基于人工智能的海面風(fēng)場融合領(lǐng)域

背景技術(shù)：

1、海面風(fēng)場是海洋災(zāi)害監(jiān)測的重要因子，為研究海氣相互作用、熱帶環(huán)流、海洋環(huán)流、大氣對流、天氣預(yù)報(bào)以及氣候監(jiān)測提供了大量有用信息，同時也滿足了全天候監(jiān)測的需要。海面風(fēng)場對海洋航運(yùn)、海上捕魚作業(yè)以及海洋工程等活動的安全進(jìn)行，也有很重要的影響。在中國近海區(qū)域，海洋災(zāi)害絕大部分都與海面風(fēng)場密切相關(guān)，因此，對我國近海海面風(fēng)場的深入研究，不僅對臺風(fēng)等海洋天氣形勢的分析預(yù)報(bào)具有重要意義，而且可以為近海區(qū)域開展研究提供背景信息。

2、傳統(tǒng)的海面風(fēng)場測量主要是通過一些測風(fēng)傳感器實(shí)地測量得到，包括船舶、海上浮標(biāo)、沿岸海洋觀測站等手段來實(shí)現(xiàn)。一方面，傳統(tǒng)的測量方法有其不可替代的優(yōu)勢，即實(shí)地測量時間間隔短，數(shù)據(jù)精度高，最接近真實(shí)值，可以將其獲得的常規(guī)觀測數(shù)據(jù)作為相對真值對其他風(fēng)場產(chǎn)品進(jìn)行驗(yàn)證檢驗(yàn)等工作。另一方面，該類現(xiàn)場觀測成本高昂，而且海洋面積廣闊，現(xiàn)場獲取的海面風(fēng)場資料有限，無法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模海面風(fēng)場的觀測在時間和空間上的連續(xù)性。此外，由于海洋環(huán)境惡劣，儀器耗費(fèi)高等原因，我國海洋資料監(jiān)測點(diǎn)多設(shè)置于沿海一帶，且數(shù)量有限，分布較為稀疏，所以傳統(tǒng)監(jiān)測方法很難對海洋進(jìn)行長時間、大面積的實(shí)時監(jiān)測，甚至很多海洋數(shù)據(jù)都根本無法被監(jiān)測到，以至于滿足不了日常生活和研究中對海洋數(shù)據(jù)的需求。

3、隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的迅速發(fā)展，使得廣闊海域的風(fēng)場觀測成為可能。與傳統(tǒng)觀測手段相比，衛(wèi)星遙感具有大面積、準(zhǔn)同步、全天候和全天時的觀測能力，衛(wèi)星遙感技術(shù)以其宏觀大尺度、快速、同步和高頻動態(tài)觀測等優(yōu)點(diǎn)，為海面風(fēng)場監(jiān)測提供了一個嶄新的技術(shù)手段。但衛(wèi)星資料由于其采樣特點(diǎn)，其產(chǎn)生的海面風(fēng)場數(shù)據(jù)存在數(shù)據(jù)空白區(qū)和無法提供時間、空間上連續(xù)等缺點(diǎn)。在衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品中，為最大限度地保存觀測數(shù)據(jù)的信息，并節(jié)省存儲空間，數(shù)據(jù)產(chǎn)品采用沿軌存儲的方式，即沿衛(wèi)星軌道方向存儲風(fēng)場、海面溫度等海洋參數(shù)，并同時記錄對應(yīng)的觀測時間等信息。

4、為了解決常規(guī)觀測數(shù)據(jù)和衛(wèi)星風(fēng)場數(shù)據(jù)存在的問題，海面風(fēng)場數(shù)據(jù)融合被認(rèn)為是非常有效的手段之一。通過數(shù)據(jù)融合可以優(yōu)化遙感信息資源利用，實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的優(yōu)勢互補(bǔ)。在中國近海區(qū)域內(nèi)，通過融合方法把多源數(shù)據(jù)結(jié)合起來，形成覆蓋近海區(qū)域的高分辨率的時間空間連續(xù)的風(fēng)場數(shù)據(jù)集，這將對近海區(qū)域研究以及海洋預(yù)報(bào)都有著重要的意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：提供一種基于預(yù)訓(xùn)練的稀疏標(biāo)簽海上風(fēng)場融合方法，并且采用以全監(jiān)督進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練，之后以部分監(jiān)督進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)微調(diào)的訓(xùn)練方式。

2、本發(fā)明技術(shù)解決方案的特點(diǎn)在于包括下列步驟：

3、1.一種基于預(yù)訓(xùn)練的稀疏標(biāo)簽海上風(fēng)場融合方法；并且采用以全監(jiān)督進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練，之后以部分監(jiān)督進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)微調(diào)的訓(xùn)練方式，其包括下列步驟：

