專利名稱：最大風(fēng)半徑和臺風(fēng)眼尺寸建模的相關(guān)向量機(jī)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于氣象監(jiān)測領(lǐng)域。具體來說，涉及一種以提高臺風(fēng)風(fēng)速預(yù)測精度為目的的最大風(fēng)半徑和臺風(fēng)眼尺寸建模的相關(guān)向量機(jī)方法。
背景技術(shù)：
我國是全球受臺風(fēng)災(zāi)害最嚴(yán)重的國家之一，臺風(fēng)來臨時(shí)，造成我國東南部沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)損失巨大、人民的生命遭受威脅。如何正確應(yīng)對臺風(fēng)，在臺風(fēng)登陸時(shí)將經(jīng)濟(jì)損失降到最低事關(guān)國家和人民的切身利益，于是臺風(fēng)的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)成了預(yù)防災(zāi)害的重要措施。而風(fēng)場信息反映了臺風(fēng)強(qiáng)度的變化，合理地選用各種智能算法進(jìn)行風(fēng)場反演，便可提高臺風(fēng)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確度。
目前國內(nèi)外學(xué)者在臺風(fēng)風(fēng)場反演方面做了大量相關(guān)工作，如許健民等在2002年采用逐步搜索的計(jì)算策略進(jìn)行示蹤云的跟蹤，有效節(jié)約了機(jī)時(shí)。王振會等(2004)利用傅立葉相位分析法方法對傳統(tǒng)的云跡風(fēng)法進(jìn)行改進(jìn)，能夠避免“亞像素尺度位移”問題。張紅等(2006)根據(jù)二維傅立葉相位分析原理，對I分鐘間隔的靜止紅外衛(wèi)星云圖進(jìn)行云跡風(fēng)的反演，能夠得到連續(xù)性較好的風(fēng)場。楊文凱等(2007)設(shè)計(jì)了一種臺風(fēng)反演中高密度示蹤云選取算法，以改善云跡風(fēng)的質(zhì)量和密度分布，能夠清晰地反映出天氣系統(tǒng)的風(fēng)場結(jié)構(gòu)。楊文凱等(2010)運(yùn)用梯度分析方法進(jìn)行云跡風(fēng)示蹤云的選取，并給出梯度的離散計(jì)算公式。利用其方法進(jìn)行云跡風(fēng)的反演，結(jié)果表明，云跡風(fēng)質(zhì)量好，密度高，能夠清晰地顯示出天氣系統(tǒng)的風(fēng)場結(jié)構(gòu)。國外的臺風(fēng)內(nèi)核的風(fēng)場主要通過低空(low-altitude)飛機(jī)(如美國NOAA的WP-3D和美國空軍的WC-130)偵測獲得。但是，這些數(shù)據(jù)在業(yè)務(wù)上不能直接應(yīng)用，而且研究中使用低空飛機(jī)采集臺風(fēng)內(nèi)核數(shù)據(jù)的工作也主要集中在大西洋，其他區(qū)域的臺風(fēng)數(shù)據(jù)仍然很有限。目前我國還沒有將飛機(jī)作為臺風(fēng)監(jiān)測的主要手段。對臺風(fēng)強(qiáng)度的業(yè)務(wù)監(jiān)測主要是基于Dvorak技術(shù)的定性描述，定量應(yīng)用能力較弱。對于臺風(fēng)中高層風(fēng)場的監(jiān)測盡管能夠使用國家衛(wèi)星中心的云跡風(fēng)反演先進(jìn)技術(shù)，但仍不能反演臺風(fēng)內(nèi)核風(fēng)場的信息。臺風(fēng)風(fēng)場的反演一般來說主要包括兩個(gè)部分內(nèi)核風(fēng)場反演(包括表征有眼臺風(fēng)和無眼臺風(fēng)內(nèi)核特征的模型建立)和外圍風(fēng)場運(yùn)動矢量場的建立。本發(fā)明主要根據(jù)有眼臺風(fēng)最大風(fēng)半徑和臺風(fēng)眼大小來建立有眼臺風(fēng)內(nèi)核特征模型。一般地，最大風(fēng)半徑夾在臺風(fēng)眼壁內(nèi)上升氣流與邊緣下沉氣流之間，多為幾公里到幾十公里。