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专利号: 2024100731123
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:

1.一种基于协方差矩阵与DCN‑LSTM模型的大气温度廓线生成方法,其特征在于,包括以下步骤:(1)获取ATMS遥感数据与对应日期的ERA5再分析资料,并对ATMS数据进行预处理;

(2)对ATMS与ERA5数据进行时空匹配处理,并统计各参数的最大值与最小值,进行归一化处理;

(3)对ERA5温度廓线数据的平均值进行统计,获得平均值数据集,并利用该数据集计算各气压层间的协方差,获得协方差矩阵即背景协方差矩阵B;

(4)以归一化后的ERA5温度廓线数据作为真值,以归一化后的ATMS亮温、角度和地理定位信息作为输入,构建数据集,并将数据集按M:N的比例切分为测试样本与训练样本;

(5)构建引入协方差矩阵的DCN‑LSTM网络模型,并对该模型进行训练,通过计算全新的损失函数,利用反向传播算法对模型的参数进行优化;包括以下步骤:(51)DCN‑LSTM模型第一层为输入层,输入维度是17280×28;模型主体分为编码器结构与解码器结构,DNN模型作为编码器,LSTM模型作为解码器;

(52)DNN模型包含3个隐含层,第一层隐含层的输入维度是17280×28,隐含层后连接LeakyReLU激活函数与Dropout函数,输出的数据维度是17280×64;随后的2个隐含层均以前一层的输出作为输入,并且均包含LeakyReLU激活函数与Dropout函数;第二层的输出维度是17280×128,第三层的输出维度是17280×256;经过DNN特征提取后,数据大小为17280×256;

(53)利用一个1D CNN层连接DNN编码器与LSTM解码器,1D CNN层输入维度是17280×

256,输出维度是17280×512,层后连接LeakyReLU激活函数;1D CNN层的卷积核大小设为3,边缘填充大小(Padding Size)设为1,卷积核步长设为1;

(54)LSTM模块作为模型的解码器,LSTM模块同样包含3个隐含层,每一层包含512个LSTM神经元;数据经过LSTM解码后,维度不变;

(55)模型最后以一个全连接层作为输出层,调整输出维度为17280×37,并以ReLU作为激活函数,获得模拟的大气温度廓线;

(56)设计模型损失函数,包括两部分,公式如下:

其中,

其中,w为缩放系数,控制 与 的数量级; 代表MAE误差,y代表ERA5温度数据, 代表DCN‑LSTM模型的生成值;   代表y的协方差矩阵, 代表 的协方差矩阵;

(6)通过测试样本验证模型精度;若不满足预设精度,返回步骤(5)重新调优,若满足预设精度,则训练后的模型即为目标模型。

2.根据权利要求1所述的一种基于协方差矩阵与DCN‑LSTM模型的大气温度廓线生成方法,其特征在于,所述步骤(1)中,ERA5再分析资料包括:1000hpa至1hpa间的37层大气高度下的温度信息;ATMS数据预处理包括:亮温观测的定标处理,并提取观测角度信息,包括卫星天顶角、卫星方位角、太阳天顶角与太阳方位角,提取地理定位信息包括经度和纬度。

3.根据权利要求1所述的一种基于协方差矩阵与DCN‑LSTM模型的大气温度廓线生成方法,其特征在于,所述步骤(2)中,对各参数统计最大值与统计最小值,进行归一化处理;公式如下:;

其中,C代表数据集中的参数, 和 分别是统计获得的最大值与最小值; 是归一化后的参数。

4.根据权利要求1所述的一种基于协方差矩阵与DCN‑LSTM模型的大气温度廓线生成方法,其特征在于,所述步骤(3)中,协方差矩阵B为是37×37维度的对称矩阵,对角线为1。

5.根据权利要求1所述的一种基于协方差矩阵与DCN‑LSTM模型的大气温度廓线生成方法,其特征在于,所述步骤(4)中,获取训练样本后,以17280个样本为一组输入至网络模型中进行训练即Batch_Size=17280。

6.一种基于协方差矩阵与DCN‑LSTM模型的大气温度廓线生成系统,其特征在于,包括:数据获取模块:用于获取ATMS遥感数据与对应日期的ERA5再分析资料,并对ATMS数据进行预处理;

匹配模块:用于对ATMS与ERA5数据进行时空匹配处理,并统计各参数的最大值与最小值,进行归一化处理;

协方差矩阵模块:用于对ERA5温度廓线数据的平均值进行统计,获得平均值数据集,并利用该数据集计算各气压层间的协方差,获得协方差矩阵即背景协方差矩阵B;

构建数据集模块:用于以归一化后的ERA5温度廓线数据作为真值,以归一化后的ATMS亮温、角度和地理定位信息作为输入,构建数据集,并将数据集按1:9的比例切分为测试样本与训练样本;

DCN‑LSTM模块:用于构建引入协方差矩阵的DCN‑LSTM网络模型,并对该模型进行训练,通过计算全新的损失函数,利用反向传播算法对模型的参数进行优化;包括以下步骤:(51)DCN‑LSTM模型第一层为输入层,输入维度是17280×28;模型主体分为编码器结构与解码器结构,DNN模型作为编码器,LSTM模型作为解码器;

(52)DNN模型包含3个隐含层,第一层隐含层的输入维度是17280×28,隐含层后连接LeakyReLU激活函数与Dropout函数,输出的数据维度是17280×64;随后的2个隐含层均以前一层的输出作为输入,并且均包含LeakyReLU激活函数与Dropout函数;第二层的输出维度是17280×128,第三层的输出维度是17280×256;经过DNN特征提取后,数据大小为17280×256;

(53)利用一个1D CNN层连接DNN编码器与LSTM解码器,1D CNN层输入维度是17280×

256,输出维度是17280×512,层后连接LeakyReLU激活函数;1D CNN层的卷积核大小设为3,边缘填充大小(Padding Size)设为1,卷积核步长设为1;

(54)LSTM模块作为模型的解码器,LSTM模块同样包含3个隐含层,每一层包含512个LSTM神经元;数据经过LSTM解码后,维度不变;

(55)模型最后以一个全连接层作为输出层,调整输出维度为17280×37,并以ReLU作为激活函数,获得模拟的大气温度廓线;

(56)设计模型损失函数,包括两部分,公式如下:

其中,

其中,w为缩放系数,控制 与 的数量级; 代表MAE误差,y代表ERA5温度数据, 代表DCN‑LSTM模型的生成值;   代表y的协方差矩阵, 代表 的协方差矩阵;

调优模块:用于通过测试样本验证模型精度;若不满足预设精度,返回DCN‑LSTM模块重新调优,若满足预设精度,则训练后的模型即为目标模型。

7.一种计算机设备,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序,其特征在于,所述计算机程序被加载至处理器时实现根据权利要求1‑6中任一项所述的一种基于协方差矩阵与DCN‑LSTM模型的大气温度廓线生成方法。

8.一种计算机存储介质,所述存储介质存储有计算机程序,其特征在于,所述计算机程序被处理器执行时实现根据权利要求1‑6中任一项所述的一种基于协方差矩阵与DCN‑LSTM模型的大气温度廓线生成方法。