基于部分卷积生成对抗网络的海冰厚度重建方法与流程

本发明涉及海冰数据重建和人工智能交叉，具体涉及一种基于部分卷积生成对抗网络的海冰厚度重建方法。

背景技术：

1、近年来，由于海冰缓慢扩张转变为持续低海冰范围并多次创下海冰历史新低记录，这些现象表明海冰系统可能发生了稳态转变。而海冰变化会显著影响海气热量交换、淡水与盐度再分配、水团转化、生态系统结构及气候反馈过程。然而，现有研究主要依赖海冰范围或海冰密集度评估海冰变化及其影响，难以充分刻画极端低海冰状态下的持续影响，相较之下，海冰厚度能够更直接反映海冰质量平衡，因此对海冰厚度进行连续监测对于理解海冰系统变化具有重要意义。

2、此外，尽管卫星测高已成为大尺度海冰厚度的主要观测手段，但受卫星轨道采样限制，逐日沿轨观测的空间覆盖有限，现有海冰厚度产品通常采用月尺度聚合方式构建全覆盖的海冰厚度数据，其数据未充分考虑海冰漂移和热力演变过程，因此限制了对海冰日尺度变化过程的刻画能力。虽然土壤湿度和海洋盐度卫星（smos）可提供逐日海冰厚度信息，该信息的使用主要适用于薄冰区域。

3、近年来，虽利用深度学习方法在稀疏观测数据稠密化重建中展现出较好的应用前景，但已有基于深度学习的海冰厚度重建产品存在以下问题：依赖多日观测聚合且未充分考虑海冰漂移和热力演变过程，缺乏对海冰厚度时间持续性的有效约束。因此，需要提供一种处理不规则稀疏沿轨观测、同时保留海冰状态时间记忆、并能输出逐日全覆盖海冰厚度场的重建方法。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明实施例提供一种基于部分卷积生成对抗网络的海冰厚度重建方法，以解决在观测稀疏条件下实现海冰厚度逐日连续重建，并提高重建结果的时空完整性与精度的问题。

2、根据第一方面，本技术实施例提供的一种基于部分卷积生成对抗网络的海冰厚度重建方法，该方法包括：

3、获取目标区域内的沿轨冰厚观测数据和重建辅助数据，利用所述沿轨冰厚观测数据构建观测掩码，所述重建辅助数据包括海冰密集度数据、海冰厚度背景场数据、海冰漂移数据、热力强迫数据及预处理的网格描述数据；

4、当所述目标区域内的沿轨冰厚观测数据覆盖不足时，获取目标日之前的历史卫星沿轨海冰厚度观测数据作为离散海冰单元，利用所述海冰漂移数据追踪各所述离散海冰单元的位置变化，利用所述热力强迫数据结合海冰热力学模型更新各所述离散海冰单元的厚度数据，得到经物理过程传播至目标日的增强沿轨海冰厚度观测数据；

5、获取海冰厚度再分析数据，将所述海冰厚度再分析数据、所述观测掩码及所述增强沿轨海冰厚度观测数据送入部分卷积生成对抗网络，输出目标日全覆盖的格点海冰厚度重建数据；

6、将所述目标日全覆盖的格点海冰厚度重建数据作为下一日的海冰厚度背景场数据，按时间顺序送入部分卷积生成对抗网络进行迭代训练，得到长序列的逐日格点海冰厚度重建数据。

7、可选地，在本技术实施例中，预处理的网格描述数据包括：

8、将所述卫星沿轨海冰厚度观测数据、海冰密集度数据、海冰厚度背景场数据、海冰漂移数据及热力强迫数据统一映射至预设网格，所获得的网格描述数据。

9、可选地，在获取所述目标区域内的沿轨冰厚观测数据和重建辅助数据之前还包括：

10、对于同一日期同一网格格点内，存在的多个卫星沿轨海冰厚度观测数据进行平均，以确定网格格点对应日期的卫星沿轨海冰厚度观测数据；

11、对于海冰密集度低于预设阈值的网格格点进行剔除操作，输出执行剔除操作后的海冰密集度数据；

12、将所述网格格点对应日期的卫星沿轨海冰厚度观测数据和所述海冰密集度数据进行结合输出等效海冰厚度，所述等效海冰厚度为所述目标区域内的沿轨冰厚观测数据。

13、可选地，利用所述沿轨冰厚观测数据构建观测掩码，包括：

14、确定目标日，在预设空间网格上生成稀疏观测场和二值观测掩码；

15、当某一格点存在有效沿轨海冰厚度观测数据时，则在稀疏观测场中填入观测值，并将二值观测掩码的对应格点，标记为1；

16、当某一格点不存在有效沿轨海冰厚度观测数据时，则在稀疏观测场中填入预设填充值，其中所述预设填充值为：0，并在二值观测掩码中标记为0。

17、可选地，利用所述海冰漂移数据追踪各所述离散海冰单元的位置变化，包括：

18、按照固定时间步长获取所述离散海冰单元当前位置处的海冰漂移速度，将海冰漂移速度转换为经向位移和纬向位移，并更新所述离散海冰单元的位置；

19、和，所述利用所述热力强迫数据结合海冰热力学模型更新各所述离散海冰单元的厚度数据，得到经物理过程传播至目标日的增强沿轨海冰厚度观测数据，包括：

20、利用雪深、海冰密集度、气温、风速、相对湿度、云量、降水、下行短波辐射和下行长波辐射数据驱动海冰热力模型，以计算所述离散海冰单元在传播期间的增厚数据或融化数据。

