CN110502801A - 海洋温度锋自动追踪和特征参数信息提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海洋温度锋自动追踪和特征参数信息提取方法：(1)温度梯度场的建立；(2)温度锋横断面的确定；(3)温度锋特征参数的确定；(4)锋区中心位置的追踪；(5)遍历海区内所有网格点，得到海区内所有的海洋温度锋，并提取相应的温度锋特征参数信息，用于海洋中尺度现象研究并对未来海洋温度锋的分布做出可能性预测。本发明在温度水平梯度法原理的基础上，以网格遍历和物体质心权重分配的方式自动追踪海洋温度锋面中心位置，同时实现对海洋温度锋的强度、宽度、边界等特征参数信息的协同一致性提取，解决了传统的海洋温度锋提取方法仅能提供锋面的中心位置而不能同时给出锋区的强度、宽度、边界等关键特征参数信息的问题。

Description

海洋温度锋自动追踪和特征参数信息提取方法

技术领域

本发明涉及海洋信息技术，特别涉及一种基于锋面中心线的海洋温度锋自动 追踪和特征参数信息提取方法。

背景技术

海洋锋是海洋中水文要素水平剧烈变化的区域，可以用要素的水平梯度来描 述。锋区是海水辐聚区域，存在次级环流和强烈的混合作用，海洋生产力高，对 于海洋混合与海洋环流、海-气相互作用、渔业、水声传播等诸多领域的研究有 着非常重要的影响。开展海洋锋这一类海洋中尺度特征现象的研究、分析与预报 的首要环节就是对海洋锋区的特征参数，如锋区的中心位置、强度、宽度、边界 等进行信息提取。特别是在利用卫星遥感海表面温度开展海洋温度锋实时监测和 海洋三维温盐流数值分析和预报的过程中，人们需要基于海洋温度场网格分析和 预报数据集，对诸如海洋中尺度涡和温度锋这类所关心的海洋中尺度特征现象进 行快速解释和应用，以便可以高效地为海洋环境安全保障提供海洋特征现象信息 产品服务。

对于海洋锋面的检测方法主要可以归结为两类：一是梯度法(Gradientalgorithm)，二是直方图法(Histogram algorithm)。前者主要是根据给定的温度 空间梯度的阈值来进行海洋锋的检测，适用于任意强度的锋面，而后者则可适用 于高背景噪音下的弱海洋锋检测。但无论是梯度法，还是直方图法，通常只是给 出锋面的中心位置，并不能同时给出海洋锋横断面的宽度，即锋面的侧向边界。 而在实际海洋环境安全保障中，往往需要同时给出海洋锋面的中心位置、强度、 横断面的宽度等信息。尤其是在海洋水声的应用中，海洋锋面边缘的确定，对水 声传播起着非常重要的作用。美国海军自2002年起在其业务化运行的涡可分辨 的全球海洋锋和中尺度涡特征现象预报***中，海洋温度锋面边界的预报是其发 布的非常重要的一项海洋环境安全保障产品。因此，在涡可分辨的全球海洋数值 预报***所产生的海洋温度场网格分析和预报数据集的基础上，研究开发一种精度较高的海洋温度锋面自动检测算法，尤其是可同时给出海洋锋面的中心位置、 强度、宽度和边界等特征参数，并且具有广泛适用性，从而达到对海洋温度锋这 类中尺度特征现象进行快速解释和应用的目的，势在必行。

发明内容

本发明针对海洋温度锋特征参数信息提取，主要目的是在利用卫星遥感海表 面温度开展海洋温度锋实时监测和海洋三维温盐流数值分析和预报的过程中，解 决通常所采用的海洋温度锋面的梯度检测方法仅能提供锋面的中心位置而不能 同时给出锋区的强度、宽度、边界等关键特征参数信息这一不足之处，提供一种 基于锋面中心线的海洋温度锋自动追踪方法，可同时提取锋面的中心位置、强度、 宽度、边界等特征参数信息，实现基于海洋温度场网格分析和预报数据集的中尺 度特征现象的快速解释和应用。

本发明所采用的技术方案是：一种海洋温度锋自动追踪和特征参数信息提取 方法，包括以下步骤：

步骤1，温度梯度场的建立：利用给定海域的温度场网格数据，计算温度梯 度场，并对温度梯度场进行内插，获得较温度场网格数据更高分辨率的温度梯度 场网格数据集；

步骤2，温度锋横断面的确定：建立温度锋判别标准，以某一满足温度锋判 别标准的点为温度锋中心位置初猜点，并以温度锋中心位置初猜点为中心，分别 沿温度梯度正负两个方向寻找温度锋临时边界点；

