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基于改进U-Net网络的海洋中尺度涡自动检测模型

董子意 杜震洪 吴森森 李亚东 张丰 刘仁义

董子意,杜震洪,吴森森,等. 基于改进U-Net网络的海洋中尺度涡自动检测模型[J]. 海洋学报,2022,44(2):123–131 doi: 10.12284/hyxb2022038
引用本文: 董子意,杜震洪,吴森森,等. 基于改进U-Net网络的海洋中尺度涡自动检测模型[J]. 海洋学报,2022,44(2):123–131 doi: 10.12284/hyxb2022038
Dong Ziyi,Du Zhenhong,Wu Sensen, et al. An automatic marine mesoscale eddy detection model based on improved U-Net network[J]. Haiyang Xuebao,2022, 44(2):123–131 doi: 10.12284/hyxb2022038
Citation: Dong Ziyi,Du Zhenhong,Wu Sensen, et al. An automatic marine mesoscale eddy detection model based on improved U-Net network[J]. Haiyang Xuebao,2022, 44(2):123–131 doi: 10.12284/hyxb2022038

基于改进U-Net网络的海洋中尺度涡自动检测模型

doi: 10.12284/hyxb2022038
基金项目: 国家自然科学基金(41922043,41871287,42001323)。
详细信息
    作者简介:

    董子意(1996—),女,浙江省嘉兴市人,研究方向为遥感与地理信息系统、海洋大数据。E-mail: dongziyi@zju.edu.cn

    通讯作者:

    杜震洪(1981—),男,博士,教授,博士生导师,研究方向为遥感与地理信息系统、时空大数据与人工智能、大数据与地球−海洋系统。E-mail: duzhenhong@zju.edu.cn

  • 中图分类号: P731.16

An automatic marine mesoscale eddy detection model based on improved U-Net network

  • 摘要: 海洋中尺度涡对浮游生物的分布、能量和盐分的输送具有非常重要的影响,海洋中尺度涡的自动检测是监测、分析中尺度涡时空变化的重要基础。针对传统基于物理特征检测海洋中尺度涡的方法存在受限于人工设计参数导致精度不高的问题,本文依据海洋卫星反演的海表面高度图,提出了一种基于改进U-Net网络的海洋中尺度涡自动检测模型。该模型在海洋中尺度涡的特征提取阶段嵌入了卷积注意力机制,使得模型能够关注于海表面高度图中最具有类别区分度的区域,同时引入了残差学习机制解决了网络过深导致模型难以训练的问题。本文以南大西洋的卫星海表面高度数据集为例开展实验验证,结果表明,本文提出的模型海洋中尺度涡检测准确率达到了93.28%,显著优于EddyNet等现有模型。模型可为海洋学家通过海表面高度探测中尺度涡提供可靠技术方法。
  • 图  1  改进的U-Net模型结构示意图

    Fig.  1  Improved U-Net model structure diagram

    图  2  通道注意力模块的操作过程

    Fig.  2  Process of channel attention module

    图  3  空间注意力模块的操作过程

    Fig.  3  Process of spatial attention module

    图  4  卷积注意力模型的操作过程

    Fig.  4  Process of convolutional block attention module

    图  5  残差学习模块

    Fig.  5  Residual learning block

    图  6  数据集采样海域

    Fig.  6  Sampled sea area of dataset

    图  7  不同方法在EddyNet-Data数据集上的分割结果

    Fig.  7  Segmentation results on EddyNet-Data dataset of different methods

    图  8  2011年南大西洋海域中尺度涡空间分布

    黄色区域表示气旋涡;绿色区域表示反气旋涡

    Fig.  8  Distribution of mesoscale eddies in the South Atlantic Ocean in 2011

    Yellow areas represent cyclonic eddies; green areas represent anticyclonic eddies

    图  9  2011年南大西洋海域中尺度涡个数、面积的周变化

    Fig.  9  Weekly variation of mesoscale eddies number and area in the South Atlantic Ocean in 2011

    表  1  基础系统平台配置

    Tab.  1  Basic system platform configuration

    系统CPU内存硬盘显卡
    Ubuntu
    16.04
    Intel Xeon E5-263764 GB2 TBTitan XP
    下载: 导出CSV

    表  2  重要软件配置

    Tab.  2  Important software configuration

    GPU-DriverCUDAPythonKerasTensorflow-gpu
    3849.03.62.2.41.4.0
    下载: 导出CSV

    表  3  6种算法在EddyNet-Data数据集上的分割性能对比

    Tab.  3  Comparison of segmentation performance of six algorithms on EddyNet-Data dataset

    模型交叉验证结果
    准确率查准率查全率F1-Score
    EddyNet0.881 50.886 40.881 50.883 9
    SegNet0.876 80.880 10.876 80.878 4
    经典U-Net0.889 10.900 40.889 20.894 8
    经典U-Net+残差0.903 00.914 40.903 00.908 7
    经典U-Net+CBAM0.914 40.924 50.914 40.919 4
    本文模型0.932 80.941 70.931 80.936 7
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-01-09
  • 修回日期:  2021-03-12
  • 网络出版日期:  2021-11-25
  • 刊出日期:  2022-02-01

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