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专利号: 2024105872518
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:2026-01-08
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于改进卷积神经网络的多源卫星有效波高融合方法,其特征在于,包括以下步骤:(1)构建多源卫星有效波高沿轨逐日数据集并进行预处理;多源卫星有效波高沿轨逐日数据集包括:多源卫星高度计有效波高数据、浮标实测有效波高数据、ERA5逐日有效波高数据;预处理具体如下:先利用浮标实测资料校准多源卫星有效波高和ERA5有效波高;再将多源沿轨有效波高融合数据进行格点化处理,得到缺测位置;

(2)基于多源卫星有效波高沿轨逐日数据集,提取对应真实值和缺测值位置,构建对应位置的mask掩码数据集,构建基于ERA5的有效波高数据的训练集;包括如下步骤:(21)首先,根据卫星数据选出适当的ERA5数据,然后,调整ERA5波高数据使其与卫星观测数据时空场保持一致即网格点一一对应;最后,对ERA5数据进行距平方差归一化处理,构成训练集;标准化公式为:;

其中,X为每月的海浪波高数据, 表示X标准化后的结果, 表示X的平均值, 表示X的标准差;

其中,适当的ERA5数据为确定好分辨率,时间、空间场范围的数据;

(22)构建训练集对应的mask掩码数据集,将与ERA5数据一一对应的卫星观测数据进行再处理,将数据集中的真实值替换为1,缺测值替换为0;

(3)搭建改进的深度学习模型RA‑PUNet,包括:部分卷积层、注意力机制结构Attention block和残差网络结构Residual block;包括如下步骤:(31)对于需要建立的数据,输入变量为当前地区的波高数据集,输出变量为当前地区初步长时间序列有效波高数据集;

(32)搭建深度学习模型RA‑PUNet包括:部分卷积层、注意力机制结构Attention block和残差网络结构Residual block;具体如下:部分卷积层是将原始卷积神经网络的卷积层进行替换,将卷积操作分为了部分卷积和掩码更新两部分,部分卷积对卷积范围内至少含有一个真实值的地区进行卷积,计算公式如下:;

T

其中,W为卷积核,X为输入值,M为对应的mask掩码, 代表卷积范围内真实值个数的影响,为哈达玛积即矩阵对应位置相乘;

掩码更新为对卷积范围内至少含有一个真实值的地区进行更新,结果更新为1,否则为

0,计算公式如下:

残差网络结构包括直接映射部分和残差部分;每次卷积操作后,将得到的值与卷积操作前的值相加作为下一神经元的输入量,计算公式如下:;

其中, 为下一神经元的输入值, 为当前神经元的输入值, ’为1×1卷积操作,为 卷积后的值;

注意力机制是对跳跃连接后的数据进行注意力加权处理;

(33)将均方差误差MSE作为损失函数;

(4)基于步骤(2)的训练集,mask掩码数据集和RA‑PUNet模型进行训练;调整模型结构及参数,训练得到最精确的建立波高场;调整模型结构及参数包括:学习率,batch‑size,最大迭代次数;

(5)基于多源卫星高度计有效波高数据,建立出无缺测的海面有效波高融合数据集;包括以下步骤:(51)收集目标时空场的波高数据,并构建mask掩码数据集,输入的数据集中的缺测值用当月的波高的均值进行填充,共同组成输入变量;

(52)基于输入变量和训练好的模型得到未去归一化的融合数据集,结合对应时间的波高场的平均值去归一化得到最终的自主可控、精度一致的分辨率多源逐日有效波高融合数据集。