一种基于多级插值法的海洋环境场重建方法技术

本申请实施例提供了一种基于多级插值法的海洋环境场重建方法。该方法用于海洋动力模式输出的低分辨网格环境场和移动节点观测的高精度数据等多源数据融合，通过多级插值重建得到高分辨、高精度的海洋环境场。多源数据融合始终在均匀网格内进行，首先通过均值替代法将移动节点观测数据融合到海洋动力模式输出的低分辨网格场中，得到融合网格场。然后构建径向基函数(RBF)网格插值模型提取网格特征，再对融合网格场进行扩充并使用网格插值模型填补网格属性值，得到扩充网格场。最后重复前述步骤，通过多级迭代完成海洋环境场的高分辨重建。本发明专利技术在海洋信息领域的多源环境场数据融合场景下，对提高环境场的分辨率和精度具有潜在应用价值。潜在应用价值。潜在应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种基于多级插值法的海洋环境场重建方法


[0001]本申请涉及海洋信息
，尤其涉及一种基于多级插值法的海洋环境场重建方法。

技术介绍

[0002]声波是海洋中传播信息的有效载体，也是探测海洋内部信息不可或缺的工具。然而海水中声速的变化会使声波在行进途中产生折射现象，从而影响其传播。因此，想要确知声波传播特性以满足水声探测、遥感与水下通信等方面的研究需求，就必须更好地捕捉声速的不确定性，获取海洋环境场完备知识。
[0003]海洋中影响声速的环境因素主要有水体温度、盐度和压力，声速可结合温盐深数据通过经验公式计算。获取声速的途径主要有仪器直接观测、声传播模型反演、海洋动力学模型计算等。然而这些声速获取方式各有利弊：直接观测的数据精度、分辨率高，但只能获取局部短时温盐观测数据；声传播模型可高效反演获取声速，但只能获取声传播路径声速，且对噪声和模型参数失配较敏感；海洋动力模式可根据海洋动力学过程建模实现大范围环境场预报，但难以预测中小尺度环境场变化。因此如何多源数据的优势，进行海洋环境场的高分辨重建是一个尤为重要的研究课题。

