本發明公開一種提取海冰觀測值分解的空間多尺度信息的方法。空間多尺度遞歸濾波器的算法設計，與其他方法不同的是，它通過在每次迭代中使用遞歸濾波器依次檢索所需波長，將尺度信息合并到最小化算法中。該方法無需人工干預，可通過搜索算法自動確定權重參數，且可以在一次迭代過程中處理所有空間尺度的觀測。本發明基于多尺度數據同化方法對海冰觀測數據中的多尺度信息進行提取，用于實現對觀測稀疏或缺失區域的數據填補。

技術領域

本發明涉及海冰觀測數據信息提取領域，提出海冰多尺度數據同化方法，用于提取海冰觀測數據中的多尺度信息。該方法可以從長到短連續提取不同的觀測尺度，它比傳統的一次分析所有觀測尺度的方法具有更大的優勢，而且參數的指定也更加方便。

背景技術

在實際觀測中，由于受天氣條件或其它因素影響，海冰觀測并不能覆蓋整個研究海域。有效的客觀分析方案應能夠在數據稀疏區域中檢索到可分辨的長波長，并在數據密集區域中保留詳細信息，進而實現對觀測稀疏或缺失區域的數據填補。如果沒有有效的機制，同時提取多個波長，分析場可能會受到觀測誤差或數據分布不規則等噪聲的嚴重污染。解決這一問題的一種切實可行的方法是先對大尺度進行分析，再對小尺度進行分析。長波越精確，噪聲對分析場的影響就越小。

發明內容

本發明的目的是提出海冰多尺度數據同化方法，應用于提取海冰觀測值分解的空間多尺度信息。由于空間多尺度遞歸濾波器的濾波尺度隨著迭代次數增加而減小，因此，將其用于海冰觀測信息的提取時，能夠在一次迭代過程中處理所有空間尺度的觀測，實現對缺測區域的數據填補。

本發明提供一種提取海冰觀測值分解的空間多尺度信息的方法。空間多尺度遞歸濾波器的算法設計是本技術方案的重要內容。整體算法包括以下幾個步驟：

1.空間多尺度遞歸濾波器的算法設計

(1)定義代價函數

變分問題的基本問題是將代價函數最小化，如下所示

minJ(x)

其中x是控制變量，通常

考慮下面的問題，使估計值和觀測值之間的差異最小化

這里x是分析場，x^o是觀測場，H為從分析空間到觀測空間的插值算子，R為觀測誤差協方差矩陣，(·)^T代表轉置，(·)^-1代表逆。J(x)的梯度表示為：

事實上，代表觀測值x^o與分析網格上的估計值x之間的殘差。

為了進一步抑制觀測噪聲，將式(1)所描述的問題替換為

其中B是一個遞歸濾波算子，濾波參數α非常小。

(2)給定初猜值w＝w₀，然后選擇一個較小的濾波參數α₀和一個較大的參數α。

(3)將參數為α₀的遞歸濾波器應用于w，計算Bw。

(4)計算x^o-HBw，即觀測殘差。

(5)計算梯度：

(6)由于傳統的極小化算法(如最陡下降、LBFGS和共軛梯度法)解決不適定問題方面存在缺陷，對(3)式求解可能不會產生良好的分析結果，故在最小化過程的每次迭代中，應對代價函數的梯度應用遞歸濾波器。將另一個帶參數α的遞歸濾波應用于得到其中E為遞歸濾波算子，即代表w處觀測殘差的“最長”波長。由于遞歸濾波算子是正定的，保證是一個下降方向，從而保證估計值與觀測值沿該方向的殘差減小。