一种基于随机矩形模拟的绿潮漂移扩散方法与流程

1.本发明涉及遥感、生物学、海洋动力学领域，具体涉及一种基于随机矩形模拟的绿潮漂移扩散方法。


背景技术：

2.绿潮具有持续时间长、覆盖范围大、漂移距离远的特点。同时，现有的遥感监测受到云雾影响，导致无法对绿潮持续监测。在数值模拟的具体技术方案中，研究对象往往是单个像素，采用随机生成的初始化方法，这导致了数值模拟初始状态不准确、难以构建绿潮的漂移扩散模拟机制，限制了模拟精度的进一步提高。
3.鉴于以上问题，本发明采用基于对象的模拟方法，利用遥感影像提取的绿潮分布作为数值模拟的初始状态，采用温度函数建立绿潮的生物学特征模块，实现了对现有的数值模拟方法的改进。相比于传统的数值模拟方法，该模型的精度有了大幅的提升。


技术实现要素：

4.提出一种基于随机矩形模拟的绿潮漂移扩散方法，基于现有的绿潮生物学知识构建生长繁殖与漂移扩散机制，通过遥感影像构建对象的初始模拟状态，在传统的方法的基础上进一步提高模拟的精度。
5.本发明包含以下步骤：（1）利用遥感影像提取绿潮，得到绿潮分布二值图；（2）对绿潮分布二值图、海洋表面流北向速度分量、海洋表面流东向速度分量、海洋表面10米风北向速度分量、海洋表面10米风东向速度分量、海洋表面温度进行重采样、裁剪，得到具有相同分辨率以及研究范围的预处理后数据：预处理后的绿潮分布二值图、预处理后的海洋表面流北向速度分量、预处理后的海洋表面流东向速度分量、预处理后的海洋表面10米风北向速度分量、预处理后的海洋表面10米风东向速度分量、预处理后的海洋表面温度；（3）定义数值模拟中的初始化模块，将中的绿潮像素点模拟为父矩形集合；（4）定义数值模拟中的生消模块，更新矩形集合，其中表示子矩形集合；（5）定义数值模拟中的驱动模块，将得到的作为数值模拟的初始状态，基于拉格朗日方法更新，调用更新
；进行迭代，得到最终的。
6.进一步，所述步骤（3）中的具体方法如下：（1）生成父矩形集合：遍历，如果，则随机生成个父矩形，每个父矩形表示为，每个父矩形的长表示为，每个父矩形的宽表示为，每个父矩形的夹角表示为；其中， 表示行，列位置预处理后的绿潮分布二值图的值，如果，则表示的行，列位置的像素为绿潮像素，否则为非绿潮像素；，取整，表示行号，，取整，表示列号；、、、、、的行数相等且表示为；、、、、、的列数相等且表示为；表示在绿潮像素点位随机生成父矩形的个数，；表示行，列，时间处的第个父矩形； 表示行，列，时间处的第个父矩形的长； 表示行，列，时间处的第个父矩形的宽； 表示行，列，时间处的第个父矩形的长轴沿逆时针方向与北方向之间的夹角；，取随机整数；，取随机整数；，取随机值; ，取整，表示天数；、、、、的天数相等且表示为；表示相同行、列、时间位置处矩形的编号；（2）根据 范围内绿潮像素点的密度决定的删除与否：如果，则保留，否则删除；其中，表示去留的阈值，；（3）统计经过步骤（2）中剩余的矩形数目，记为，如果，则不进行操作，否则随机保留个矩形并删除其余矩形，。
7.进一步，所述步骤（4）中的具体方法如下：（1）计算时间处父矩形的净生长率， 表示行，列，时间处的第个父矩形的净生长率；