步骤3，温度锋特征参数的确定：采用逐步迭代的方式，确定锋区的中心位 置，提取特征参数信息；

步骤4，锋区中心位置的追踪：根据步骤3确定的锋区中心位置，沿着与锋 区中心位置的温度梯度方向的逆时针垂直方向，追踪下一个温度锋横断面的锋区 中心位置，提取相应特征参数信息；

步骤5，遍历海区内所有网格点，以搜索得到海区内所有的海洋温度锋，并 完成相应的温度锋特征参数信息的提取，用于海洋中尺度现象研究并对未来海洋 温度锋的分布做出可能性预测。

进一步地，步骤1中，所述的温度梯度场的计算方法为：

利用给定的温度场网格数据，分别计算网格中每个网格点X轴方向，Y轴 方向的温度梯度，其中，在计算X轴方向的温度梯度时，纬度不变，经度按照 固定步长变化；在计算Y轴方向的温度梯度时，经度不变，纬度按照固定步长 变化；

任意网格点处的温度梯度GF为：

式中，GX表示所求点沿着X轴方向的温度梯度值，GY表示所求点沿着Y轴方 向的温度梯度值；

其中，所求点沿着X轴方向的温度梯度值GX的计算方法如下：

当所求点为左边界点时，沿X轴方向，取所求点之后的两个点依次命名为 点l2和点l3；设所求点、点l2和点l3沿着X轴方向的温度值分别为T_lspx、T_l2x、 T_l3x，所求点与点l2在X轴方向上的距离为L_lsp-l2x，点l2与点l3在X轴方向上 的距离为L_l2-l3x，则：

式中，W_1spx为所求点为左边界点时、所求点沿着X轴方向占有的梯度权重、W_l2x为所求点为左边界点时、点l2沿着X轴方向占有的梯度权重、W_l3x为所求点为 左边界点时、点l3沿着X轴方向占有的梯度权重；

当所求点为右边界点时，沿X轴反方向，取所求点之前的两个点依次命名 为点r2和点r1；设点r1、点r2和所求点沿着X轴方向的温度值分别为T_r1x、T_r2x、 T_rspx，点r1与点r2在X轴方向上的距离为L_r1-r2x，点r2与所求点在X轴方向上 的距离为L_r2-rspx，则：

式中，W_r1x为所求点为右边界点时、点r1沿着X轴方向占有的梯度权重、W_r2x为所求点为右边界点时、点r2沿着X轴方向占有的梯度权重、W_rspx为所求点为 右边界点时、所求点沿着X轴方向占有的梯度权重；

当所求点既不是左边界点也不是右边界点时，在X轴上，取与所求点左、 右相邻的两个点分别命名为点m1和点m3；设点m1、所求点和点m3沿着X轴 方向的温度值分别为T_m1x、T_mspx、T_m3x，点m1与所求点在X轴方向上的距离为 L_m1-mspx，所求点与点m3在X轴方向上的距离为L_msp-m3x，则：

式中，W_m1x为所求点即不是左边界点也不是右边界点时、点m1沿着X轴方向占 有的梯度权重、W_mspx为所求点即不是左边界点也不是右边界点时、所求点沿着 X轴方向占有的梯度权重、W_m3x为所求点即不是左边界点也不是右边界点时、 点m3沿着X轴方向占有的梯度权重；

其中，所求点沿着Y轴方向的温度梯度值GY的计算方法如下：

当所求点为下边界点时，沿Y轴方向，取所求点之后的两个点依次命名为 点d2和点d3；设所求点、点d2和点d3沿着Y轴方向的温度值分别为T_dspy、T_d2y、 T_d3y，所求点与点d2在Y轴方向上的距离为L_dsp-d2y，点d2与点d3在Y轴方向 上的距离为L_d2-d3y，则：

式中，W_dspy为所求点为下边界点时、所求点沿着Y轴方向占有的梯度权重、W_d2y为所求点为下边界点时、点d2沿着Y轴方向占有的梯度权重、W_d3y为所求点为 下边界点时、点d3沿着Y轴方向占有的梯度权重；

当所求点为上边界点时，沿Y轴反方向，取所求点之前的两个点依次命名 为点h2和点h1；设点h1、点h2和所求点沿着Y轴方向的温度值分别为T_h1y、T_h2y、 T_hspy，点h1与点h2在Y轴方向上的距离为L_h1-h2y，点h2与所求点在Y轴方向 上的距离为L_h2-hspy，则：

式中，W_h1y为所求点为上边界点时、点h1沿着Y轴方向占有的梯度权重、W_h2y为所求点为上边界点时、点h2沿着Y轴方向占有的梯度权重、W_hspy为所求点为 上边界点时、所求点沿着Y轴方向占有的梯度权重；

