一种海洋流场临界点提取方法

技术领域

本发明涉及海洋探测领域，尤其是一种海洋流场临界点提取方法。

背景技术

海洋是一个开放的，具有多样性的复杂系统，有着各种不同尺度、不同层次的运动形态，且随着海洋探测技术的快速发展，人类取得的海洋数据规模庞大，数据类型复杂。通过提取海洋特征结构来清晰直观地表现海洋现象是一种有效的可视化海洋的方法。

目前，田丰林等人(专利号：CN104915670A)发明涉及一种基于HOG特征提取的全球海洋中尺度涡识别算法。该算法使用卫星高度计数据,基于HOG特征提取方法检测涡旋最大地转速度特征线,确定涡旋所在区域,通过向里收缩和向外扩展的方式迭代来确定涡旋中心和涡旋边界,并在迭代的过程中加以涡旋性质的限制,从而确定涡旋空间位置及尺度,完成海洋中尺度涡的识别；该方法以高度计图像的HOG特征值,作为涡旋识别的参数,避免在赤道附近进行涡旋识别时受科氏力的影响而造成结果不准确,提高了涡旋识别的准确率和效率。

武晓博等人(专利号：CN110502801A)发明公开了一种海洋温度锋自动追踪和特征参数信息提取方法：(1)温度梯度场的建立；(2)温度锋横断面的确定；(3)温度锋特征参数的确定；(4)锋区中心位置的追踪；(5)遍历海区内所有网格点,得到海区内所有的海洋温度锋,并提取相应的温度锋特征参数信息,用于海洋中尺度现象研究并对未来海洋温度锋的分布做出可能性预测。本发明在温度水平梯度法原理的基础上,以网格遍历和物体质心权重分配的方式自动追踪海洋温度锋面中心位置,同时实现对海洋温度锋的强度、宽度、边界等特征参数信息的协同一致性提取,解决了传统的海洋温度锋提取方法仅能提供锋面的中心位置而不能同时给出锋区的强度、宽度、边界等关键特征参数信息的问题。而临界点作为海洋的重要特征，是海洋流场拓扑结构分析的基础和重要组成部分，但相关发明较少。

已有的海洋特征提取发明中，大多是针对涡旋、海洋锋等物理特征的提取，缺少对拓扑特征如临界点、特征线等的提取方法研究。而临界点作为海洋流场拓扑结构分析的基础和重要组成部分，对于海洋流场拓扑结构特征的研究具有重要意义。

同时，在目前的海洋流场临界点提取研究中，基本靠数学方法实现。数学方法是基于临界点速度分量均为0的假设，但由于所采用的的海洋流场再分析数据中可能存在计算舍入误差造成的近0值速度向量，并且在实际的流场物理场景中，也存在速度非零的临界点，因此会造成部分临界点的遗漏。最终提出的临界点提取方法不能综合考虑理论和现实流场的特点而导致临界点提取不够全面、合理。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提出了一种海洋流场临界点提取方法，用于全面合理的提取海洋流场临界点。

本发明采用如下技术方案：

一种海洋流场临界点提取方法，包括以下步骤：

步骤S11：获取海洋流场再分析数据，并进行数据处理；

步骤S12：根据步骤S11获取的海洋流场数据及相关信息，参考现有临界点提取算法，给出新的临界点提取算法；

步骤S13：根据步骤S11获取的流场数据及S12获取的临界点位置信息，依据二维流场中的临界点分类标准，进行临界点分类。

所述步骤S11中获取海洋流场再分析数据包括速度分量u、速度分量v和合速度uv数据；

对数据进行预处理，主要包括以下步骤：数据裁剪、相交、叠加、计算、去噪。

所述步骤S12新的临界点提取算法包括基于滑动窗口的双线性插值算法、基于Sperner完全标号的最小值法。

所述基于滑动窗口的双线性插值算法根据目前现有的双线性插值算法提出改进，主要包括以下步骤：

S12-a：设置2*2滑动窗口遍历整个海洋流场数据，满足网格数据流速异号条件的筛选为临界点网格候选单元；

S12-b：对于插值过程中二义性网格单元的临界点等值线连接方式，通过降低分辨率的聚合思想解决二义性网格插值问题；

S12-c：同时，全面考虑候选网格单元中0值网格单元的临界点等值线连接方式，通过迭代聚合思想解决0值候选网格单元的插值问题；

S12-d：对候选网格单元进行双线性插值求解临界点位置。

所述基于Sperner完全标号的最小值法根据目前现有的基于Sperner完全标号的临界点检测算法提出改进，主要包括以下步骤：

S12-A：设置2*2滑动窗口，筛选符合Sperner完全标号的临界点候选网格单元；

S12-B：提出最小值法提取规则，通过选择速度向量模最小的网格中心点作为临界点代替插值求解临界点位置。

所述基于Sperner完全标号的最小值法中，将速度向量模最小的网格中心作为临界点，避免插值处理过程，提高临界点提取效率，同时解决实际流场物理场景中非0值的临界点提取问题。

