1.一种使用卫星云图识别冷锋的深度学习方法,其特征在于,包括:
S1、获取气象数据,计算850hPa温度平流,绘制卫星红外云图和气象要素图,具体内容为:S101、选择海平面气压场、地面10m风场、850hPa温度场和风场,设定空间分辨率,下载ERA‑5资料和卫星全圆盘标称图像文件,选择40~160°E、10~66°N范围,计算850hPa温度平流,具体公式为:其中,u表示850hPa的纬向水平风,v表示850hPa的经向水平风,表示u、v的复合风,x表示纬向,y表示经向,T表示850hPa的温度进行平滑后的温度值, 表示T的梯度;
S102、使用单一色图绘制卫星红外云图、海平面气压图和850hPa温度平流图;
S2、对卫星红外云图进行预处理,具体内容为:
S201、将卫星红外云图按照设定比例分为训练集和验证集,制作云区域标签,生成对应的注释文件和标签集中物体类数的文件,设置类数为一类,获得红外云图云区域数据集;
S202、设置数据集类别、损失函数、批次样本数量和学习率,使用预训练权重在U‑Net模型上进行训练,直到损失函数曲线收敛后停止,保存权重文件,将步骤S201中的红外云图云区域数据集输入到训练完成的U‑Net模型中,得到云图的初步分割结果;
S203、读取初步分割图,分别标记出图中各个独立的云区;判断独立云区包括以下内容:遍历初步分割图中的每一个格点,若相邻格点的灰度值不为0,则将这些格点判断为相连通的格点,标记相同的数值,继续扩展直至这些格点周围所有不为0的格点都已标记,则得到内部所有格点全部标记为相同数值的连通区域,该连通区域则为独立的云区;
S204、读取卫星云图的灰度图和云区分块文件,选定一个时次,读取各个独立云区的位置,将该位置对应到卫星云图的灰度图的格点上,提取每个独立云区的最高灰度值和云区域平均灰度值的平均值作为区域代表灰度值,根据该值落入的灰度值的数值范围和季节基准获取筛选权重;
S205、选定一个时次,根据筛选权重处理图像,将每个独立云区内灰度值小于筛选权重的格点重新赋值为0,其余格点保持原像素值,将该时次内所有独立云区按照原位置重新拼成一张图,得到风云二号气象卫星FY‑2红外云图的预处理结果;
S3、读取预处理云图、气象要素图和850hPa温度平流图的灰度图像,分别放置到RGB图像的R、G、B通道中,叠加成RGB图像数据集;
S4、利用步骤S1中的气象数据、850hPa温度平流和步骤S2中的预处理云图,制作冷锋标签集,具体内容为:S401、根据ERA‑5海平面气压场、地面10m风场、850hPa温度场和风场资料,对应RGB图像的时次绘制冷锋分析要素图,该图包含850hPa温度平流、850hPa温度、平均海平面气压和地面10m风场的冷锋分析要素图;
S402、在冷锋分析要素图和预处理云图中,找到满足高空与冷锋云系相对应、位于
850hPa冷平流区前方、地面图上存在等值线的最大气旋式曲率、存在地面10m风从偏北风到偏南风的转向和与850hPa等温线大致平行的格点,将其标记为冷锋格点,连接成独立的、完整的冷锋粗线条;
S403、提取冷锋粗线条,将确定为冷锋的格点设置为白色,其他格点设置为黑色,获得黑白二值图像;
S404、读取黑白二值图像,遍历所有格点,将一个连通区域判断为一条独立锋线,提取出独立冷锋的粗线条位置,将每一条独立锋线按照对应的位置分条存放在图片中,并处理为黑白二值图像,获得冷锋标签图片,得到冷锋标签集;
S5、利用步骤S3中的RGB图像数据集和步骤S4中的冷锋标签集生成冷锋识别数据集,将该数据集输入到DETR模型中进行训练并测试,获得冷锋的识别结果。
2.根据权利要求1所述的使用卫星云图识别冷锋的深度学习方法,其特征在于,步骤S5中,得到冷锋识别结果包括以下子步骤:S501、将步骤S3中的RGB图像数据集按照设定比例随机抽取为训练集和验证集,利用冷锋标签集生成对应的注释JSON文件,将训练集、验证集和注释文件组合获得冷锋识别数据集;
S502、将冷锋识别数据集输入到DETR模型中,设置数据集类别、损失函数、批次样本数量、学习率和权重衰减,使用预训练权重在GPU上进行训练,生成存在冷锋的预测框,完成目标检测;设置冻结权重,在目标检测输出的顶部并添加mask头继续训练,完成目标分割;
S503、将DETR模型训练至损失函数曲线收敛后停止,保存权重,并设置参数的权重,将选取时次生成的RGB图像输入到训练完成的DETR模型中,得到冷锋识别结果。
3.应用于权利要求1所述的一种使用卫星云图识别冷锋的深度学习方法的系统,其特征在于,包括:数据获取模块,用于获取气象数据,计算850hPa温度平流,绘制卫星红外云图和气象要素图;
图像预处理模块,用于对数据获取模块中的卫星红外云图进行预处理;
RGB图像数据集获取模块,用于读取预处理卫星红外云图、气象要素图和850hPa温度平流图的灰度图像,分别放置到RGB图像的R、G、B通道中,叠加成RGB图像数据集;
冷锋标签集制作模块,用于利用数据获取模块中的气象数据、850hPa温度平流和图像预处理模块中的预处理卫星红外云图,制作冷锋标签集;
冷锋识别获取模块,用于将RGB图像数据集获取模块中的RGB图像数据集和冷锋标签集制作模块中的冷锋标签集输入到DETR模型中进行训练并测试,获得冷锋的识别结果。
4.一种电子设备,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,所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至2中任一项所述方法的步骤。
5.一种计算机可读的存储介质,所述计算机可读的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运行时执行所述权利要求1至2中任一项所述的方法。