当所求点既不是下边界点也不是上边界点时，在Y轴上，取与所求点下、 上相邻的两个点分别命名为点b1和点b3；设点b1、所求点和点b3沿着Y轴方 向的温度值分别为T_b1y、T_bspy、T_b3y，点b1与所求点在Y轴方向上的距离为L_b1-bspy， 所求点与点b3在Y轴方向上的距离为L_bsp-b3y，则：

式中，W_b1y为所求点即不是下边界点也不是上边界点时、点b1沿着Y轴方向 占有的梯度权重、W_bspy为所求点即不是下边界点也不是上边界点时、所求点沿 着Y轴方向占有的梯度权重、W_b3y为所求点即不是下边界点也不是上边界点时、 点b3沿着Y轴方向占有的梯度权重；

所述的较温度场网格数据更高分辨率的温度梯度场网格数据集的获得方法 为：

采取双线性插值的原理将各点梯度值插值到使用的较温度场网格更高分辨 率的网格上：

GF(x,y)＝W₁₁×GF(x₁,y₁)+W₂₁×GF(x₂,y₁)+W₁₂×GF(x₁,y₂)+W₂₂×GF(x₂,y₂) (8)

式中，(x,y)表示较温度场网格数据更高分辨率的温度梯度场网格数据点对应坐标，GF(x,y)表示(x,y)处的温度梯度值；(x₁,y₁)、(x₂,y₁)、(x₁,y₂)、(x₂,y₂)分 别为(x,y)点所邻近的四个温度场网格数据点对应坐标；GF(x₁,y₁)、GF(x₂,y₁)、 GF(x₁,y₂)、GF(x₂,y₂)分别表示(x₁,y₁)、(x₂,y₁)、(x₁,y₂)、(x₂,y₂)处的温度 梯度值；W₁₁、W₂₁、W₁₂、W₂₂分别为(x₁,y₁)、(x₂,y₁)、(x₁,y₂)、(x₂,y₂)点的 温度梯度值所对应的权重，分别按如下公式计算：

进一步地，步骤2中，所述的建立温度锋判别标准，以某一满足温度锋判别 标准的点为温度锋中心位置初猜点，并以温度锋中心位置初猜点为中心，分别沿 温度梯度正负两个方向寻找温度锋临时边界点，具体为：

基于步骤1建立的较温度场网格数据更高分辨率的温度梯度场网格数据集， 建立温度锋判别标准，温度锋判别标准为：设定温度锋阈值，将梯度值高于设定 温度锋阈值的网格点视为满足温度锋判别标准；搜索满足温度锋判别标准的网格 点，并将满足温度锋判别标准的网格点设为锋区中心位置的初猜点；

以该锋区中心位置的初猜点为中心，分别沿着温度梯度的正负两个方向，以 固定步长搜索并判断这一横断面上点的温度梯度是否满足温度锋判别标准，将在 正负两个方向上搜索到的第一不满足温度锋判别标准的点暂定为该横断面的临 时边界点，将两个临时边界点之间、分别沿着初猜点温度梯度的正负两个方向、 以固定步长搜索到的满足温度锋判别标准的点构成了一条温度锋横断面。

进一步地，步骤3中，所述的采用逐步迭代的方式，确定锋区的中心位置， 提取特征参数信息，包括：

步骤3-1，对步骤2获得的温度锋横断面，按照计算物体质心的方法，以分 配权重的方式计算该温度锋横断面上的锋区中心以及平均强度；

步骤3-2，如果计算得到的锋区中心并非步骤2中的温度锋中心位置初猜点， 则以计算得到的锋区中心为新的初猜点，并以新的初猜点为中心，按照步骤2 所示的方法重新设定温度锋横断面并按照步骤3-1计算获得重新设定的温度锋横 断面上的锋区中心以及平均强度，判断重新设定的温度锋横断面上的锋区中心是 否与新的初猜点重合，直至计算得到的锋区中心与初猜点重合，获得最终的锋区 中心；

步骤3-3，记录最终的锋区中心位置、平均强度、边界点位置；根据两边界 点的位置信息，计算得到锋区宽度：

式中，FWD表示锋区宽度，(x_L,y_L)和(x_R,y_R)分别表示锋区左右两个边界点的 经纬度坐标，R表示地球半径。

进一步地，步骤4中，所述的根据步骤3确定的锋区中心位置，沿着与锋区 中心位置的温度梯度方向的逆时针垂直方向，追踪下一个温度锋横断面的锋区中 心位置，提取相应特征参数信息，具体为：