對于一個(gè)成熟臺風(fēng)來說，中心上升氣流形成了臺風(fēng)眼，而最大風(fēng)半徑外的下沉氣流則形成了臺風(fēng)眼壁。當(dāng)臺風(fēng)云圖上出現(xiàn)了一個(gè)清晰可見的臺風(fēng)眼時(shí)，便可構(gòu)造反映有眼臺風(fēng)內(nèi)核特征的模型。由于有眼臺風(fēng)的最大風(fēng)半徑一般與臺風(fēng)強(qiáng)度及臺風(fēng)所處的緯度有一定關(guān)系，但是如果忽略緯度對最大風(fēng)半徑的影響，則帶來的誤差可以忽略不計(jì)，因此在這種情況下，只需考慮建立最大風(fēng)半徑和臺風(fēng)眼大小的關(guān)系模型即可。臺風(fēng)風(fēng)場是一種包含高維數(shù)據(jù)的復(fù)雜非線性系統(tǒng)，對其反演需要選取一種有效的分析工具，目前我國可用于科研的臺風(fēng)云圖和年鑒數(shù)據(jù)有限。鑒于上述兩個(gè)因素，本發(fā)明將機(jī)器學(xué)習(xí)中的相關(guān)向量機(jī)(Relevance vector machine,簡稱RVM)應(yīng)用到臺風(fēng)風(fēng)場反演中，相關(guān)向量機(jī)是Tipping在2001年在貝葉斯框架的基礎(chǔ)上提出的，它有著與支持向量機(jī)(Support vector machine,簡稱SVM)—樣的函數(shù)形式，與SVM—樣基于核函數(shù)映射將低維空間非線性問題轉(zhuǎn)化為高維空間的線性問題。與SVM相比，RVM更稀疏，測試時(shí)間更短，而且具有更好的泛化能力，更適用于在線檢測。雖然RVM的訓(xùn)練時(shí)間會比SVM訓(xùn)練時(shí)間長，但是對于本發(fā)明中的小樣本數(shù)據(jù)而言，這一點(diǎn)影響不大。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本發(fā)明能較準(zhǔn)確的建立臺風(fēng)內(nèi)核特征模型，與SVM、線性回歸、徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等回歸算法相比，不僅速度快，誤差也小很多。因此本發(fā)明在臺風(fēng)內(nèi)核特征模型建立技術(shù)上有所創(chuàng)新，能夠被用于更加精確地刻畫臺風(fēng)內(nèi)核風(fēng)場結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于相關(guān)向量機(jī)建立有眼臺風(fēng)內(nèi)核風(fēng)場特征模型的方法。將已有的有眼臺風(fēng)云圖，進(jìn)行預(yù)處理，從圖像上直接獲得最冷云頂點(diǎn)和眼壁最暖點(diǎn)，通過計(jì)算兩點(diǎn)間的距離來獲得最大風(fēng)半徑；然后基于偏微分方程提取臺風(fēng)眼，并計(jì)算眼壁周長；最后基于相關(guān)向量機(jī)建立有眼臺風(fēng)最大風(fēng)半徑和眼壁周長之間的模型。具體包括幾方面的研究工作I)獲取有眼臺風(fēng)云圖，直接從圖像上獲得最冷云頂點(diǎn)和眼壁最暖點(diǎn)，并根據(jù)地理緯度與圖像坐標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系，計(jì)算上述兩點(diǎn)間的實(shí)際距離，作為最大風(fēng)半徑。由兩點(diǎn)的經(jīng)緯度計(jì)算實(shí)際距離的基本原理如下設(shè)A、B兩點(diǎn)的緯度分別為A和B，經(jīng)度分別為La和Lb，要求的是A、B兩點(diǎn)間的大圓弧長。令A(yù)、B的中點(diǎn)的緯度為C，經(jīng)度為L。，A、B兩點(diǎn)間的地心夾角為Θ，則根據(jù)球面三角關(guān)系，可列出如下方程cos ( Θ ) = sin (A) sin ⑶+cos (A) cos (B) cos (La-Lb)(I)cos ( Θ /2) = sin (A) sin (C)+cos (A) cos (C) cos (La-Lc)(2)cos ( θ /2) = sin (B) sin (C)+cos (B) cos (C) cos (Lb-Lc)(3)由于C、L。