21、可选地，部分卷积生成对抗网络包括：

22、生成器，用于接收所述海冰厚度再分析数据、所述观测掩码及所述增强沿轨海冰厚度观测数据，以输出目标日全覆盖的格点海冰厚度重建数据；

23、判别器，用于确定分析增量和目标增量，其中，所述分析增量由所述目标日全覆盖海冰厚度重建数据与所述观测掩码中海冰厚度背景场数据的差值确定，所述目标增量由所述海冰厚度再分析数据与所述观测掩码中海冰厚度背景场数据的差值确定。

24、可选地，生成器包括：背景编码分支、观测编码分支、残差映射模块、特征融合模块和解码模块。

25、可选地，将所述海冰厚度再分析数据、所述观测掩码及所述增强沿轨海冰厚度观测数据送入部分卷积生成对抗网络之前，

26、按时间顺序以预设步进的方式训练部分卷积生成对抗网络，包括：

27、对于预设步进，需要先将所述海冰厚度再分析数据、所述观测掩码及所述增强沿轨海冰厚度观测数据输入生成器，得到目标日全覆盖的格点海冰厚度重建数据；

28、利用判别器分别构造所述目标增量和所述分析增量；

29、在训练轮结束后利用预设验证集评估模型，当验证损失在预设连续轮数内不再降低时停止训练，并保存验证性能最优的生成器参数。

30、可选地，在利用所述观测数据构建观测掩码后，对所述观测数据中的卫星沿轨海冰厚度观测数据进行归一化，在获得长序列的逐日格点海冰厚度重建数据之后进行反归一化处理。

31、根据第二方面，本技术实施例提供的一种基于部分卷积生成对抗网络的海冰厚度重建装置，包括：

32、第一获取模块，用于获取目标区域内的沿轨冰厚观测数据和重建辅助数据，利用所述沿轨冰厚观测数据构建观测掩码，所述重建辅助数据包括海冰密集度数据、海冰厚度背景场数据、海冰漂移数据、热力强迫数据及预处理的网格描述数据；

33、第二获取模块，用于当所述目标区域内的沿轨冰厚观测数据覆盖不足时，获取目标日之前的历史卫星沿轨海冰厚度观测数据作为离散海冰单元，利用所述海冰漂移数据追踪各所述离散海冰单元的位置变化，利用所述热力强迫数据结合海冰热力学模型更新各所述离散海冰单元的厚度数据，得到经物理过程传播至目标日的增强沿轨海冰厚度观测数据；

34、第一训练模块，用于获取海冰厚度再分析数据，将所述海冰厚度再分析数据、所述观测掩码及所述增强沿轨海冰厚度观测数据送入部分卷积生成对抗网络，输出目标日全覆盖的格点海冰厚度重建数据；

35、第二训练模块，用于将所述目标日全覆盖的格点海冰厚度重建数据作为下一日的海冰厚度背景场数据，按时间顺序送入部分卷积生成对抗网络进行迭代训练，得到长序列的逐日格点海冰厚度重建数据。

36、相对于现有技术，本发明的有益效果是：

37、（1）本发明根据沿轨卫星冰厚观测构建观测掩码，结合沿轨冰厚观测、海冰热力学模型和海冰漂移数据构建增强沿轨海冰厚度观测数据；基于冰厚再分析数据构建背景场，将背景场、增强沿轨海冰厚度观测数据和观测掩码输入部分卷积生成对抗网络，生成长时间序列逐日格点海冰厚度重建数据，实现观测稀疏条件下海冰厚度的逐日连续重建，提高重建结果的时空完整性与精度。

38、（2）本发明利用观测掩码和部分卷积生成对抗网络处理卫星沿轨稀疏观测，使模型能够区分真实观测格点和缺测填充值，避免将无观测区域误作为有效厚度信息参与特征提取；

39、（3）本发明在观测覆盖不足时期引入海冰漂移和热力过程，对历史沿轨观测进行位置更新和厚度更新，相较于直接合并多日沿轨观测，能够提高目标日观测集合的时空一致性；

40、（4）本发明将前一日重建结果递推为下一日背景场，使逐日重建过程保留海冰厚度状态记忆，并使卫星观测信息在时间维度上连续积累；

41、（5）本发明以重建增量作为判别器的输入，通过对抗损失约束从背景场到重建结果的空间更新结构，有利于在观测稀疏条件下保持海冰厚度的连续性；

42、（5）本发明可兼容多种卫星沿轨海冰厚度观测、再分析背景场、数值模式背景场和辅助强迫数据，具有较强的可扩展性。