（2）根据，生成：如果，则以的概率产生子矩形，子矩形的点位信息的计算公式如下：式中，表示的行号；表示的列号；表示中的父矩形生成中的子矩形时，生成的子矩形的行位置；表示中的父矩形生成中的子矩形时，生成的子矩形的列位置； 表示行，列，时间处的第个父矩形的速度值； 表示时间处中最大的速度值； 表示行，列，时间处的第个父矩形的北向速度； 表示行，列，时间处的第个父矩形的东向速度；子矩形的长、宽、夹角随机产生，行，列，时间处的第个子矩形的长，取随机整数；行，列，时间处的第个子矩形的宽，取随机整数；行，列，时间处的第个子矩形的长轴沿逆时针方向与北方向之间的夹角，取随机值；将产生的子矩形记为，表示行，列，时间处的第个子矩形;（3）根据，更新：如果，则不更改、、；如果，则以的概率删除；进一步，如果没有被删除，则以的比例缩小的长和宽。
8.进一步，所述步骤（5）中的具体方法如下：（1）计算时间处矩形的速度：行，列，时间处的第个父矩形的北向速度、行，列，时
间处的第个父矩形的东向速度的计算公式如下：式中， 表示范围内的均值， 表示范围内的均值， 表示范围内的均值， 表示范围内的均值， 表示的流速系数， 表示中每个父矩形的风速系数, ；的计算公式如下：的计算公式如下：行，列，时间处的第个父矩形的北向速度、行，列，时间处的第个父矩形的东向速度的扰动根据如下公式计算：式中，表示针对产生的介于0~1之间的随机值，表示父矩形的扰动阈值，；行，列，时间处的第个子矩形的北向速度、行，列，时间处的第个子矩形的东向速度的计算公式如下：式中， 表示范围内的均值， 表示范围内的均值， 表示范围内的均值， 表示范围内的均值， 表示的流速系数， 表示
中每个子矩形的风速系数, ；的计算公式如下：的计算公式如下：行，列，时间处的第个子矩形的北向速度、行，列，时间处的第个子矩形的东向速度的扰动根据如下公式计算：式中， 表示针对产生的介于0~1之间的随机值；（2）根据拉格朗日粒子漂移方法，计算时间处矩形的位置；（3）在时间处，调用更新，当存在时长超过2天时，将移动到中，记为；（4）在时间处调用，直到完成指定时间的模拟。
附图说明
9.图1为本发明实施的步骤流程图。
具体实施方式
10.为使本发明的目的、内容以及优点更加清楚，下面结合附图和实施案例，对本发明的具体实施方式进一步详细描述。
11.参照图1，本发明的具体实施步骤为：（1）利用遥感影像提取绿潮，得到绿潮分布二值图；（2）对绿潮分布二值图、海洋表面流北向速度分量、海洋表面流东向速度分量、海洋表面10米风北向速度分量、海洋表面10米风东向速度分量、海洋表面温度进行重采样、裁剪，得到具有相同分辨率以及研究范围的预处理后数据：预处理后的绿潮分布二值图、预处理后的海洋表面流北向速度分量、预处理后的海洋表面流东向速度分量、预处理后的海洋表面10米风北向速度分量、预处理后的海洋表面10米风东向速度分量、预处理后的海洋表面温度；（3）定义数值模拟中的初始化模块，将中的绿潮像素点模拟为父矩形集合，具体方法如下：（3.1）生成父矩形集合：
遍历，如果，则随机生成个父矩形，每个父矩形表示为，每个父矩形的长表示为，每个父矩形的宽表示为，每个父矩形的夹角表示为；其中， 表示行，列位置预处理后的绿潮分布二值图的值，如果，则表示的行，列位置的像素为绿潮像素，否则为非绿潮像素；，取整，表示行号，，取整，表示列号；、、、、、的行数相等且表示为；、、、、、的列数相等且表示为；表示在绿潮像素点位随机生成父矩形的个数，；表示行，列，时间处的第个父矩形； 表示行，列，时间处的第个父矩形的长； 表示行，列，时间处的第个父矩形的宽； 表示行，列，时间处的第个父矩形的长轴沿逆时针方向与北方向之间的夹角；，取随机整数；，取随机整数；，取随机值; ，取整，表示天数；、、、、的天数相等且表示为；表示相同行、列、时间位置处矩形的编号；（3.2）根据 范围内绿潮像素点的密度决定的删除与否：的计算公式如下：式中， 表示行，列，时间处的第个父矩形范围内包含的绿潮像素点的数目， 表示行，列，时间处的第个父矩形范围内像素点的数目，的计算公式如下：如果，则保留，否则删除；其中，