、Θ為未知量，所以式(2)，(3)為非線性方程，于是求解中點(diǎn)的問題轉(zhuǎn)化為如何求解這個(gè)非線性方程組的問題。于是，大圓一度的弧長乘以地心夾角Θ即可得到大圓距離D :D= (2jiRz/360。)· Θ = 111 · Θ(4)式中Rz為地球半徑。在方程(1)、(2)、(3)和式(4)的計(jì)算中，北緯和東經(jīng)取正值，南緯和西經(jīng)取負(fù)值。2)基于偏微分方程法對臺風(fēng)云圖進(jìn)行臺風(fēng)眼分割，提取臺風(fēng)眼，然后根據(jù)地(3)式中地理緯度與圖像坐標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系計(jì)算出眼壁上相鄰兩點(diǎn)的實(shí)際距離，最終將所有相鄰點(diǎn)的距離加起來，即得到實(shí)際的眼壁周長；3)利用RVM建立有眼臺風(fēng)的最大風(fēng)半徑及眼壁周長的內(nèi)核風(fēng)場模型，并與其他建模算法作比較，通過對比誤差散點(diǎn)圖和柱狀圖，詳細(xì)說明本發(fā)明的優(yōu)勢。優(yōu)選的，所述建立模型的步驟I)中獲取最大風(fēng)半徑的方法，其主要步驟包括I)地理經(jīng)緯度與圖像坐標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系由于實(shí)地測試風(fēng)速的儀器一般用地理經(jīng)緯度來表示所測試地點(diǎn)的坐標(biāo)，因此在比較最后計(jì)算結(jié)果和實(shí)際風(fēng)速的偏差時(shí)就必然涉及到地理經(jīng)緯度與圖像坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換問題，通過建立經(jīng)緯度與圖像坐標(biāo)的關(guān)系，這樣，只要知道圖像上任意點(diǎn)的坐標(biāo)，即可知該點(diǎn)的經(jīng)緯度，反過來，由于經(jīng)緯度表和圖像坐標(biāo)是雙向?qū)?yīng)的，于是對于給定的緯度和經(jīng)度，也能相應(yīng)地查到圖像坐標(biāo)；2)最大風(fēng)半徑(RMW)的獲取在紅外圖像中，由于低灰度代表的是高溫，而高灰度代表的是低溫，因此最冷云頂點(diǎn)和眼壁最暖點(diǎn)可通過圖像直接獲得，并根據(jù)經(jīng)度表和緯度表得出對應(yīng)的經(jīng)緯度，得到相 鄰兩點(diǎn)之間的實(shí)際距離，即為最大風(fēng)半徑。優(yōu)選的，所述建立模型的步驟2)中臺風(fēng)眼壁周長的計(jì)算方法，其主要內(nèi)容包括先采用臺風(fēng)眼的周長來度量臺風(fēng)眼的大小，先利用非線性灰度變換法增強(qiáng)紅外臺風(fēng)云圖，以便突出臺風(fēng)眼區(qū)利于后續(xù)進(jìn)行臺風(fēng)眼分割，接著使用偏微分方程法提取臺風(fēng)眼，即得到眼壁各點(diǎn)的坐標(biāo)，提取臺風(fēng)眼，然后根據(jù)地地理緯度與圖像坐標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系計(jì)算出眼壁上相鄰兩點(diǎn)的實(shí)際距離，最終將所有相鄰點(diǎn)的距離加起來，即得到實(shí)際臺風(fēng)眼壁的周長。優(yōu)選的，所述建立模型的步驟3)中用RVM建模的具體步驟包括I)整個(gè)臺風(fēng)數(shù)據(jù)庫雖然龐大，但是要建立有眼臺風(fēng)內(nèi)核的特征模型，就只能使用有眼臺風(fēng)云圖，因此需要總共選取155幅有眼臺風(fēng)云圖來做測試，由于數(shù)據(jù)量較大，這里不列出詳細(xì)的數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果，而通過分析建模誤差來評價(jià)建模效果；2)對于樣本數(shù)據(jù)的訓(xùn)練采用循環(huán)模式，總共有多少個(gè)樣本就循環(huán)多少次，每次循環(huán)只取一個(gè)樣本用來作預(yù)測樣本，其他的樣本用作訓(xùn)練樣本，并計(jì)算相應(yīng)的誤差，一次循環(huán)計(jì)算一次誤差大小，每次循環(huán)所用的預(yù)測樣本都要求不同，于是所有循環(huán)結(jié)束后，每個(gè)樣本的預(yù)測誤差都可以描繪出；3)取臺風(fēng)眼壁的周長作為輸入變量，最大風(fēng)半徑作為輸出變量，用輸出變量的預(yù)測值減去實(shí)際值得到的建模誤差值；4)分別給出不同建模方法的誤差散點(diǎn)圖和誤差柱狀圖。