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专利号: 2022104178309
申请人: 南京信息工程大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-06-16
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.综合多时空尺度多普勒雷达数据的降雨强度估计方法,其特征在于:包括以下步骤:S1、获取多普勒单偏振雷达数据和地面自动气象站观测数据;

S2、获取雷达反射率因子、气象因子和地理因子,所述雷达反射率因子为主要输入,所述气象因子和地理因子辅助输入,所述气象因子使用温度和湿度,所述地理因子采用高程,对数据进行初步的预处理;

S3、采用组合反射率,选取离国家气象站最近的网格点作为反射率因子的中心,然后将极坐标系下的雷达数据转为笛卡尔坐标系下的网格数据,再使用反距离加权插值法规整数据,并利用马氏距离去除噪声,进行雷达数据的质量控制,获取准确的雷达经纬度数据;

S4、获得所有时刻、所有站点在笛卡尔坐标系下的单层1×400×400的数据集,以国家气象站点为中心切割,分别获取大小为1×100×100、和1×25×25的单层数据集,并对所有数据进行归一化处理,将三个单层数据集合并为一个数据样本保存;

S5、以站点实际降水量为地面真值标签,将数据按照2:8的比例划分为测试集和训练集,最终将所有数据以矩阵的形式进行保存;

S6、建立使用深度学习技术设计的降雨强度估计模型,使用混合空洞卷积进行雷达数据图像降水特征提取,使用最大池化进行下采样,去除冗余信息,对特征进行压缩,简化网络复杂度,具体的,对于大小为K的普通卷积核,相对应的空洞卷积核大小为K+(K‑1)*(R‑

1),其中,R为采样特征图时的空洞率,对于数量为N的卷积层,每一层的卷积核大小为K,其膨胀率为[r1,r2,…,ri],其最大膨胀率需要满足以下公式:Mi=max[Mi+1‑2ri,Mi+1‑2(Mi+1‑ri),ri]

其中,ri为第i层的膨胀率,Mi是第i层的最大膨胀率;

使用non‑local模块增大高层网络的感受野,获取的信息分布更广,具体的,non‑local模块直接计算两个位置的交互,并且只用到几层,输入尺度多样,和其他模型进行结合,捕获全局的时空特性,分配不同的权重,最后聚合在每一个位置,方程式为如下公式:其中x是输入,y是输出,f函数计算x的第i个位置的特征和x的第j个位置的特征相似度,g函数计算x第j个位置的特征的一种表示,C(x)用来归一化;由此看到,y的第i个位置的特征,是x的所有位置的特征的加权平均,当f函数选择EmbeddedGaussian时,等于 在j维度上求softMax,因此也是自注意力的形式;对输出的三个不同特征映射,使用1×1卷积操作实现,对不同模块进行相乘,得到全局像素点两两之间的相似度分数,在通过softMax函数,将相似度分数转化为全局信息对于每一个像素点的权重分数,每一个位置的输出用Zi来表示,即为全局信息的加权和;

式中添加输入作为残差项使non‑local模块更加稳定;

使用多尺度注意力模块,平衡以站点为中心的大尺度图像和小尺度图像,具体的,多尺度注意力模块,接受两个输入,即小尺度特征图xM和大尺度特征图xL,小尺度特征图经过特征映射作为Key模块,大尺度特征图经过特征映射作为Query模块;将Key模块和Query模块相乘即为xM和xL逐像素的相似度评分矩阵,如下公式:T

Gi,j=(Wk*(xM)i) *(WQ*(xL)j)

将输入作为shortcut连接在模型的最后;

S7、初始化模型各神经元权重、训练次数、学习率、学习率衰减系数,通过特征提取网络和全连接神经网络得到降水估计值,对预测结果计算损失;获得最佳网络模型及参数;

S8、将测试集中的数据作为输入层数据,输入到网络模型当中,获得相应的预测降水量数据;

S9、选定衡量模型性能的评价指标,衡量真实值和估计值的相关性,并根据结果分别在时间和空间维度上进行分析,得到最优结果。

2.根据权利要求1所述的综合多时空尺度多普勒雷达数据的降雨强度估计方法,其特征在于:S1中,于中国气象数据网分别获取多普勒雷达基数据和地面站降水数据。

3.根据权利要求1所述的综合多时空尺度多普勒雷达数据的降雨强度估计方法,其特征在于:S3中,去除噪声的步骤包括:利用常规回波图片处理的方法去噪和将小于70的像素点过滤去除。

4.根据权利要求1所述的综合多时空尺度多普勒雷达数据的降雨强度估计方法,其特征在于:S7中,采用均方误差和平均绝对误差的加权组合作为损失函数,对预测结果计算损失;利用神经网络进行反向传播,计算各权重梯度,按照梯度下降算法对权重进行更新,不断调整神经元权重,直到训练集误差在合理范围内,停止网络训练,获得最佳网络模型及参数。

5.根据权利要求1所述的综合多时空尺度多普勒雷达数据的降雨强度估计方法,其特征在于:S9中,采用均方根误差、平均绝对误差和相关系数作为衡量模型性能的评价指标。