一种基于涡旋追踪数据的东西向涡旋边界提取方法技术

本发明专利技术公开了一种基于涡旋追踪数据的东西向涡旋边界提取方法，属于海洋观测技术领域。该方法包括：收集涡旋追踪数据，建立全球经纬网格；计算各个经纬网格内涡旋位移的平均经度和纬度，存储于全球经纬网格中；利用涡旋位移的平均经度和纬度，计算每个网格的涡旋运动方向；再进行高斯滤波，设定目标海域、阈值，依次遍历每条经线，每条经线上再遍历每个网格，确定涡旋边界所在纬度；对涡旋边界经纬度进行平滑处理，形成涡旋的东西向运动边界。本发明专利技术提取了原本模糊且不可见的边界并以将其经纬点连线的方式可视化表达出来，为研究涡旋的东西向运动边界提供了基础的算法支持，对今后的涡旋运动方向边界研究具有借鉴意义。涡旋运动方向边界研究具有借鉴意义。涡旋运动方向边界研究具有借鉴意义。

【技术实现步骤摘要】
一种基于涡旋追踪数据的东西向涡旋边界提取方法


[0001]本专利技术属于海洋观测
，具体涉及一种基于涡旋追踪数据的涡旋东西向运动边界提取方法。

技术介绍

[0002]海洋涡旋是一种海洋动力现象，中尺度涡旋以绕某点旋转为特征，空间尺度在50km至300km之间，时间尺度一般为几周到几个月。中尺度涡旋可以按不同的旋转方向分为气旋涡和反气旋涡，在北半球，逆时针旋转的涡旋为气旋涡，顺时针旋转的为气旋涡，在南半球则相反。气旋涡同时对应着上升流，涡旋中心温度比周围海水温度更低，也被称之为冷涡，反气旋涡则对应着下降流，中心水温较暖，被称之为暖涡。
[0003]卫星高度计是一种常用的海面测高仪器，它朝星下点海平面发射一个短脉冲，脉冲和海平面发生相互作用，部分脉冲会被粗糙海面反射回高度计，通过脉冲在卫星和海平面间的传播时间计算卫星到海平面的距离，再结合卫星轨道高度等数据计算得到海面高度。海洋涡旋的出现会引起海面高度的变化，冷涡的中心会低于周围海面高度，暖涡中心则高于周围海面高度。卫星高度计可以检测到这种海平面高度的异常，所以可以使用高度计数据实现对海洋涡旋的识别和追踪。
[0004]利用高度计数据识别涡旋时，一般采用高度计数据中的SLA（sea level height anomaly）和ADT（absolute dynamic topography）数据进行识别。目前利用高度计数据识别涡旋常用的方法有OW参数法、缠绕角法、流向法、海面拓扑法和拉格朗日拟序结构法等。涡旋追踪的算法一般都是基于涡旋识别数据进行判断的，判断涡旋识别数据中涡旋属于同一条涡旋轨迹的关键是它们在时间和空间上的匹配度，目前常用的涡旋追踪算法包括最近邻法、相似度法和像素重叠法等。
[0005]目前海洋学家们对于涡旋的研究涵盖了涡旋的各个方面，包括对涡旋形态、运动特征、物质输运等方面的研究，东向运动涡旋和西向运动涡旋的形态区别、分布情况等特征也早有人进行了研究。但是目前还没有人对涡旋的东西向运动边界进行相关研究，也没有提取过东西向运动的边界。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种基于涡旋追踪数据的东西向涡旋边界提取方法，以弥补现有技术的不足。
[0007]在涡旋识别数据中，通常会包括观测到涡旋的日期、涡旋的名称、涡旋边界对应的经纬度序列、涡旋边界对应的涡旋半径、涡旋边界对应的涡旋振幅、涡旋边界对应的涡旋平均动能、涡旋边界对应的平均相对涡度、涡旋边界对应的平均相对散度、涡旋边界对应的平均剪切变形率、涡旋边界对应的平均延伸率、涡旋内部边界对应的经纬度序列、涡旋内部边界对应的SLA值、涡旋内部边界中心、涡旋中心对应种子点经纬度、涡旋的类型（反气旋和气旋）等关于涡旋的关键信息。涡旋追踪数据则包含涡旋纬度、经度、时间、名字、涡旋索引、轨
迹索引和涡旋标志信息。
[0008]在以往的涡旋东西向运动分析中，一般是将第二天的经度与第一天的经度相减，简单的将涡旋运动分为向东或向西，缺少运动角度等细节。本专利技术则通过对涡旋追踪数据进行更精细的处理，计算出涡旋运动方向，再基于运动方向提取涡旋东西向运动边界。
[0009]为达到上述目的，本专利技术采取的具体技术方案为：一种基于涡旋追踪数据的东西向涡旋边界提取方法，包括如下步骤：S1：收集涡旋追踪数据，并根据使用的涡旋追踪数据分辨率，建立相对于分辨率的全球经纬网格，用于存储后续的计算结果；S2：根据所述涡旋追踪数据计算各个经纬网格内涡旋位移的平均经度和纬度，并存储在所述全球经纬网格中；S3：利用计算得到的所述涡旋位移的平均经度和纬度，计算每个网格的涡旋运动方向，从而得到全球的涡旋运动方向数据；S4：对所述涡旋运动方向数据进行高斯滤波，设定目标海域，设定阈值，依次遍历每条经线，每条经线上再遍历每个网格，确定涡旋边界所在纬度；S5：对涡旋边界经纬度进行平滑处理，最终形成涡旋的东西向运动边界。
[0010]进一步的，所述S2中：每一条涡旋追踪数据会记录该涡旋存在时每天的经度和纬度；根据某一天的经纬度判断这个涡旋位于哪一个经纬度网格，再用第二天的经纬度数据减去当天的经纬度得到涡旋位移的经纬度，每个网格中对应涡旋的位移经纬度进行矢量相加，再分别除以每个网格对应的涡旋存在个数，得到每个网格的涡旋平均位移经纬度。其中需要注意的是，对于两天之间跨越了360