進(jìn)一步的，本發(fā)明還包括I)基于RVM建立有眼臺風(fēng)最大風(fēng)半徑與臺風(fēng)眼大小的關(guān)系模型時(shí)，核函數(shù)選取Laplace核函數(shù)；2)誤差柱狀圖中橫坐標(biāo)為誤差范圍(單位公里)，縱坐標(biāo)為對應(yīng)某一誤差范圍的點(diǎn)的個(gè)數(shù)，根據(jù)所得誤差數(shù)據(jù)的分布情況，將誤差值每隔2公里作為一個(gè)統(tǒng)計(jì)單位，即統(tǒng)計(jì)誤差分別在-60公里 -58公里，…，-4公里 -2公里，-2公里、公里，O公里 +2公里，…，+58公里、60公里區(qū)間內(nèi)的點(diǎn)的個(gè)數(shù)，以此作為縱坐標(biāo)的值，并將超出-60公里'60公里范圍的點(diǎn)視作誤差較大的點(diǎn)。本發(fā)明采用的相關(guān)向量機(jī)回歸算法與支持向量機(jī)回歸算法、線性回歸算法和徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相比，能夠獲得更小的建模誤差。本發(fā)明只需利用衛(wèi)星提供臺風(fēng)云圖和臺風(fēng)年鑒數(shù)據(jù)即可，實(shí)驗(yàn)表明本發(fā)明能較準(zhǔn)確的建立有眼臺風(fēng)的最大風(fēng)半徑和臺風(fēng)眼尺寸間的數(shù)學(xué)模型，能被用于刻畫臺風(fēng)內(nèi)核特征。


圖I基于RVM的最大風(fēng)半徑和臺風(fēng)眼尺寸建模方法流程圖；圖2圖像坐標(biāo)和經(jīng)纟韋度的雙向?qū)?yīng)關(guān)系；
圖3最大風(fēng)半徑示意圖；圖4臺風(fēng)眼周長計(jì)算示意圖；圖5基于RVM建模，選取不同核函數(shù)建模的誤差散點(diǎn)圖；圖6基于RVM、SVM、線性回歸及徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模的誤差散點(diǎn)圖；圖7基于RVM、SVM、線性回歸及徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模的誤差柱狀圖(這里給出的是誤差在-60公里飛O公里之間的統(tǒng)計(jì)結(jié)果)。圖8不同樣本規(guī)模時(shí)基于RVM、SVM、線性回歸和徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模的平均
誤差曲線。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的目的是提供一種基于相關(guān)向量機(jī)最大風(fēng)半徑和臺風(fēng)眼尺寸建模方法。將已有的有眼臺風(fēng)云圖，進(jìn)行預(yù)處理，從圖像上直接獲得最冷云頂點(diǎn)和眼壁最暖點(diǎn)，通過計(jì)算兩點(diǎn)間的距離來獲得最大風(fēng)半徑；然后基于偏微分方程提取臺風(fēng)眼，并計(jì)算眼壁周長 ’最后基于相關(guān)向量機(jī)建立有眼臺風(fēng)最大風(fēng)半徑和眼壁周長之間的模型。如圖I所示為本發(fā)明基于相關(guān)向量機(jī)建立有眼臺風(fēng)最大風(fēng)半徑和臺風(fēng)眼尺寸模 型的方法的流程示意圖。具體步驟如下I)地理經(jīng)緯度與圖像坐標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系由于實(shí)地測試風(fēng)速的儀器一般用地理經(jīng)緯度來表示所測試地點(diǎn)的坐標(biāo)，因此在比較本發(fā)明的計(jì)算結(jié)果和實(shí)際風(fēng)速的偏差時(shí)就必然涉及到地理經(jīng)緯度與圖像坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換問題。