以与锋区中心位置的温度梯度方向的逆时针垂直方向为方向搜索一个设定 步长，根据步骤2获得该条锋上的下一个初猜点，继续进行步骤2，直至触到岸 界或温度梯度值小于判别标准中所设定的温度锋阈值，获得下一个温度锋横断 面；根据步骤3获得下一个温度锋横断面的锋区中心位置，提取该锋区中心位置 的特征参数信息。

本发明的有益效果是：一种基于锋面中心线的海洋温度锋自动追踪方法，在 温度水平梯度法原理的基础上，以网格遍历和物体质心权重分配的方式自动追踪 海洋温度锋面中心位置，同时实现对海洋温度锋的强度、宽度、边界等特征参数 信息的协同一致性提取，从而克服传统的海洋温度锋提取方法仅能提供锋面中心 位置这一缺陷，尤为重要的是可以提供对海洋水声传播有着重要影响的锋面边界 信息，是海洋环境安全保障中不可或缺的一项产品。同时，该方法一脉秉承了传 统的海洋温度锋提取梯度算法的优势，即适用性强，可以对任意海区、任意强度 的海洋温度锋面特征信息提取，并具有较强的抗噪性。此外，该方法既可以用于 卫星遥感海表面温度监测海洋锋，也可以用于海洋三维温盐流数值分析和预报中 海洋中尺度特征现象的快速解释与应用。

附图说明

图1为本发明海洋温度锋自动追踪和特征参数信息提取方法的流程示意图。

图2为基于2012年1月1日卫星遥感海表面温度数据提取的南海北部海域 温度锋分布图。

图3为基于1993年4月30日海洋温度再分析数据提取的日本以南海域水下 200m黑潮温度锋分布图。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配 合附图详细说明如下：

本发明为一种基于锋面中心线、以网格遍历和物体质心权重分配的方式自动 追踪海洋温度锋面中心位置，并同时提取温度锋区的强度、宽度、边界等特征参 数信息的方法。该方法主要是应用于在开展海洋温度锋这一类海洋中尺度特征现 象的分析和预报时，基于海洋温度场网格分析和预报数据集，提供一种精度较高 且适用性广的海洋温度锋解释分析应用方法，并可同时适用于海洋盐度锋、密度 锋和声速锋等锋的特征参数信息的提取。

如附图1所示，一种海洋温度锋自动追踪和特征参数信息提取方法，包括以 下步骤：

步骤1，温度梯度场的建立

对于拟提取海洋温度锋的海域，利用给定海域的温度场网格数据，建立温度 梯度场，包括：计算温度梯度场，并将其插值到更细分辨率网格上，获得较温度 场网格数据更高分辨率的温度梯度场网格数据集。

第一步：温度梯度场的计算

利用给定的温度场网格数据，分别计算网格中每个网格点X轴方向，Y轴 方向的温度梯度，其中，在计算X轴方向的温度梯度时，纬度不变，经度按照 固定步长变化；在计算Y轴方向的温度梯度时，经度不变，纬度按照固定步长 变化。

任意网格点处的温度梯度GF为：

式中，GX表示所求点沿着X轴方向的温度梯度值，GY表示所求点沿着Y轴方 向的温度梯度值。

其中，所求点沿着X轴方向的温度梯度值GX的计算方法如下：

当所求点为左边界点时，沿X轴方向，取所求点之后的两个点依次命名为 点l2和点l3；设所求点、点l2和点l3沿着X轴方向的温度值分别为T_lspx、T_l2x、 T_l3x，所求点与点l2在X轴方向上的距离为L_lsp-l2x，点l2与点l3在X轴方向上 的距离为L_l2-l3x，则：

式中，W_1spx为所求点为左边界点时、所求点沿着X轴方向占有的梯度权重、W_l2x为所求点为左边界点时、点l2沿着X轴方向占有的梯度权重、W_l3x为所求点为 左边界点时、点l3沿着X轴方向占有的梯度权重；

当所求点为右边界点时，沿X轴反方向，取所求点之前的两个点依次命名 为点r2和点r1；设点r1、点r2和所求点沿着X轴方向的温度值分别为T_r1x、T_r2x、 T_rspx，点r1与点r2在X轴方向上的距离为L_r1-r2x，点r2与所求点在X轴方向上 的距离为L_r2-rspx，则：

式中，W_r1x为所求点为右边界点时、点r1沿着X轴方向占有的梯度权重、W_r2x为所求点为右边界点时、点r2沿着X轴方向占有的梯度权重、W_rspx为所求点为 右边界点时、所求点沿着X轴方向占有的梯度权重；

