地基云图像的云状识别技术研究

论文摘要

随着地面观测设备与成像技术的发展,地基云的观测已逐步由人工目测记录转变为设备成像记录,但地基云图像的判读仍然需要依赖专业的观测员。这主要是因为目前绝大多数地基云图像的自动分类识别方法还无法按照气象观测标准中定义的云状进行有效的识别,仅能针对其中部分典型云状识别或按照其他分类依据重新简化云状分类后进行识别。因此,本文提出了能够按照气象观测标准中云状定义进行云状识别的有效方法,并在此基础上实现了基于地基云图像分析的自动观测系统。基于地基云图像的云状识别可以看做是一个图像分类问题,地基云图像的特征提取对区分不同云状的地基云图像起着至关重要的作用。本文通过使用不同种类的特征提取方法按照气象观测标准中的云状对地基云图进行分类,发现颜色、纹理、结构等底层特征在区分不同云状的图像上存在比较明显的互补作用,而基于卷积神经网络的高层语义特征能够进一步对图像特征进行补充。同时,在此基础上提出了一种多种类特征融合的云状识别方法,并在该方法中采用了局部采样和局部特征编码机制。所提出的方法能够很好地将地基云图像按照气象观测标准中的九类云状标准进行分类。为了更进一步提升地基云图像的云状识别效果,结合地基云图像的视觉特点与卷积神经网络的结构特点,本文提出了一种基于预训练的卷积神经网络模型提取地基云图像多层语义及多尺度局部特征的方法,并以Fisher Vector编码替代卷积神经网络中的全连接层对局部特征进行编码形成图像的全局特征。同时,本文通过对地基云图像局部模式的分析,发现通过稠密局部采样得到的局部模式存在很多的冗余,这些冗余的局部模式对云状的区分没有任何帮助甚至会产生负面影响。因此,本文又提出了一种基于聚类的局部模式挖掘方法并将其应用于地基云图像的多层语义特征提取,使得最终提取的地基云图像全局特征具有更强的云状区分能力。目前绝大多数地基云云状识别方法都是将云状识别独立于地基云观测中的云量估计任务来进行的,本文针对这一问题,提出了一种基于监督学习的全天空图像语义分割方法,该方法首先将全天空图像进行超像素分割,得到若干能够较好保持图像边缘的局部区域即超像素,再针对这些超像素进行特征提取和云状识别,从而得到全天空图像中各个局部区域的云状类别。另外,本文还提出了一种基于逐类云状测度学习和子空间对齐的特征空间变换方法,给每一类云状定义一个特定的特征空间使其能够更好地与其他云状区分开来。全天空图像的语义分割不仅能够得到天空中同时存在的多种云状类别信息,还可以得到各类云状在天空中的覆盖和分布情况,同时实现了云状识别与云量估计两个观测任务,使得地基云自动观测中云状识别与云量估计两个任务只能通过两套相互独立的算法分别完成的现状得以改变。最后,为了更好地将地基云图像的云状识别技术应用到实际气象观测中,本文实现了一套基于全天空图像的多任务地基云自动化观测系统,在该系统中提出了一种基于仰角对应弦长的全天空图像畸变校正方法作为图像预处理,并在此基础上进行了地基云图像分类和语义分割的多任务算法和综合决策。在与人工直接观测和人工读图复查的结果对比中,本文提出的自动化观测系统能够达到与专业人工观测媲美甚至更好的观测分析结果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 国内外研究与发展现状
•   1.3 地基云图像云状识别的困难与挑战
•   1.4 主要研究内容
•   1.5 课题来源与行文安排
• 2 基于多视觉特征融合及局部特征编码的云状识别
•   2.1 引言
•   2.2 地基云图像的视觉特征提取
•   2.3 各单一视觉特征的云状识别效果分析
•   2.4 基于Fisher Vector的局部特征编码
•   2.5 实验结果与分析
•   2.6 本章小结
• 3 基于多层语义特征及局部模式挖掘的云状识别
•   3.1 引言
•   3.2 地基云图像视觉特点分析
•   3.3 基于CNN的多层语义特征
•   3.4 地基云图的局部判别模式挖掘方法
•   3.5 实验结果与分析
•   3.6 本章小结
• 4 基于监督学习的全天空图像语义分割方法
•   4.1 引言
•   4.2 全天空地基云图像语义分割数据集的建立
•   4.3 超像素的多视觉特征提取
•   4.4 基于逐类测度学习的精细化特征变换
•   4.5 基于逐类子空间对齐的特征空间变换
•   4.6 实验结果与分析
•   4.7 本章小结
• 5 全天空图像地基云自动观测系统
•   5.1 引言
•   5.2 全天空图像的预处理
•   5.3 多任务云状识别与云量估计的决策融合
•   5.4 多任务综合决策的实际效果
•   5.5 自动观测结果与人工观测对比
•   5.6 本章小结
• 6 全文总结与展望
•   6.1 主要研究内容
•   6.2 主要创新点
•   6.3 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 A 攻读学位期间发表的科研成果
• 附录 B 发表的学术论文、发明专利与学位论文的关系
• 附录 C 作者在博士期间主要参与的课题

文章来源

类型: 博士论文

作者: 叶亮

导师: 曹治国

关键词: 地基云图像,云状识别,特征描述,图像分类,语义分割

来源: 华中科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 气象学,计算机软件及计算机应用

单位: 华中科技大学

基金: 天气现象自动化观测技术研究,科技部公益性行业科研专项,编号:GYHY200906032(中国气象局气象探测中心),地基云图像自动识别算法与软件开发,(江苏省无线电科学研究所有限公司)

分类号: TP391.41;P412

总页数: 148

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