然而，對于由風(fēng)云2C衛(wèi)星拍攝的NOM格式的圖像文件來說，均提供了一張與圖像中每個(gè)像素點(diǎn)雙向?qū)?yīng)的經(jīng)度表和一張緯度表，表格大小與圖像大小一致，都為2288X2288，也就是說其圖像上每一點(diǎn)都具有經(jīng)緯度，如下式所示( Φ latitude, Φ I0ngitude) = f (X, Y) ( 5 )式中x，y分別表示圖像坐標(biāo)，Φ
latitude， ^ longitude
分別表示點(diǎn)(x，y)的緯度和經(jīng)度，f是它們之間的對應(yīng)關(guān)系。這樣，只要知道圖像上任意點(diǎn)的坐標(biāo)，即可知該點(diǎn)的經(jīng)緯度。反過來，由于經(jīng)緯度表和圖像坐標(biāo)是雙向?qū)?yīng)的，于是對于給定的緯度和經(jīng)度，也能相應(yīng)地查到圖像坐標(biāo)。圖像坐標(biāo)與經(jīng)纟韋度表的雙向?qū)?yīng)如圖2所示。2)最大風(fēng)半徑(RMW)的獲取傳統(tǒng)的最大風(fēng)半徑的測量方法是通過直接使用飛機(jī)探測或通過海平面氣壓的測量的得到的。近年來，有人提出了一種簡單的估算RMW的方法，即在臺風(fēng)云圖上計(jì)算最冷云頂溫度點(diǎn)和眼壁內(nèi)最暖點(diǎn)的距離來估算RMW。但是這種根據(jù)云圖直接計(jì)算RMW的方法有一個(gè)局限，就是圖像必須具有一個(gè)清晰的臺風(fēng)眼。在紅外圖像中，由于低灰度代表的是高溫，而高灰度代表的是低溫，因此最冷云頂點(diǎn)和眼壁最暖點(diǎn)可通過圖像直接獲得，并根據(jù)經(jīng)度表和緯度表得出對應(yīng)的經(jīng)緯度，得到兩點(diǎn)之間的實(shí)際距離，即為最大風(fēng)半徑(單位公里)。圖3是一個(gè)簡易最大風(fēng)半徑示意圖，眼壁內(nèi)最暖點(diǎn)溫度高，其在圖像上的點(diǎn)為眼壁內(nèi)灰度最低的點(diǎn)，而最冷云頂點(diǎn)在眼壁處灰度最高的點(diǎn)，如圖3所示，將兩點(diǎn)連接起來，如圖中綠線所示，即為最大風(fēng)半徑。3)臺風(fēng)眼大小估算
本發(fā)明中采用周長來度量臺風(fēng)眼的大小，先利用非線性灰度變換法增強(qiáng)紅外臺風(fēng)云圖，以便突出臺風(fēng)眼區(qū)利于后續(xù)進(jìn)行臺風(fēng)眼分割，接著使用偏微分方程法提取臺風(fēng)眼，即得到眼壁各點(diǎn)的坐標(biāo)，提取臺風(fēng)眼，然后根據(jù)地理緯度與圖像坐標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系計(jì)算出眼壁上相鄰兩點(diǎn)的實(shí)際距離，圖4是一幅臺風(fēng)眼周長示意圖，涂色部分為眼壁，其中各點(diǎn)的經(jīng)緯度已確定，可分別計(jì)算出眼壁上相鄰各點(diǎn)(如圖4中所示的點(diǎn)I和點(diǎn)2，點(diǎn)2和點(diǎn)3)的實(shí)際距離，最終將所有相鄰點(diǎn)的距離加起來，即得到實(shí)際臺風(fēng)眼壁的周長。4)建模方法的選擇由上所述，本發(fā)明主要是想獲得一個(gè)關(guān)于最大風(fēng)半徑和臺風(fēng)眼尺寸之間的關(guān)系模型。但是對于本發(fā)明的最大風(fēng)半徑和臺風(fēng)眼大小之間的關(guān)系無法通過分析得到一個(gè)明確的數(shù)學(xué)模型。原因很復(fù)雜，因?yàn)閳D像的灰度要受到多方面因素的影響，如拍攝設(shè)備的分辨率、靈敏度、噪聲、物理環(huán)境中陸地、水汽等都對圖像的灰度有關(guān)，若要從原理上加以推導(dǎo)，難度非常高，也容易產(chǎn)生錯(cuò)誤的結(jié)論。