当所求点既不是左边界点也不是右边界点时，在X轴上，取与所求点左、 右相邻的两个点分别命名为点m1和点m3；设点m1、所求点和点m3沿着X轴 方向的温度值分别为T_m1x、T_mspx、T_m3x，点m1与所求点在X轴方向上的距离为 L_m1-mspx，所求点与点m3在X轴方向上的距离为L_msp-m3x，则：

式中，W_m1x为所求点即不是左边界点也不是右边界点时、点m1沿着X轴方向占 有的梯度权重、W_mspx为所求点即不是左边界点也不是右边界点时、所求点沿着 X轴方向占有的梯度权重、W_m3x为所求点即不是左边界点也不是右边界点时、 点m3沿着X轴方向占有的梯度权重。

其中，所求点沿着Y轴方向的温度梯度值GY的计算方法如下：

当所求点为下边界点时，沿Y轴方向，取所求点之后的两个点依次命名为 点d2和点d3；设所求点、点d2和点d3沿着Y轴方向的温度值分别为T_dspy、T_d2y、 T_d3y，所求点与点d2在Y轴方向上的距离为L_dsp-d2y，点d2与点d3在Y轴方向 上的距离为L_d2-d3y，则：

式中，W_dspy为所求点为下边界点时、所求点沿着Y轴方向占有的梯度权重、W_d2y为所求点为下边界点时、点d2沿着Y轴方向占有的梯度权重、W_d3y为所求点为 下边界点时、点d3沿着Y轴方向占有的梯度权重；

当所求点为上边界点时，沿Y轴反方向，取所求点之前的两个点依次命名 为点h2和点h1；设点h1、点h2和所求点沿着Y轴方向的温度值分别为T_h1y、T_h2y、 T_hspy，点h1与点h2在Y轴方向上的距离为L_h1-h2y，点h2与所求点在Y轴方向 上的距离为L_h2-hspy，则：

式中，W_h1y为所求点为上边界点时、点h1沿着Y轴方向占有的梯度权重、W_h2y为所求点为上边界点时、点h2沿着Y轴方向占有的梯度权重、W_hspy为所求点为 上边界点时、所求点沿着Y轴方向占有的梯度权重；

当所求点既不是下边界点也不是上边界点时，在Y轴上，取与所求点下、 上相邻的两个点分别命名为点b1和点b3；设点b1、所求点和点b3沿着Y轴方 向的温度值分别为T_b1y、T_bspy、T_b3y，点b1与所求点在Y轴方向上的距离为L_b1-bspy， 所求点与点b3在Y轴方向上的距离为L_bsp-b3y，则：

式中，W_b1y为所求点即不是下边界点也不是上边界点时、点b1沿着Y轴方向 占有的梯度权重、W_bspy为所求点即不是下边界点也不是上边界点时、所求点沿 着Y轴方向占有的梯度权重、W_b3y为所求点即不是下边界点也不是上边界点时、 点b3沿着Y轴方向占有的梯度权重。

第二步：较高分辨率的温度梯度场网格数据集的获得

为尽量减少后续温度锋搜索过程中的噪音，将上述温度梯度场进行内插，以 获得较高分辨率温度梯度场网格数据集。

采取双线性插值的原理将各点梯度值插值到使用的较温度场网格更高分辨 率的网格上：

GF(x,y)＝W₁₁×GF(x₁,y₁)+W₂₁×GF(x₂,y₁)+W₁₂×GF(x₁,y₂)+W₂₂×GF(x₂,y₂) (8)

式中，(x,y)表示较温度场网格数据更高分辨率的温度梯度场网格数据点对应坐标，GF(x,y)表示(x,y)处的温度梯度值；(x₁,y₁)、(x₂,y₁)、(x₁,y₂)、(x₂,y₂)分 别为(x,y)点所邻近的四个温度场网格数据点对应坐标；GF(x₁,y₁)、GF(x₂,y₁)、 GF(x₁,y₂)、GF(x₂,y₂)分别表示(x₁,y₁)、(x₂,y₁)、(x₁,y₂)、(x₂,y₂)处的温度 梯度值；W₁₁、W₂₁、W₁₂、W₂₂分别为(x₁,y₁)、(x₂,y₁)、(x₁,y₂)、(x₂,y₂)点的 温度梯度值所对应的权重，分别按如下公式计算：

步骤2，温度锋横断面的确定

建立温度锋判别标准，以某一满足温度锋判别标准的点为温度锋中心位置初 猜点，并以温度锋中心位置初猜点为中心，分别沿温度梯度正负两个方向寻找温 度锋临时边界点，具体为：

基于步骤1建立的较温度场网格数据更高分辨率的温度梯度场网格数据集， 建立温度锋判别标准，温度锋判别标准为：设定温度锋阈值，将梯度值高于设定 温度锋阈值的网格点视为满足温度锋判别标准；搜索满足温度锋判别标准的网格 点，并将满足温度锋判别标准的网格点设为锋区中心位置的初猜点；