4、1)降低u-net網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練深度，從而減少模型產(chǎn)生的權(quán)重?cái)?shù)量，使較少的訓(xùn)練標(biāo)簽?zāi)軌驅(qū)W(wǎng)絡(luò)模型的權(quán)重更新起到的作用；因此我們將網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練深度改為2，并將其命名為ud2-net網(wǎng)絡(luò)；

5、2)采用全監(jiān)督的方式去進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)模型的預(yù)訓(xùn)練，使網(wǎng)絡(luò)模型能夠更快的收斂；基于浮標(biāo)船舶數(shù)據(jù)和grapes_1km模式數(shù)據(jù)構(gòu)造偽標(biāo)簽，以便進(jìn)行全監(jiān)督預(yù)訓(xùn)練；

6、3)ud2-net模型通過少量站點(diǎn)對整個區(qū)域進(jìn)行訂正，即再使用僅有的浮標(biāo)和船舶數(shù)據(jù)真值標(biāo)簽采用部分監(jiān)督對網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行微調(diào)；

7、2.采用以全監(jiān)督進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練，之后以部分監(jiān)督進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)微調(diào)的訓(xùn)練方式，所述步驟2)中制作偽標(biāo)簽的方法：

8、基于浮標(biāo)船舶數(shù)據(jù)和grapes_1km模式數(shù)據(jù)為所有的輸出數(shù)據(jù)按照一定邏輯構(gòu)造出相對合理的標(biāo)簽的“真值”，方便進(jìn)行全監(jiān)督訓(xùn)練。其損失函數(shù)定義如下：

9、

10、其中，nms和nfb分別代表grapes_1km模式數(shù)據(jù)和浮標(biāo)船舶數(shù)據(jù)的總數(shù)量，yi代表網(wǎng)絡(luò)的輸出值，xi代表標(biāo)簽真值；

11、3.采用以全監(jiān)督進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練，之后以部分監(jiān)督進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)微調(diào)的訓(xùn)練方式，所述步驟3)基于ud2-net模型采用部分監(jiān)督的方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)模型的微調(diào)，即將浮標(biāo)和船舶數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練標(biāo)簽；損失函數(shù)定義如下：

12、

13、其中，n代表部分監(jiān)督標(biāo)簽的總數(shù)量，yi代表網(wǎng)絡(luò)輸出的值，xi代表浮標(biāo)和船舶數(shù)據(jù)的真值。

技術(shù)特征：

1.一種基于預(yù)訓(xùn)練的稀疏標(biāo)簽海上風(fēng)場融合方法；并且采用以全監(jiān)督進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練，之后以部分監(jiān)督進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)微調(diào)的訓(xùn)練方式，其特征在于包括下列步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于ud2-net網(wǎng)絡(luò)的單層模式數(shù)據(jù)訂正方法，并且采用以全監(jiān)督進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練，之后以部分監(jiān)督進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)微調(diào)的訓(xùn)練方式，其特征在于所述步驟2)中制作偽標(biāo)簽的方法：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于ud2-net網(wǎng)絡(luò)的單層模式數(shù)據(jù)訂正方法，并且采用以全監(jiān)督進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練，之后以部分監(jiān)督進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)微調(diào)的訓(xùn)練方式，其特征在于所述步驟3)基于ud2-net模型采用部分監(jiān)督的方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)模型的微調(diào)，即將浮標(biāo)和船舶數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練標(biāo)簽；損失函數(shù)定義如下：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種基于預(yù)訓(xùn)練的稀疏標(biāo)簽海上風(fēng)場融合方法，并且采用以全監(jiān)督進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練，之后以部分監(jiān)督進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)微調(diào)的訓(xùn)練方式。其特征是使用模式數(shù)據(jù)和浮標(biāo)數(shù)據(jù)制作偽標(biāo)簽來進(jìn)行全監(jiān)督預(yù)訓(xùn)練，使網(wǎng)絡(luò)快速收斂，之后再基于僅有的訓(xùn)練標(biāo)簽利用部分監(jiān)督方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的微調(diào)。最終在不同的GRAPES_1KM模式數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)集上驗(yàn)證了由于網(wǎng)絡(luò)模型的訂正效果，進(jìn)一步證明了UD2?Net網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)融合方面的可行性和有效性。

技術(shù)研發(fā)人員：姚彥鑫,崔文龍
受保護(hù)的技術(shù)使用者：北京信息科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/24