[发明专利]一种基于滑动窗口阈值的全球海洋中尺度锋面自动识别方法

说明书

本发明公开了一种基于滑动窗口阈值的全球海洋中尺度锋面自动识别方法，包括以下步骤：对输入数据进行侵蚀缺失值和噪声过滤的预处理操作；根据改进的Sobel算子计算锋面强度；根据滑动窗口阈值来标记候选锋区；运用多个数学形态学算子获取最终的锋区产品数据；根据多个方向的锋面强度极值以及锋区产品的掩膜形成候选的锋面线；运用多个数学形态学算子最终的锋面线产品数据。本发明提供的方法不易受噪声影响，对绝对梯度强度不敏感，能够识别现有算法所遗漏的中尺度锋面，解决了传统的海洋锋面识别方法对绝对梯度敏感而无法识别弱峰面的问题，并且识别的锋面具有更好的连续性，对全球或各个地区海域均有较好的适用性。

技术领域

本发明属于卫星遥感应用和海洋动力学领域，具体涉及一种基于滑动窗口阈值的全球海洋中尺度锋面自动识别算法。

背景技术

海洋锋面是存在于全球上层海洋中的高能量海洋特征，一般被定义为特定水属性(如温度、盐度、营养物质和浮游植物)的水平梯度与环境水域相比相对较高的狭窄区域。锋面的出现通常与各种海洋强迫机制有关，如水团汇聚、上升流、潮汐混合、河流羽流和水深的突然变化。在许多锋面中可以发现由强湍流混合和跨锋面的次级环流引起的强垂直输送，使富含营养物质的水域涌入真光层，促进初级和次级生产。由于湍流的增强以及垂直和水平方向的强大水团输运，锋面在海洋动力学、海气相互作用、海洋生态学、生物地球化学、渔场预测、污染物分布以及军事等领域扮演着重要的角色。锋面发生及其特征是了解锋面动态的生态和气候影响的基本信息，因此对海洋锋面的识别不仅具有重要的科学意义，而且还具有极大的实际应用价值。

卫星观测和数值模拟提供的海洋全球以及局域数据是获取和监测锋面长期活动信息的唯一合理方法。通过设计一个自动的锋面识别算法，人们可以从海量的卫星观测和数值模拟数据中提取锋面的发生信息，避免人工识别的复杂性和主观性。目前海洋锋面识别主要通过基于梯度的Canny算法和Cayula和Cornillon(1992)提出的基于直方图的算法。

然而，由于Canny算法采用固定的阈值，其结果虽然可以很好地识别强锋，但是却很难识别相对弱的锋面。这种弱锋不应该被忽略，因为许多弱锋的特点是次表层强化，即跨锋面热梯度的次表层明显增加。这种采用的固定阈值参数会导致Canny算法在弱梯度的季节或水域遗漏大量的锋面，而在强梯度的季节或水域则表现相对较好。这一局限性可能会使Canny算法在应用于长时间序列和大区域的识别中产生误导性的结果，因为这种梯度的季节性或区域性的变化应该视为锋面强度的波动，而不是锋面发生的波动。另外，直方图算法对梯度不敏感，虽然能够较好地避免在弱梯度的季节或水域遗漏大量锋面的问题，但是相对于梯度算法，直方图算法通常采用较大的窗口以保证统计检验的准确性，使得其擅长识别规则的长锋面，而对复杂、密集以及近岸的锋面时表现不尽人意。

发明内容

本发明为解决现有锋面识别算存在的缺陷，提出一种基于滑动窗口阈值的全球海洋中尺度锋面自动识别算法，解决传统的海洋锋面识别方法对绝对梯度敏感而无法识别弱峰面的问题，并且使识别的锋面具有更好的连续性。

本发明是采用以下的技术方案实现的：

本发明是采用以下的技术方案实现的：一种基于滑动窗口阈值的全球海洋中尺度锋面自动识别方法，包括以下步骤：

步骤A、获得输入数据，并对输入数据进行侵蚀缺失值和噪声过滤的预处理操作，得到预处理后的网格数据；

步骤B、获取锋区产品数据：

步骤B1、根据改进的Sobel算子计算锋面强度；

步骤B2、根据滑动窗口阈值来标记候选锋区；

步骤B3、运用多个数学形态学算子获取最终的锋区产品数据；

步骤C、获取锋面线产品数据：

步骤C1、根据多个方向的锋面强度极值以及步骤B所得到的锋区产品的掩膜形成候选锋面线；