以该锋区中心位置的初猜点为中心，分别沿着温度梯度的正负两个方向，以 固定步长搜索并判断这一横断面上点的温度梯度是否满足温度锋判别标准，将在 正负两个方向上搜索到的第一不满足温度锋判别标准的点暂定为该横断面的临 时边界点，将两个临时边界点之间、分别沿着初猜点温度梯度的正负两个方向、 以固定步长搜索到的满足温度锋判别标准的点构成了一条温度锋横断面。

步骤3，温度锋特征参数的确定

采用逐步迭代的方式，确定锋区的中心位置，提取温度锋平均强度、宽度和 边界位置等特征参数信息，具体包括：

步骤3-1，对步骤2获得的温度锋横断面，按照计算物体质心的方法，以分 配权重的方式(即梯度绝对值大的点被分配以较大的权重)计算该温度锋横断面 上的锋区中心以及平均强度；

步骤3-2，如果计算得到的锋区中心并非步骤2中的温度锋中心位置初猜点， 则以计算得到的锋区中心为新的初猜点，并以新的初猜点为中心，按照步骤2 所示的方法重新设定温度锋横断面并按照步骤3-1计算获得重新设定的温度锋横 断面上的锋区中心以及平均强度，判断重新设定的温度锋横断面上的锋区中心是 否与新的初猜点重合，直至计算得到的锋区中心与初猜点重合，获得最终的锋区 中心；

步骤3-3，记录最终的锋区中心位置、平均强度、边界点位置；根据两边界 点的位置信息，计算得到锋区宽度：

式中，FWD表示锋区宽度，(x_L,y_L)和(x_R,y_R)分别表示锋区左右两个边界点的 经纬度坐标，R表示地球半径。

步骤4，锋区中心位置的追踪

根据步骤3确定的锋区中心位置，以与锋区中心位置的温度梯度方向的逆时 针垂直方向(即将锋区梯度方向逆时针旋转90°，保证温度高值位于右侧)为方 向搜索一个设定步长，根据步骤2获得该条锋上的下一个初猜点，继续进行步骤 2，直至触到岸界或温度梯度值小于判别标准中所设定的温度锋阈值，获得下一 个温度锋横断面；然后，根据步骤3获得下一个温度锋横断面的锋区中心位置， 提取该锋区中心位置的特征参数信息。

步骤5，重复步骤2至步骤4，遍历海区内所有网格点，以搜索得到海区内 所有的海洋温度锋，并完成相应的温度锋特征参数信息的提取，用于海洋中尺度 现象研究(例如中尺度涡)，此外也可对未来海洋温度锋的分布做出可能性预测。

图2为基于2012年1月1日卫星遥感海表面温度数据提取的南海北部海域 温度锋分布图，图3为基于1993年4月30日海洋温度再分析数据提取的日本以 南海域水下200m黑潮温度锋分布图。图中黑细实线为温度等值线(单位：℃)， 黑粗实线为温度锋的边界，黑粗虚线为温度锋区的中心位置。由图可以看出，采 用上述温度锋提取方法可以较好地将温度锋区的中心位置，以及温度锋的宽度、 边界等特征参数信息提取出来，从而保证了这些信息的协同一致性。同时也表明， 上述温度锋提取方法具有较强的适用性：即对任意海区、任意强度的海洋温度锋 特征参数信息提取，既适用于卫星遥感海表面温度数据，也既适用于海洋三维温 盐流数值分析和预报数据集。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限 于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的， 本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保 护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种海洋温度锋自动追踪和特征参数信息提取方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，温度梯度场的建立：利用给定海域的温度场网格数据，计算温度梯度场，并对温度梯度场进行内插，获得较温度场网格数据更高分辨率的温度梯度场网格数据集；

步骤2，温度锋横断面的确定：建立温度锋判别标准，以某一满足温度锋判别标准的点为温度锋中心位置初猜点，并以温度锋中心位置初猜点为中心，分别沿温度梯度正负两个方向寻找温度锋临时边界点；

步骤3，温度锋特征参数的确定：采用逐步迭代的方式，确定锋区的中心位置，提取特征参数信息；

步骤4，锋区中心位置的追踪：根据步骤3确定的锋区中心位置，沿着与锋区中心位置的温度梯度方向的逆时针垂直方向，追踪下一个温度锋横断面的锋区中心位置，提取相应特征参数信息；

步骤5，遍历海区内所有网格点，以搜索得到海区内所有的海洋温度锋，并完成相应的温度锋特征参数信息的提取，用于海洋中尺度现象研究并对未来海洋温度锋的分布做出可能性预测。