由黑箱法的特點(diǎn)我們知道它可以用來處理受多種不確定 因素影響并且無法直接用公式推導(dǎo)的變量關(guān)系問題，再加上本發(fā)明研究所用的臺風(fēng)圖像數(shù)量有限，建模過程中想要得到的是全局最優(yōu)解，而不僅僅是局部最優(yōu)解。綜合考慮發(fā)現(xiàn)相關(guān)向量機(jī)的特點(diǎn)恰好能夠用來解決上述問題，因此本發(fā)明使用相關(guān)向量機(jī)來建立最大風(fēng)半徑和臺風(fēng)眼尺寸間的模型。一般來說，對于建模算法的應(yīng)用有兩種方式一種是將五分之四左右的數(shù)據(jù)用來作訓(xùn)練樣本，剩下五分之一的數(shù)據(jù)用來作預(yù)測樣本，最后把這五分之一的預(yù)測結(jié)果與樣本本身的精確值進(jìn)行比較并描繪出誤差曲線圖；另一種方式是使用循環(huán)的模式，總共有多少個(gè)樣本就循環(huán)多少次，每次循環(huán)只取一個(gè)樣本用來作預(yù)測樣本，其他的樣本用作訓(xùn)練樣本，并計(jì)算相應(yīng)的誤差，一次循環(huán)計(jì)算一次誤差大小，每次循環(huán)所用的預(yù)測樣本都要求不同，于是所有循環(huán)結(jié)束后，每個(gè)樣本的預(yù)測誤差都可以描繪出。前一種方式對于訓(xùn)練樣本和測試樣本的選取具有隨意性，而后一種方式將每個(gè)樣本都有機(jī)會作為預(yù)測樣本，也都有機(jī)會作為訓(xùn)練樣本，雖然算法所耗時(shí)間比前一種方式多，但是它卻更全面地反映了整個(gè)樣本數(shù)據(jù)庫之間的關(guān)系，于是本發(fā)明就使用后一種方式來測試建模算法。本發(fā)明進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試時(shí)，總共選取了 155幅有眼臺風(fēng)云圖作為實(shí)驗(yàn)樣本。實(shí)驗(yàn)硬件環(huán)境為Intel2. 4GHz，內(nèi)存1G，軟件環(huán)境為Matlab2009a。這里不列出詳細(xì)的數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果，而通過分析建模誤差來評價(jià)建模效果。下面通過兩組實(shí)驗(yàn)結(jié)果來詳細(xì)分析實(shí)驗(yàn)I :鑒于核函數(shù)的選取對建模效果有一定程度的影響，本發(fā)明中，在基于相關(guān)向量機(jī)(RVM)建模的時(shí)候，分別采用了常見的幾種不同核函數(shù)，以便通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果選擇最合適的核函數(shù)。圖5給出了基于RVM的建模算法在分別選取Gauss、Laplace和Cauchy核函數(shù)時(shí)的誤差散點(diǎn)圖，定性地給出了采用不同核函數(shù)時(shí)的結(jié)果。圖中橫坐標(biāo)為實(shí)驗(yàn)中樣本臺風(fēng)云圖序號，縱坐標(biāo)為最大風(fēng)半徑誤差(單位公里)。由圖5誤差散點(diǎn)圖可知，雖然采用三種核函數(shù)時(shí)誤差都小于40公里，總體處于誤差較小的范圍，但當(dāng)選取Laplace核函數(shù)時(shí)，很明顯所有誤差都在10公里以下。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明本發(fā)明中所涉及到的數(shù)據(jù)，最適合選取Laplace核函數(shù)來進(jìn)行建模。表I給出了基于RVM的建模算法在選取不同核函數(shù)時(shí)的建模性能對比結(jié)果。
表I基于RVM建模時(shí)選用不同核函數(shù)時(shí)的性能對比
權(quán)利要求