技术实现思路

[0004]本专利技术针对现有技术的不足，提供了一种融合海洋动力模式及海洋移动节点观测数据，实现海洋环境场高分辨插值重建的多级插值算法。本专利技术在多级插值算法上实现了：网格数据融合、网格特征提取、网格扩充、多级迭代完成高分辨重建。
[0005]本申请实施例提供了一种基于多级插值法的海洋环境场重建方法，包括以下步骤：
[0006]步骤(1)，移动节点观测数据融合到海洋动力模式输出的网格中；
[0007]步骤(2)，构建径向基函数(RBF)网格插值模型提取网格特征；
[0008]步骤(3)，扩充网格并插值填补网格属性值；
[0009]步骤(4)，多级迭代完成高分辨环境场重建。
[0010]在一些实施例中，所述步骤(1)具体包括：
[0011]假设海洋动力模式输出具有均匀网格的某海域环境场预报数据，网格点集T＝{(x
i
,f
i
),i＝1,2,
…
,n}，其中x
i
为第i个网格点对应的空间坐标值，f
i
为该网格点的属性值(温度、盐度等)；移动节点在该海域按照规划路径进行采样，可以获取到路径上的温度、盐度、深度等数据，观测点集记为Z＝{(x
i
,f
i
),i＝1,2,
…
,m}，其中x
i
为第i个观测点对应的空间坐标值，f
i
为该观测点的属性值(温度、盐度等)；
[0012]将移动节点观测数据与海洋动力模式输出的网格场融合，具体融合方法为：对于包含节点观测数据的模式输出网格点T
k
＝{x
k
,f
k
}，使用该网格内所有观测点集Z
k
＝{(x
ki
,f
ki
),i＝1,2,
…
,p}的属性值均值
[0013][0014]替代该网格属性值f
k
；对于不包含观测数据的网格，维持原数据值；最终得到属性值融合后的网格点集T
′
＝{(x
i
,f
i
),i＝1,2,
…
,n}。
[0015]在一些实施例中，所述步骤(2)具体包括：
[0016]完成网格数据融合后，构建RBF网格插值模型提取网格特征；RBF网格插值模型为：空间中给定函数φ:R
+
→
R，对于步骤(1)融合所得的n个均匀网格数据点集T
′
＝{(x
i
,f
i
),i＝1,2,
…
,n}，需要找到一个函数：
[0017][0018]使其满足插值条件：
[0019][0020]其中x
k
为空间任意坐标点，f(x
k
)为该点对应的属性值f
k
，||x
k
‑
x
i
||2表示任意坐标点x
k
到融合网格点x
i
间的欧氏距离，w
i
为线性组合系数，即权重；φ(||x
k
‑
x
i
||2)为x
k
在中心点x
i
处对应的RBF基函数，采用多二次函数形式：
[0021][0022]其中σ为RBF的可变形状参数；
[0023]对于插值式中的权重系数w
i
的计算，将步骤(1)融合网格点集T
′
代入公式(1)，得到网格特征提取方程，即插值表达式：
[0024][0025]其中φ
ji
＝φ(||x
j
‑
x
i
||2).令基函数矩阵权重向量属性向量则插值表达式简写为：
[0026]Φw＝f,
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0027]通过矩阵求逆，可计算得到各网格点基函数对应的权重分量：
[0028]w＝Φ
‑1f.
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)。
[0029]在一些实施例中，所述步骤(3)具体包括：
[0030]通过求解插值表达式获取RBF插值系数w后，将网格点集T
′
在各维度进行均匀划分扩充，得到扩充后的网格点集T1＝{(x
i
,f
i
),i＝1,2,
…
,n1}；将扩充网格坐标x
i
代入RBF插值式(3)中求解得到该网格点的属性值f
i
，从而实现扩充网格点集T1属性值的填充。
[0031]在一些实施例中，所述步骤(4)具体包括：
[0032]步骤(1)(2)(3)已经实现了初始网格的第1级扩充并获得1级插值网格场T1；将扩充后的网格T1作为初始网格，再次重复(1)(2)(3)步骤依次进行数据融合、网格特征提取、网格扩充，进一步利用更多的移动节点观测信息，将其融入新网格T1中并进一步扩充网格；经过多级迭代，不断扩充网格，以实现海洋环境场的高分辨、高精度多级插值重建。
[0033]本专利技术的有益效果包括：
[0034](1)本专利技术能够实现不同来源的海洋环境场数据的融合，特别是移动节点观测数据与海洋动力模式输出数据的融合。
[0035](2)本专利技术能够融合移动节点观测数据和海洋动力模式输出数据，实现海洋环境场高分辨、高精度重建，从而提升模式预报准确度。
[0036](3)本专利技术所重建出的高分辨、高精度环境场，能够用于路径规划、声场计算等多个海洋工程领域本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多级插值法的海洋环境场重建方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤(1)，移动节点观测数据融合到海洋动力模式输出的网格中；步骤(2)，构建径向基函数(RBF)网格插值模型提取网格特征；步骤(3)，扩充网格并插值填补网格属性值；步骤(4)，多级迭代完成高分辨环境场重建。2.根据权利要求1所述的一种基于多级插值法的海洋环境场重建方法，其特征在于，所述步骤(1)具体包括：假设海洋动力模式输出具有均匀网格的某海域环境场预报数据，网格点集T＝{(x
i
，f
i
)，i＝1,2，...，n}，其中x
i
为第i个网格点对应的空间坐标值，f
i
为该网格点的属性值(温度、盐度等)；移动节点在该海域按照规划路径进行采样，可以获取到路径上的温度、盐度、深度等数据，观测点集记为Z＝{(x
i
，f
i
)，i＝1,2，...，m}，其中x
i
为第i个观测点对应的空间坐标值，f
i
为该观测点的属性值(温度、盐度等)；将移动节点观测数据与海洋动力模式输出的网格场融合，具体融合方法为：对于包含节点观测数据的模式输出网格点T
k
＝{x
k
,f
k
}，使用该网格内所有观测点集Z
k
＝{(x
ki
,f
ki
)，i＝1,2，...，p}的属性值均值替代该网格属性值f
k
；对于不包含观测数据的网格，维持原数据值；最终得到属性值融合后的网格点集T
′
＝{(x
i
，f
i
)，i＝1,2，...，n}。3.根据权利要求2所述的一种基于多级插值法的海洋环境场重建方法，其特征在于，所述步骤(2)具体包括：完成网格数据融合后，构建RBF网格插值模型提取网格特征；RBF网格插值模型为：空间中给定函数φ：R
+
→
R，对于步骤(1)融合所得的n个均匀网格数据点集T
′
＝{(x
i
，f
i
)，i＝1,2，...，n}，需要找到一个函数：使其满足插值条件：其中x
k
为空间任意坐标点...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴浩晨，张驰，李鋆，张朝金，张立琛，张凯博，闫孝伟，李建龙，
申请(专利权)人：中国船舶集团有限公司系统工程研究院，
类型：发明
国别省市：