表示去留的阈值，；（3.3）统计经过步骤（2）中剩余的矩形数目，记为，如果，则不进行操作，否则随机保留个矩形并删除其余矩形，。
12.（4）定义数值模拟中的生消模块，更新矩形集合，其中表示子矩形集合，具体方法如下：（4.1）计算时间处父矩形的净生长率， 表示行，列，时间处的第个父矩形的净生长率：式中， 表示行，列，时间处的第个父矩形的净生长率， 表示行，列，时间处的第个父矩形的生长率， 表示行，列，时间处的第个父矩形的死亡率；的计算公式如下：式中 表示范围内生长率的均值；行，列，时间处的生长率表示为，计算公式如下：式中，表示绿潮最适宜生长温度的下限，；表示绿潮最适宜生长温度的上限，；表示参数值，=1.15；表示参数值，=1.80；表示绿潮的日最大生长率，； 表示在行，列，时间处预处理后的海洋表面温度值；的计算公式如下： 式中， 表示范围内死亡率的均值；行，列，时间处的死亡率表示为，计算公式如下：
式中，表示绿潮最大死亡临界温度，；表示参数值，=1.10；表示绿潮的日最大死亡率，；（4.2）根据，生成：如果，则以的概率产生子矩形，子矩形的点位信息的计算公式如下：式中，表示的行号；表示的列号；表示中的父矩形生成中的子矩形时，生成的子矩形的行位置；表示中的父矩形生成中的子矩形时，生成的子矩形的列位置； 表示行，列，时间处的第个父矩形的速度值； 表示时间处中最大的速度值； 表示行，列，时间处的第个父矩形的北向速度； 表示行，列，时间处的第个父矩形的东向速度；子矩形的长、宽、夹角随机产生，行，列，时间处的第个子矩形的长，取随机整数；行，列，时间处的第个子矩形的宽，取随机整数；行，列，时间处的第个子矩形的长轴沿逆时针方向与北方向之间的夹角，取随机值；将产生的子矩形记为，表示行，列，时间处的第个子矩形;（4.3）根据，更新：如果，则不更改、、；如果，则以的概率删除；进一步，如果没有被删除，则以的比例缩小的长和宽。
13.（5）定义数值模拟中的驱动模块，将得到的作为数值模拟
的初始状态，基于拉格朗日方法更新，调用更新；进行迭代，得到最终的，具体方法如下：（5.1）计算时间处矩形的速度：行，列，时间处的第个父矩形的北向速度、行，列，时间处的第个父矩形的东向速度的计算公式如下：式中， 表示范围内的均值， 表示范围内的均值， 表示范围内的均值， 表示范围内的均值， 表示的流速系数， 表示中每个父矩形的风速系数, ；的计算公式如下：的计算公式如下：行，列，时间处的第个父矩形的北向速度、行，列，时间处的第个父矩形的东向速度的扰动根据如下公式计算：式中，表示针对产生的介于0~1之间的随机值，表示父矩形的扰动阈值，； 的速度值的计算公式如下：的速度值的计算公式如下：行，列，时间处的第个子矩形的北向速度、行，列，时间处的第个子矩形的东向速度的计算公式如下：
式中， 表示范围内的均值， 表示范围内的均值， 表示范围内的均值， 表示范围内的均值， 表示的流速系数， 表示中每个子矩形的风速系数, ；的计算公式如下：的计算公式如下：行，列，时间处的第个子矩形的北向速度、行，列，时间处的第个子矩形的东向速度的扰动根据如下公式计算：式中， 表示针对产生的介于0~1之间的随机值；（5.2）根据拉格朗日粒子漂移方法，计算时间处矩形的位置；（5.3）在时间处，调用更新，当存在时长超过2天时，将移动到中，记为；（5.4）在时间处调用，直到完成指定时间的模拟。