1.最大風(fēng)半徑和臺風(fēng)眼尺寸建模的相關(guān)向量機(jī)方法，包括基于相關(guān)向量機(jī)建立有眼臺風(fēng)最大風(fēng)半徑和臺風(fēng)眼尺寸間的關(guān)系模型，其特征在于，具體步驟如下 1)獲取有眼臺風(fēng)云圖，直接從圖像上獲得最冷云頂點(diǎn)和眼壁最暖點(diǎn)，并根據(jù)地理緯度與圖像坐標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系，計(jì)算上述兩點(diǎn)間的實(shí)際距離，作為最大風(fēng)半徑； 由兩點(diǎn)的經(jīng)緯度計(jì)算實(shí)際距離的基本原理如下設(shè)A、B兩點(diǎn)的緯度分別為A和B，經(jīng)度分別為La和Lb，要求的是A、B兩點(diǎn)間的大圓弧長；$A、B的中點(diǎn)的緯度為C，經(jīng)度為L。，A、B兩點(diǎn)間的地心夾角為Θ，則根據(jù)球面三角關(guān)系，可列出如下方程cos ( Θ ) = sin (A) sin ⑶+cos (A) cos (B) cos (La-Lb)(I)cos (Θ/2) = sin (A) sin (C)+cos (A) cos (C) cos (La-Lc)(2)cos ( θ /2) = sin (B) sin (C)+cos (B) cos (C) cos (Lb-Lc)(3) 由于C、L。、Θ為未知量，所以式(2)，(3)為非線性方程，于是求解中點(diǎn)的問題轉(zhuǎn)化為如何求解這個(gè)非線性方程組的問題， 于是，大圓一度的弧長乘以地心夾角Θ即可得到大圓距離D : D = (2 31 Rz/360。)· Θ = 111 · Θ(4) 式中Rz為地球半徑，在方程(I)、(2)、(3)和式(4)的計(jì)算中，北緯和東經(jīng)取正值，南緯和西經(jīng)取負(fù)值； 2)基于偏微分方程法對臺風(fēng)云圖進(jìn)行臺風(fēng)眼分割，提取臺風(fēng)眼，然后根據(jù)地理緯度與圖像坐標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系計(jì)算出眼壁上相鄰兩點(diǎn)的實(shí)際距離，最終將所有相鄰點(diǎn)的距離加起來，即得到實(shí)際的眼壁周長； 3)利用RVM建立有眼臺風(fēng)的最大風(fēng)半徑及眼壁周長的內(nèi)核風(fēng)場模型，并通過對比誤差散點(diǎn)圖和柱狀圖與其他建模方法作比較。
2.如權(quán)利要求I所述的最大風(fēng)半徑和臺風(fēng)眼尺寸建模的相關(guān)向量機(jī)方法，其特征在于，所述建立模型的步驟I)中獲取最大風(fēng)半徑的方法，其步驟包括 1)地理經(jīng)緯度與圖像坐標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系 由于實(shí)地測試風(fēng)速的儀器一般用地理經(jīng)緯度來表示所測試地點(diǎn)的坐標(biāo)，因此在比較最后計(jì)算結(jié)果和實(shí)際風(fēng)速的偏差時(shí)就必然涉及到地理經(jīng)緯度與圖像坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換問題，通過建立經(jīng)緯度與圖像坐標(biāo)的關(guān)系，這樣，只要知道圖像上任意點(diǎn)的坐標(biāo)，即可知該點(diǎn)的經(jīng)緯度，反過來，由于經(jīng)緯度表和圖像坐標(biāo)是雙向?qū)?yīng)的，于是對于給定的緯度和經(jīng)度，也能相應(yīng)地查到圖像坐標(biāo)； 2)最大風(fēng)半徑(RMW)的獲取 在紅外圖像中，由于低灰度代表的是高溫，而高灰度代表的是低溫，因此最冷云頂點(diǎn)和眼壁最暖點(diǎn)可通過圖像直接獲得，并根據(jù)經(jīng)度表和緯度表得出對應(yīng)的經(jīng)緯度，得到相鄰兩點(diǎn)之間的實(shí)際距離，即為最大風(fēng)半徑。
3.如權(quán)利要求I所述的最大風(fēng)半徑和臺風(fēng)眼尺寸建模的相關(guān)向量機(jī)方法，其特征在于，所述建立模型的步驟2)中臺風(fēng)眼壁周長的計(jì)算方法，其內(nèi)容包括 先采用臺風(fēng)眼的周長來度量臺風(fēng)眼的大小，先利用非線性灰度變換法增強(qiáng)紅外臺風(fēng)云圖，以便突出臺風(fēng)眼區(qū)利于后續(xù)進(jìn)行臺風(fēng)眼分割，接著使用偏微分方程法提取臺風(fēng)眼，即得到眼壁各點(diǎn)的坐標(biāo)，提取臺風(fēng)眼，然后根據(jù)地地理緯度與圖像坐標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系計(jì)算出眼壁上相鄰兩點(diǎn)的實(shí)際距離，最終將所有相鄰點(diǎn)的距離加起來，即得到實(shí)際臺風(fēng)眼壁的周長。