2.根据权利要求1所述的海洋温度锋自动追踪和特征参数信息提取方法，其特征在于，步骤1中，所述的温度梯度场的计算方法为：

利用给定的温度场网格数据，分别计算网格中每个网格点X轴方向，Y轴方向的温度梯度，其中，在计算X轴方向的温度梯度时，纬度不变，经度按照固定步长变化；在计算Y轴方向的温度梯度时，经度不变，纬度按照固定步长变化；

任意网格点处的温度梯度GF为：

式中，GX表示所求点沿着X轴方向的温度梯度值，GY表示所求点沿着Y轴方向的温度梯度值；

其中，所求点沿着X轴方向的温度梯度值GX的计算方法如下：

当所求点为左边界点时，沿X轴方向，取所求点之后的两个点依次命名为点l2和点l3；设所求点、点l2和点l3沿着X轴方向的温度值分别为T_lspx、T_l2x、T_l3x，所求点与点l2在X轴方向上的距离为L_lsp-l2x，点l2与点l3在X轴方向上的距离为L_l2-l3x，则：

式中，W_1spx为所求点为左边界点时、所求点沿着X轴方向占有的梯度权重、W_l2x为所求点为左边界点时、点l2沿着X轴方向占有的梯度权重、W_l3x为所求点为左边界点时、点l3沿着X轴方向占有的梯度权重；

当所求点为右边界点时，沿X轴反方向，取所求点之前的两个点依次命名为点r2和点r1；设点r1、点r2和所求点沿着X轴方向的温度值分别为T_r1x、T_r2x、T_rspx，点r1与点r2在X轴方向上的距离为L_r1-r2x，点r2与所求点在X轴方向上的距离为L_r2-rspx，则：

式中，W_r1x为所求点为右边界点时、点r1沿着X轴方向占有的梯度权重、W_r2x为所求点为右边界点时、点r2沿着X轴方向占有的梯度权重、W_rspx为所求点为右边界点时、所求点沿着X轴方向占有的梯度权重；

当所求点既不是左边界点也不是右边界点时，在X轴上，取与所求点左、右相邻的两个点分别命名为点m1和点m3；设点m1、所求点和点m3沿着X轴方向的温度值分别为T_m1x、T_mspx、T_m3x，点m1与所求点在X轴方向上的距离为L_m1-mspx，所求点与点m3在X轴方向上的距离为L_msp-m3x，则：

式中，W_m1x为所求点即不是左边界点也不是右边界点时、点m1沿着X轴方向占有的梯度权重、W_mspx为所求点即不是左边界点也不是右边界点时、所求点沿着X轴方向占有的梯度权重、W_m3x为所求点即不是左边界点也不是右边界点时、点m3沿着X轴方向占有的梯度权重；

其中，所求点沿着Y轴方向的温度梯度值GY的计算方法如下：

当所求点为下边界点时，沿Y轴方向，取所求点之后的两个点依次命名为点d2和点d3；设所求点、点d2和点d3沿着Y轴方向的温度值分别为T_dspy、T_d2y、T_d3y，所求点与点d2在Y轴方向上的距离为L_dsp-d2y，点d2与点d3在Y轴方向上的距离为L_d2-d3y，则：

式中，W_dspy为所求点为下边界点时、所求点沿着Y轴方向占有的梯度权重、W_d2y为所求点为下边界点时、点d2沿着Y轴方向占有的梯度权重、W_d3y为所求点为下边界点时、点d3沿着Y轴方向占有的梯度权重；

当所求点为上边界点时，沿Y轴反方向，取所求点之前的两个点依次命名为点h2和点h1；设点h1、点h2和所求点沿着Y轴方向的温度值分别为T_h1y、T_h2y、T_hspy，点h1与点h2在Y轴方向上的距离为L_h1-h2y，点h2与所求点在Y轴方向上的距离为L_h2-hspy，则：

式中，W_h1y为所求点为上边界点时、点h1沿着Y轴方向占有的梯度权重、W_h2y为所求点为上边界点时、点h2沿着Y轴方向占有的梯度权重、W_hspy为所求点为上边界点时、所求点沿着Y轴方向占有的梯度权重；

当所求点既不是下边界点也不是上边界点时，在Y轴上，取与所求点下、上相邻的两个点分别命名为点b1和点b3；设点b1、所求点和点b3沿着Y轴方向的温度值分别为T_b1y、T_bspy、T_b3y，点b1与所求点在Y轴方向上的距离为L_b1-bspy，所求点与点b3在Y轴方向上的距离为L_bsp-b3y，则：

