基于卷积神经网络的涡旋检测

论文总字数：22259字

目 录

1绪论1

1.1涡旋概述1

1.2研究目的和意义1

1.3研究主要内容2

2国内外研究现状3

3数据准备4

3.1海面高度图预处理4

3.2相应真值图的制作4

3.3训练及测试数据集的构建5

4网络结构及算法分析7

4.1全卷积网络结构及性能分析7

4.2基于全卷积网络的涡旋检测及分类算法分析13

5实验13

5.1实验过程分析13

5.2量化结果分析16

六、总结与展望18

参考文献19

致谢21

基于卷积神经网络的涡旋检测

马芙蓉

,China

Abstract: In this paper, a convolutional neural network is proposed to detect and classify eddies in sea surface height maps. The network is a fully convolutional network consisting of a convolutional layer, a deconvolution layer, and a pixel-wise classification layer. Its input can be any size picture, the output is an image of the same size as the input, and the network used for eddy detection, the output of the pixel mark in the form of: {'0': non-eddy, '1 ':eddy}. A network used to detect eddies and distinguish whether the eddies are cyclones or anticyclones. The output of the pixels is marked by: {'0': non-eddy, '1': cyclone, '2': anticyclone }.

Key words:Eddy;Detection;Classification;Convolution Neural Networks

1绪论

1.1涡旋概述

在广阔的海洋之中，涡旋是无所不在的。海洋中的涡旋通常被划分为两类，即气旋与反气旋。如果位于相同的高度上，涡旋的中心气压低于四周的气压，那么这样的涡旋就被称为气旋；如果位于相同的高度上，涡旋的中心气压高于四周的气压，那么这样的涡旋就叫做反气旋。同时由于地转偏向力的影响，北半球气旋范围内的气流呈现出逆时针方向旋转，反气旋范围内的气流呈现出顺时针方向旋转，而在南半球则与之相反。在气旋的中心，海水是从下往上运动的。涡旋在垂直运动的过程中，会将下层较冷的海水带到上层较暖的海水中去，使得涡旋内部水温低于周围海水温度，所以气旋又被称为冷涡旋；而在反气旋的中心，海水是从上往下运动的。涡旋在垂直运动的过程中会将上层较暖的海水带到下层较冷的海水中去，使得涡旋内部水温高于其周围海水温度，所以反气旋又被称为暖涡旋。海洋涡旋的图片如下图1.1所示。

1.1 海洋涡旋

那么海洋中这些涡旋究竟是怎样形成的呢？关于海洋中涡旋的成因到目前为止还没有一个统一的说法，有一个解释是这样说的：由于两股或者两股以上的能量，它们在方位、流速、热度等方面存在差别，在接触的时候彼此吸引、缠绕在一起进而形成螺旋状的合流，又因为受到地转偏转力的影响，最终就形成了绕不同方向旋转的海洋涡旋。还有的解释中提出可能是因为地形的影响，因为海底是凹凸不平的，来自不同方向进行无规则运动的海水相互冲击便形成了涡旋。由此可见，我们对于海洋中涡旋的了解还是十分匮乏，海洋涡旋对我们来说仍然充满了神秘感，这就更加激起了人们对涡旋的研究欲望，于是便开始了对海洋涡旋世界的广泛探究。

1.2研究目的和意义

涡旋在世界各大洋中是普遍存在的，它的存在和运动对海洋生态系统、气候、渔业、船运、军事等各方面都产生了重要的影响，所以越来越多的专家学者开始了他们对海洋涡旋的探求，为了尽量避免涡旋所带来的危害，甚至可以实现对涡旋的有益利用。

涡旋在海洋中广泛存在，它的生命期长短不一，存在的时间跨度较长，寿命长的涡旋在海洋中存在的时间可以达到几个星期、几个月，甚至有的涡旋的存在时间长达几年。涡旋在其存在的生命期中处于运动状态，它的运动包括自转、平移和垂直三种，在它存在的时间内，平移的跨距能够达到几十千米至几百千米。在涡旋做平移运动的同时，海洋物质也会伴随着涡旋的运动而一起移动，这就对海洋中相关物理量的分布情况造成了影响。涡旋的运动还具有转速快、流速强的特点，其垂直深度会影响几十米到几百米。涡旋在垂直运动的过程中，会将海面和海底的物质进行交换，进而影响到海表面温度和相关营养物质的分布。这一运动将海面的营养物质运输到海底供海底的海洋生物生活，对海洋生物的分布也产生了影响。涡旋在运动的过程中，还会携带巨大的动能，对海洋生态系统、气候、渔业、船运、军事等很多方面都有重要的影响。首先涡旋的运动会搅动海水的运动，因为涡旋的垂直深度会影响几十米到几百米，这就促使海表面和海底温度不同的海水互相交替，从而影响海表面温度。涡旋的移动还会伴随着能量的移动，对整个大洋的环流具有调整作用。同时涡旋的运动还会携带海洋中相关物理量的运动，如碳、热量、盐、浮游植物等，对海洋生态有着未知的影响。大海中的涡旋无所不在，它们携带巨大的能量和很强的穿透性，对海洋环流、全球气候变化、海洋生物化学过程以及海洋环境变迁都有着非常重要的影响，由此可见海洋涡旋的研究具有十分重要的科学意义和应用价值^[1]。

涡旋检测的传统方法主要是依靠人工，依靠测量人员进行实地的采样。但是由于涡旋存在的生命期跨度较长，没有办法得到连续实时的测量数据，这就导致测量数据不够准确。然而随着高分辨率海洋卫星遥感技术的发展和高分辨率海洋数值模拟结果的出现及发展，使得对海洋涡旋进行长时间连续观测的愿望得以实现，解决了人工测量数据不够准确的问题，这为海洋涡旋的研究工作提供了巨大的助力。与此同时计算机技术也在飞速地发展，相较于人工检测涡旋的困难及较大的误差，应用计算机技术的最新进展来促成对涡旋进行自动检测和分类，这种实现方式或许可以更加的快速与准确。

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