4.如權(quán)利要求I所述的最大風(fēng)半徑和臺風(fēng)眼尺寸建模的相關(guān)向量機(jī)方法，其特征在于，所述建立模型的步驟3)中用RVM建模的具體步驟包括 1)整個(gè)臺風(fēng)數(shù)據(jù)庫雖然龐大，但是要建立有眼臺風(fēng)內(nèi)核的特征模型，就只能使用有眼臺風(fēng)云圖，因此需要總共選取155幅有眼臺風(fēng)云圖來做測試，由于數(shù)據(jù)量較大，這里不列出詳細(xì)的數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果，而通過分析建模誤差來評價(jià)建模效果； 2)對于樣本數(shù)據(jù)的訓(xùn)練采用循環(huán)模式，總共有多少個(gè)樣本就循環(huán)多少次，每次循環(huán)只取一個(gè)樣本用來作預(yù)測樣本，其他的樣本用作訓(xùn)練樣本，并計(jì)算相應(yīng)的誤差，一次循環(huán)計(jì)算一次誤差大小，每次循環(huán)所用的預(yù)測樣本都要求不同，于是所有循環(huán)結(jié)束后，每個(gè)樣本的預(yù)測誤差都可以描繪出； 3)取臺風(fēng)眼壁的周長作為輸入變量，最大風(fēng)半徑作為輸出變量，用輸出變量的預(yù)測值減去實(shí)際值得到的建模誤差值； 4)分別給出不同建模方法的誤差散點(diǎn)圖和誤差柱狀圖。
5.如權(quán)利要求4所述的最大風(fēng)半徑和臺風(fēng)眼尺寸建模的相關(guān)向量機(jī)方法，其特征在于， 1)基于RVM建立有眼臺風(fēng)最大風(fēng)半徑與臺風(fēng)眼大小的關(guān)系模型時(shí)，核函數(shù)選取Laplace核函數(shù)； 2)誤差柱狀圖中橫坐標(biāo)為誤差范圍(單位公里)，縱坐標(biāo)為對應(yīng)某一誤差范圍的點(diǎn)的個(gè)數(shù)，根據(jù)所得誤差數(shù)據(jù)的分布情況，將誤差值每隔2公里作為一個(gè)統(tǒng)計(jì)單位，即統(tǒng)計(jì)誤差分別在-60公里 -58公里，.'-4公里 -2公里，-2公里、公里，O公里 +2公里，…，+58公里、60公里區(qū)間內(nèi)的點(diǎn)的個(gè)數(shù)，以此作為縱坐標(biāo)的值，并將超出-60公里'60公里范圍的點(diǎn)視作誤差較大的點(diǎn)。
全文摘要
本發(fā)明最大風(fēng)半徑和臺風(fēng)眼尺寸建模的相關(guān)向量機(jī)方法的目的是基于相關(guān)向量機(jī)(RVM)建立有眼臺風(fēng)最大風(fēng)半徑與臺風(fēng)眼尺寸的模型。對此，本發(fā)明通過計(jì)算臺風(fēng)云圖上最冷云頂溫度點(diǎn)和眼壁內(nèi)最暖點(diǎn)的距離來估算最大風(fēng)半徑(RMW)；基于偏微分方程對臺風(fēng)眼進(jìn)行分割，用眼壁周長來度量臺風(fēng)眼的大??；最后基于RVM建立RMW與臺風(fēng)眼尺寸的模型，并與SVM、線性回歸、徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等建模方法進(jìn)行對比。由于采用了本發(fā)明所述的技術(shù)方案，能夠得到很好的建模結(jié)果，基于RVM的建模效果與其他建模方法相比誤差要小得多，這將有利于進(jìn)一步刻畫臺風(fēng)低層風(fēng)場的內(nèi)核結(jié)構(gòu)。
文檔編號G06K9/62GK102938075SQ20121050629
公開日2013年2月20日 申請日期2012年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月29日
發(fā)明者張長江, 楊銀環(huán) 申請人:浙江師范大學(xué)