所述步骤S13中临界点分类包括如下步骤：

S13-1：分别对基于滑动窗口的双线性插值算法、基于Sperner完全标号的最小值法的临界点提取结果进行分类；

S13-2：对比分析两种算法的临界点提取与分类结果；

S13-3：统计分析两种算法提取的临界点类型及个数，对比分析临界点提取结果图，两种算法是互补的，选择两种算法提取结果的并集作为临界点提取最终结果。

所述步骤S13-3中，将两种算法提取的临界点进行合并、去重处理，综合考虑0值和非0值临界点的存在，依据提取临界点处的速度矢量对其位置矢量求偏导，求解雅克比矩阵及特征值，根据特征值的正负对临界点进行分类。

在二维流场中是指矢量场的两个分量均为零的点，对于非退化的临界点(x，y)，用临界点位置处的偏导数矩阵(即雅克比矩阵)来表征矢量场及其附近曲线的行为，其公式如下：

对于二维流场，可根据雅克比矩阵两个特征值λ1和λ2的实部R和虚部I的正负情况，来进行临界点分类。

针对海洋流场速度方向计算，海流合速度与水平方向夹角α计算如下：

当uArray[i,j]≠0,vArray[i,j]≠0时，令

由于反正切函数的值域为

进一步地，所述海洋流场临界点提取方法依托海洋流场数据处理平台实现，所述海洋流场数据处理平台包括应用功能层、功能逻辑和数据层；

应用功能层设计包括原始数据加载模块(速度分量u、速度分量v、合速度大小uv、速度分量u、v夹角arctan)、合速度方向计算模块、临界点提取模块(双线性插值法、Sperner完全标号法)、临界点分类模块(双线性插值法、Sperner完全标号法)、输出数据模块；

功能逻辑和数据层包括数据管理子系统、临界点提取与分类平台、海洋流场基础数据、海洋流场综合数据库。

采用如上技术方案取得的有益技术效果为：

本发明采用基于滑动窗口的双线性插值算法、基于Sperner完全标号的最小值法求临界点，分别对两种算法临界点提取结果进行分类。对比分析两种算法的临界点提取与分类结果。统计分析两种算法提取的临界点类型及个数，选择两种算法提取结果的并集作为临界点提取最终结果。采用本发明提出的更加合理、有效的临界点提取方法，实现全面、准确的临界点提取，为进一步实现海洋流场拓扑分析的流线追踪奠定临界点基础，对于理解诸多海洋现象的产生、发展和演变等都具有十分重要的意义。

附图说明

图1为本发明海洋流场临界点提取方法的概括流程图；

图2为本发明海洋流场临界点提取方法的详细流程图；

图3为本发明海洋流场临界点提取方法的ArcGIS数据预处理截面图；

图4为本发明海洋流场临界点提取方法的双线性插值过程图；

图5为本发明海洋流场临界点提取方法的基于双线性插值的临界点分类结果；

图6为本发明海洋流场临界点提取方法的二维流场的完全标号示意图；

图7为本发明海洋流场临界点提取方法的基于Sperner完全标号的临界点分类结果；

图8为本发明海洋流场临界点提取方法的两种方法综合提取的临界点分类结果；

图9为实现本发明海洋流场临界点提取方法的系统平台架构图；

图10为本发明海洋流场临界点提取方法的临界点提取系统的界面截图。

具体实施方式

结合附图1至10对本发明的具体实施方式做进一步说明：

一种海洋流场临界点提取方法，包括以下步骤：

步骤S11：获取海洋流场再分析数据，并进行数据处理；

步骤S12：根据步骤S11获取的海洋流场数据及相关信息，参考现有临界点提取算法，给出新的临界点提取算法；

步骤S13：根据步骤S11获取的流场数据及S12获取的临界点位置信息，依据二维流场中的临界点分类标准，进行临界点分类。

获取海洋流场再分析数据包括速度分量u、速度分量v和合速度uv数据；对数据进行预处理，主要包括以下步骤：数据裁剪、相交、叠加、计算、去噪等。

根据目前现有的双线性插值算法，提出改进后的基于滑动窗口的双线性插值算法，主要包括以下步骤：设置2*2滑动窗口遍历整个流场数据，满足网格数据流速异号条件的筛选为临界点网格候选单元；对于插值过程中二义性网格单元的临界点等值线连接方式，通过降低分辨率的聚合思想解决二义性网格插值问题；同时，全面考虑候选网格单元中0值网格单元的临界点等值线连接方式，通过迭代聚合思想解决0值候选网格单元的插值问题；对候选网格单元进行双线性插值求解临界点位置。

根据目前现有的基于Sperner完全标号的临界点检测算法，提出改进后的基于Sperner完全标号的最小值法，主要包括以下步骤：设置2*2滑动窗口，筛选符合Sperner完全标号的临界点候选网格单元；提出最小值法提取规则，通过选择速度向量模最小的网格中心点作为临界点代替插值求解临界点位置。