°
经线（0
°
经线）的涡旋，在计算经度位移时不能简单相减，而是要将前后两天的经度与360相加减，从而得到正确的经度变化值。
[0011]更进一步的，每个网格对应的涡旋平均位移经度为纬度计算公式如下：
[0012]其中
[0013]最后依次遍历每个网格，对于角度大于180
°
的网格，用360
°
减去该网格的角度得到网格运动方向。最终的运动方向特征表现为：正东方向数值为0，顺时针和逆时针方向数值均增大，南或北的数值都是90，正西为180。
[0014]进一步的，所述S3中，首先利用每个网格的位移经度除以位移纬度计算得到各个网格位移方向的正弦值；再根据每个网格位移经度的正负值将网格分为向东和向西两类，位移经度小于0时为向西，大于0时为向；对于向西网格，使用反正弦函数对其正弦值求解，将求出的解再加上180
°
得到该网格的涡旋运动角度；对于向东网格，同样使用反正弦函数对其正弦值求解，正弦值为正的网格求出的解就是该网格的涡旋运动角度，正弦值为负的网格需要将求出的解加上360
°
从而得到该网格的涡旋运动角度。
[0015]更进一步的，角度计算公式如下：
[0016]最后依次遍历每个网格，对于角度大于180
°
的网格，用360
°
减去该网格的角度得到网格运动方向。最终的运动方向特征表现为：正东方向数值为0，顺时针和逆时针方向数值均增大，南或北的数值都是90，正西为180。
[0017]进一步的，所述S4中，首先对涡旋运动方向数据进行3
×
3网格的高斯滤波3网格的高斯滤波，消除涡旋运动方向数据中个别点运动方向与周围点运动方向差异较大的影响；选择要提取边界的目标海域，设定阈值，依次遍历每条经线，对于每条经线上的网格数据，从上到下进行遍历，如果该网格数据小于阈值，记录下该网格的经度和纬度作为边界上的点，如果下一个网格数据仍小于阈值，则停止这条经线的遍历，开始遍历下一条经线的网格数据；每个目标海域提取得到一组边界点。
[0018]更进一步的，所述高斯滤波选用3
×
3网格的高斯滤波。
[0019]进一步的，所述S5中，将属于同一条边界的从相邻目标海域提取出的多组边界点合为一组边界点，对该组边界进行步长为5的滑动平均,即，同时计算下一个边界点与上一个点的纬度差，如果大于3
°
则将下一个点的纬度改为上一个点滑动平均后的纬度；最后将进行了平滑处理的边界点连接起来，形成涡旋的东西向运动边界。
[0020]本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于涡旋追踪数据的东西向涡旋边界提取方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：收集涡旋追踪数据，并根据使用的涡旋追踪数据分辨率，建立相对于分辨率的全球经纬网格，用于存储后续的计算结果；S2：根据所述涡旋追踪数据计算各个经纬网格内涡旋位移的平均经度和纬度，并存储在所述全球经纬网格中；S3：利用计算得到的所述涡旋位移的平均经度和纬度，计算每个网格的涡旋运动方向，从而得到全球的涡旋运动方向数据；S4：对所述涡旋运动方向数据进行高斯滤波，设定目标海域，设定阈值，依次遍历每条经线，每条经线上再遍历每个网格，确定涡旋边界所在纬度；S5：对涡旋边界经纬度进行平滑处理，最终形成涡旋的东西向运动边界。2.如权利要求1所述的基于涡旋追踪数据的东西向涡旋边界提取方法，其特征在于，所述S2中：每一条涡旋追踪数据会记录该涡旋存在时每天的经度和纬度；根据某一天的经纬度判断这个涡旋位于哪一个经纬度网格，再用第二天的经纬度数据减去当天的经纬度得到涡旋位移的经纬度，每个网格中对应涡旋的位移经纬度进行矢量相加，再分别除以每个网格对应的涡旋存在个数，得到每个网格的涡旋平均位移经纬度；对于两天之间跨越了360
°
经线的涡旋，在计算经度位移时不能简单相减，而是要将前后两天的经度与360相加减，从而得到正确的经度变化值。3.如权利要求2所述的基于涡旋追踪数据的东西向涡旋边界提取方法，其特征在于，每个网格对应的涡旋平均位移经度为纬度计算公式如下：；其中最后依次遍历每个网格，对于角度大于180
°
的网格，用360
°
减去该网格的角度得到网格运动方向；最终的运动方向特征表现为：正东方向数值为0，顺时针和逆时针方向数值均增大，南或北的数值都是90，正西为180。4.如权利要求1所述的基于涡旋追踪数据的东西向涡旋边界提取方法，其特征在于，所述S3中，首先利用每个网格的位移经度除以位移纬度计算得到各个网格位移方向的正弦值；再根据每个网格位移经度的正负值将网格分为向东和向西两类，位移经度小于0时为向西，大于...

【专利技术属性】
技术研发人员：马纯永，符俊杰，孙宏昱，陈戈，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：发明
国别省市：