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专利号: 2024100111169
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:2025-12-30
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于深度学习的北极海冰密集度预测方法,其特征在于,具体包括如下步骤:步骤1:获取北极海冰密集度数据和ERA5气象因子数据;

步骤2:对气象因子数据进行预处理,使得气象因子数据与北极海冰密集度数据空间对齐;

步骤3:将同时刻的北极海冰密集度数据与气象因子数据在通道维度上拼接,得到多源融合数据;

步骤4:将步骤3中的多源融合数据按照时间分成n组,建立特征提取网络;该特征提取网络包括n个特征提取模块,一个特征提取模块对应一组多源融合数据组,将每组多源融合数据组按照时间顺序输入至对应的特征提取模块;

步骤5:将第t组多源融合数据组输入到特征提取网络的第t个特征提取模块中,提取多源融合数据组的时空特征;t=1,2,…,n;

步骤6:将特征提取网络的输出输入至自适应权重分配网络中,得到海冰密集度预测值;

所述特征提取模块包括7层以ConvLSTM为主的特征提取层,特征提取模块的表达式为:L1=MaxPool{ConvLSTM(xt)}

L2=MaxPool{ConvLSTM(L1)}

L3=MaxPool{ConvLSTM(L2)}

L4=ConvLSTM(L3)

L5=ConvLSTM{UpSample(L4+L3)}

L6=ConvLSTM{UpSample(L5+L2)}

L7=ConvLSTM{UpSample(L6+L1)}

其中,Ll表示第l层特征提取层的输出特征,l=1,2,3…,7,xt表示第t个特征提取模块的输入数据,ConvLSTM表示卷积化的长短期记忆网络,MaxPool为最大池化,UpSample为上采样,相邻两个特征提取模块的同一层特征提取层中的ConvLSTM单元之间相互连接;

每层特征提取层的ConvLSTM中引入上下文模块,所述上下文模块包括:全局池化层、Softmax层和加权求和层;第l层特征提取层中的ConvLSTM的结构如下所示:ft=σ(Wf*[Ht‑1,Ll‑1]+bf)

it=σ(Wi*[Ht‑1,Ll‑1]+bi)

ct'=tanh(Wc*[Ht‑1,Ll‑1]+bc)

ot=σ(Wo*[Ht‑1,Ll‑1]+bo)

Ct=ft*Ct‑1+it*ct'

Hl=ot*tanh(ct')

Ht'=Wx*[Ht‑1,Ll‑1]

其中,t表示第t个特征提取模块,σ表示sigmoid激活函数,Tanh表示双曲正切激活函数,ft表示遗忘门的输出结果,bf遗忘门的偏置项,Wf表示遗忘门的权重,Ll‑1表示第t个特征提取模块的第l‑1层特征提取层的输出,Ht‑1表示第t‑1个特征提取模块的第l层特征提取层中ConvLSTM的输出,Hl表示第t个特征提取模块的第l层特征提取层中ConvLSTM的输出,it表示输入门的输出结果,Wi表示输入门的权重,bi表示输入门的偏置项,ct'表示细胞状态的输出结果,Wc表示细胞状态的权重,bc表示细胞状态偏置项,ot表示输出门的输出结果,Wo表示输出门的权重,bo表示输出门的偏置项,Ct表示输出的细胞状态信息,Ct‑1表示第t‑1个特征提取模块的第l层特征提取层输出的细胞状态,Softmax为归一化,Ht'表示临时变量,Wx为计算临时变量的权重,Ht'k表示Ht'的第k个通道维度上的数据,GAP代表全局平均池,∑表示加权求和操作。

2.根据权利要求1所述的一种基于深度学习的北极海冰密集度预测方法,其特征在于,所述ERA5气象因子为每月再分析数据,包括2m温度、2m露点温度、海面平均温度、10m风的u分量和v分量。

3.根据权利要求1所述的一种基于深度学习的北极海冰密集度预测方法,其特征在于,所述步骤2中采用极地投影法对气象因子数据进行预处理。

4.根据权利要求1所述的一种基于深度学习的北极海冰密集度预测方法,其特征在于,所述步骤4中以一年为周期,按照月份对多源融合数据进行分组,得到12个连续月份的多源融合数据组。

5.根据权利要求1所述的一种基于深度学习的北极海冰密集度预测方法,其特征在于,所述自适应权重分配网络的表达式如下所示:其中,t表示第t个特征提取模块,ht表示第t个特征提取模块的输出,Concat表示拼接操作,GAP表示全局平均池化,MLP表示多层感知机,Softmax为归一化,∑表示加权求和操作。