式中，W_b1y为所求点即不是下边界点也不是上边界点时、点b1沿着Y轴方向占有的梯度权重、W_bspy为所求点即不是下边界点也不是上边界点时、所求点沿着Y轴方向占有的梯度权重、W_b3y为所求点即不是下边界点也不是上边界点时、点b3沿着Y轴方向占有的梯度权重；

所述的较温度场网格数据更高分辨率的温度梯度场网格数据集的获得方法为：

采取双线性插值的原理将各点梯度值插值到使用的较温度场网格更高分辨率的网格上：

GF(x,y)＝W₁₁×GF(x₁,y₁)+W₂₁×GF(x₂,y₁)+W₁₂×GF(x₁,y₂)+W₂₂×GF(x₂,y₂) (8)

式中，(x,y)表示较温度场网格数据更高分辨率的温度梯度场网格数据点对应坐标，GF(x,y)表示(x,y)处的温度梯度值；(x₁,y₁)、(x₂,y₁)、(x₁,y₂)、(x₂,y₂)分别为(x,y)点所邻近的四个温度场网格数据点对应坐标；GF(x₁,y₁)、GF(x₂,y₁)、GF(x₁,y₂)、GF(x₂,y₂)分别表示(x₁,y₁)、(x₂,y₁)、(x₁,y₂)、(x₂,y₂)处的温度梯度值；W₁₁、W₂₁、W₁₂、W₂₂分别为(x₁,y₁)、(x₂,y₁)、(x₁,y₂)、(x₂,y₂)点的温度梯度值所对应的权重，分别按如下公式计算：

3.根据权利要求1所述的海洋温度锋自动追踪和特征参数信息提取方法，其特征在于，步骤2中，所述的建立温度锋判别标准，以某一满足温度锋判别标准的点为温度锋中心位置初猜点，并以温度锋中心位置初猜点为中心，分别沿温度梯度正负两个方向寻找温度锋临时边界点，具体为：

基于步骤1建立的较温度场网格数据更高分辨率的温度梯度场网格数据集，建立温度锋判别标准，温度锋判别标准为：设定温度锋阈值，将梯度值高于设定温度锋阈值的网格点视为满足温度锋判别标准；搜索满足温度锋判别标准的网格点，并将满足温度锋判别标准的网格点设为锋区中心位置的初猜点；

以该锋区中心位置的初猜点为中心，分别沿着温度梯度的正负两个方向，以固定步长搜索并判断这一横断面上点的温度梯度是否满足温度锋判别标准，将在正负两个方向上搜索到的第一不满足温度锋判别标准的点暂定为该横断面的临时边界点，将两个临时边界点之间、分别沿着初猜点温度梯度的正负两个方向、以固定步长搜索到的满足温度锋判别标准的点构成了一条温度锋横断面。

4.根据权利要求1所述的海洋温度锋自动追踪和特征参数信息提取方法，其特征在于，步骤3中，所述的采用逐步迭代的方式，确定锋区的中心位置，提取特征参数信息，包括：

步骤3-1，对步骤2获得的温度锋横断面，按照计算物体质心的方法，以分配权重的方式计算该温度锋横断面上的锋区中心以及平均强度；

步骤3-2，如果计算得到的锋区中心并非步骤2中的温度锋中心位置初猜点，则以计算得到的锋区中心为新的初猜点，并以新的初猜点为中心，按照步骤2所示的方法重新设定温度锋横断面并按照步骤3-1计算获得重新设定的温度锋横断面上的锋区中心以及平均强度，判断重新设定的温度锋横断面上的锋区中心是否与新的初猜点重合，直至计算得到的锋区中心与初猜点重合，获得最终的锋区中心；

步骤3-3，记录最终的锋区中心位置、平均强度、边界点位置；根据两边界点的位置信息，计算得到锋区宽度：

式中，FWD表示锋区宽度，(x_L,y_L)和(x_R,y_R)分别表示锋区左右两个边界点的经纬度坐标，R表示地球半径。

5.根据权利要求1所述的海洋温度锋自动追踪和特征参数信息提取方法，其特征在于，步骤4中，所述的根据步骤3确定的锋区中心位置，沿着与锋区中心位置的温度梯度方向的逆时针垂直方向，追踪下一个温度锋横断面的锋区中心位置，提取相应特征参数信息，具体为：

以与锋区中心位置的温度梯度方向的逆时针垂直方向为方向搜索一个设定步长，根据步骤2获得该条锋上的下一个初猜点，继续进行步骤2，直至触到岸界或温度梯度值小于判别标准中所设定的温度锋阈值，获得下一个温度锋横断面；根据步骤3获得下一个温度锋横断面的锋区中心位置，提取该锋区中心位置的特征参数信息。