分别对两种算法临界点提取结果进行分类。依据提取临界点处的速度矢量对其位置矢量求偏导，求解雅克比矩阵及特征值，根据特征值的正负对临界点进行分类。

对比分析两种算法的临界点提取与分类结果。统计分析两种算法提取的临界点类型及个数，对比分析临界点提取结果图，两种算法是互补的，选择两种算法提取结果的并集作为临界点提取最终结果。

算法验证。针对不同区域、不同深度的大量海洋流场数据进行多次验证分析，研究表明通过两种算法的综合处理，全面完整的提取了二维流场中的拓扑结构临界点。

进一步地，统计分析两种算法提取的临界点类型及个数两次提取结果进行合并、去重处理，综合考虑0值和非0值临界点的存在，依据提取临界点处的速度矢量对其位置矢量求偏导，求解雅克比矩阵及特征值，根据特征值的正负对临界点进行分类。

其中，在二维流场中是指矢量场的两个分量均为零的点，对于非退化的临界点(x，y)，可以用临界点位置处的偏导数矩阵(即雅克比矩阵)来表征矢量场及其附近曲线的行为，其公式如下：

对于二维流场，可根据雅克比矩阵两个特征值λ1和λ2的实部R和虚部I的正负情况，来进行临界点分类，具体分类标准如下：

马鞍点：特征值的虚部为0，且实部异号，即:I1＝I2＝0，R1*R2<0；

中心点：特征值的实部为0，且虚部互为相反数，即：R1＝R2＝0，I1＝-I2≠0；

排斥交点：特征值的虚部为0，且实部都是正的即：I1＝I2＝O，R1>0,R2>0；

吸引交点：特征值的虚部为0，且实部都是负的即：I1＝I2＝O，R1

排斥聚点：特征值是共额复数，且实部都是正的即：I1＝-I2≠0，R1＝R2>0；

吸引聚点：特征值是共额复数，且实部都是负的即：I1＝-I2≠0，R1＝R2<0；

如某一点的两个特征值为λ1＝0.0875+0.5675i，λ2＝0.0875-0.5675i，虚部互为相反数，实部相等大于0，则为排斥聚点。

针对海洋流场速度方向计算，海流合速度与水平方向夹角α计算如下：

当uArray[i,j]≠0,vArray[i,j]≠0时，令

由于反正切函数的值域为

表1速度角度值转换表

海洋流场临界点提取方法依托海洋流场数据处理平台实现，所述海洋流场数据处理平台包括应用功能层、功能逻辑和数据层，如图9所示。

应用功能层设计包括原始数据加载模块(速度分量u、速度分量v、合速度大小uv、速度分量u、v夹角arctan)、合速度方向计算模块、临界点提取模块(双线性插值法、Sperner完全标号法)、临界点分类模块(双线性插值法、Sperner完全标号法)、输出数据模块；

功能逻辑和数据层包括数据管理子系统、临界点提取与分类平台、海洋流场基础数据、海洋流场综合数据库。

应用本海洋流场临界点提取方法实例分析：

海洋流场数据来源于美国国家海洋和大气管理局(NOAA)的国家环境信息中心(NCEI)，为NetCDF格式的海洋再分析数据，包括了经向流速u和纬向流速v，数据空间范围是278°-296°E，20°-42°N，时间范围是2019年8月4日，深度为5000m，分辨率为0.033°。其中数据中的正负代表了海水流动的不同方向，东向和北向为正。在Arcgis中将NetCDF数据进行显示，并进行相关的预处理，界面如图3所示。

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基于双线性插值的临界点提取：

当网格单元足够小时，可以认为沿着网格的边数据场是连续线性变化的，因此可以利用双线性插值的方法在网格边上求出0值P、Q点的位置，如图4的(u)、(v)计算结果。分别连接u、v向计算结果中的插值点，两条连线的交点即为u、v向均为0值的临界点，如图4中(uv)中的M点。将提取的临界点进行分类，分类结果如图5所示。

基于Sperner完全标号的临界点提取：

依据Sperner完全标号理论，对4网格进行标号处理，若4个网格完全标号，则认为4个网格内存在临界点，二维流场完全标号示意图如图6所示。将4个候选网格中速度向量模最小的网格中心作为临界点，同样基于雅克比矩阵计算，对提取的临界点进行了分类，具体结果如图7所示。

两种算法综合的临界点提取分类结果：

通过将两种算法提取结果的合并、去重等处理，可得到如图8所示的更加全面的临界点提取与分类结果，其中，中心点6个，交点7个，吸引聚点7个，排斥聚点4个，共24个。

海洋流场临界点提取，采用本发明方法提出更加合理、有效的临界点提取方法，实现全面、准确的临界点提取，为进一步实现海洋流场拓扑分析的流线追踪奠定临界点基础，对于理解诸多海洋现象的产生、发展和演变等都具有十分重要的意义。

当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的指导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。