[发明专利]基于生成式对抗网络的极光卵强度图像建模方法

说明书

本发明公开了一种基于生成式对抗网络的极光卵强度图像建模方法，主要解决现有模型对极光卵强度预测结果不准确的问题。其实现步骤为：1)从Polar卫星所拍摄的紫外极光图像中选取极光卵图像数据，从OMNI数据库中选取与极光卵图像时间对应的空间参数，并对其预处理，2)将预处理后的极光卵图像数据和空间参数数据按照时间关系一一对应为极光卵图像数据和空间参数数据对，并从数据对中分出训练数据和测试数据；3)用训练数据对生成式对抗网络进行训练，得到训练好的生成器G*和训练好的判别器D*；4)将测试数据中的空间参数输入到训练好的生成器G*中，得到极光卵强度图像。本发明在提高了极光卵强度预测的准确性，可用于极光卵强度的预测。

技术领域

本发明属于图像处理技术领域，更进一步涉及一种图像建模方法，可用于紫外极光卵强度图像的建模。

背景技术

极光是太阳风通过日侧极隙区注入到地球磁层时，沉降粒子沿磁力线与地球高层大气相互作用而产生的绚丽光辉。从物理的角度来讲，极光是太阳中的高能带电粒子在地球磁场作用下，与极区高层大气中的原子和分子相互作用而产生，也就是说，太阳风、地球磁场和极区高层大气是形成极光的必要条件。因此，极光的发生反映了太阳与地磁活动之间的动力学关系，有助于人们了解太阳对地球的影响方式和程度。其次，发生极光时辐射出的某些无线电波，会直接影响地球上的无线电通信、导航、定位以及电路传输等。然而极光发生时，在地球大气层中所爆发的能量，几乎可以达到全世界各国发电厂所产生的电量总和。因此，如何使用极光所产生的巨大能量造福人类，成为当今科学领域的重要研究课题。研究和事实表明，极光现象是太阳系中有磁星体所具有的普遍现象。哈勃太空望远镜已经能很清楚的看到木星和土星这两颗行星上的极光。因此对地球上极光的研究将有助于人类研究其他行星上的极光现象。

极光卵的强度和空间位置是研究磁层动力学以及空间大气重要的物理量，并且可用于亚暴的预测以及半球能量的预测，也可以帮助人们进一步理解太阳风与地球磁层之间的相互作用关系。

Polar卫星的UVI可以获取全局的极光卵信息，并且自从Polar卫星发射以来获得了大量的极光卵图像。NASA OMNI数据包括了32个空间参数和地磁环境参数，但其中有很多作用相似以及一些和极光基本没有关系的量。OMNI数据中的行星际磁场三分量(Bx、By、Bz)、太阳风速度Vp、太阳风密度Np，以及与极光亚暴有密切联系的地磁指数AE这6个空间环境参数和极光卵有密切关系，可用于极光卵强度的建模。但是，目前关于极光卵强度的建模方法中，应用较多的有用单变量分析法对极光卵强度进行建模，比较经典的是Y.Zhang等人用TIMED和GUVI的FUV数据建立了基于KP的极光卵模型，该模型可以预测能通量以及平均电子能量的全局信息。但是由于使用的KP指数只能反映部分影响极光卵的因素，且时间分辨率较低，因而该模型对极光卵强度的预测结果不够准确。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术存在的不足，提出一种基于生成式对抗网络的极光卵强度图像建模方法，以提高模型对极光卵强度预测的准确率。

本发明的技术思路是：以密切影响极光卵强度的6个空间环境参数作为输入，利用深度学习的方法进行建模，其实现步骤包括如下：

(1)从Polar卫星携带的紫外成像仪所拍摄的紫外极光图像中选取极光卵图像数据，并从OMNI数据库中选取与极光卵图像时间对应的空间环境参数；

(2)对选取的极光卵图像数据进行预处理，即先将原始图像转换到以地磁极点为中心的坐标系中，移除地磁纬度小于50的数据点，再将图像中负值点清零并对图像进行平滑去噪；

(3)对(1)中选取的空间环境参数取11分钟的滑动平均，得到预处理后的空间环境参数数据；

(4)将(2)中预处理后的极光卵图像数据和(3)预处理后的空间环境参数数据按照时间关系一一对应为极光卵图像数据和空间环境参数数据对，并从极光卵图像数据和空间环境参数数据对中选70％作为训练数据，剩下的30％作为测试数据；