【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及海面溫度預(yù)測，特別是涉及一種基于sa-convgru的海面溫度預(yù)測方法。
技術(shù)介紹
1、目前，海面溫度預(yù)測方法大致分為兩類：數(shù)值方法和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法。數(shù)值方法通常利用動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)方程描述海面溫度變化，通常比較復(fù)雜，而且需要很大的計(jì)算量和時(shí)間，從而難以求解表征海溫變化的方程。數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法主要從數(shù)據(jù)角度出發(fā)對預(yù)測未來海洋表面溫度值。在數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法中，采用經(jīng)典機(jī)器學(xué)習(xí)方法進(jìn)行海面溫度預(yù)測成為捕捉海面溫度變化規(guī)律的基本方法。近年來，隨著深度學(xué)習(xí)的發(fā)展，一些深度學(xué)習(xí)方法逐漸應(yīng)用于海面溫度(sea?surface?temperature，sst)預(yù)測領(lǐng)域。通過傳統(tǒng)循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測海面溫度會出現(xiàn)梯度消失或梯度爆炸問題，無法應(yīng)用于長期序列預(yù)測領(lǐng)域。
2、從現(xiàn)有的深度學(xué)習(xí)方法來看，大部分研究成果往往只考慮時(shí)間序列依賴性，然而，在海面溫度預(yù)測過程中，同一時(shí)刻下，相鄰觀測點(diǎn)的溫度其實(shí)是相近的，這就意味著需要研究海面溫度數(shù)據(jù)的空間特征關(guān)聯(lián)性，但目前對于空間特征的提取不夠深入，無法獲取sst在空間上的準(zhǔn)確變化趨勢，從而導(dǎo)致預(yù)測準(zhǔn)確度較低。因此，設(shè)計(jì)一種基于sa-convgru的海面溫度預(yù)測方法是十分有必要的。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本專利技術(shù)的目的是提供一種基于sa-convgru的海面溫度預(yù)測方法，以充分考慮sst的空間特征關(guān)聯(lián)性，并通過構(gòu)建的sa-convgru模型實(shí)現(xiàn)海面溫度的預(yù)測。
2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本專利技術(shù)提供了如下方案：
3、一種基于sa-con
4、將海面溫度歷史數(shù)據(jù)集進(jìn)行區(qū)域分割操作，得到分割數(shù)據(jù)集；
5、對分割數(shù)據(jù)集進(jìn)行三維轉(zhuǎn)化和數(shù)據(jù)合并，得到初始數(shù)據(jù)集；
6、對初始數(shù)據(jù)集進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)集；
7、通過構(gòu)建的預(yù)測模型對標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)集進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)測，得到預(yù)測結(jié)果；預(yù)測模型內(nèi)置有多個(gè)sa-convgru網(wǎng)絡(luò)模型；sa-convgru網(wǎng)絡(luò)模型包括convgru模型和特征聚合機(jī)制。
8、可選地，將海面溫度歷史數(shù)據(jù)集進(jìn)行區(qū)域分割操作，得到分割數(shù)據(jù)集，具體步驟為：根據(jù)預(yù)設(shè)的分割閾值對海面溫度歷史數(shù)據(jù)集進(jìn)行區(qū)域不重疊拆分分割，得到多個(gè)不重復(fù)的小范圍區(qū)域數(shù)據(jù)集。
9、可選地，對分割數(shù)據(jù)集進(jìn)行三維轉(zhuǎn)化和數(shù)據(jù)合并，得到初始數(shù)據(jù)集，具體步驟為：將分割數(shù)據(jù)集中的單區(qū)域2d海面溫度數(shù)據(jù)張量作為平面基礎(chǔ)，并將歷史時(shí)間長度作為縱向高度構(gòu)建單區(qū)域3d張量海面溫度數(shù)據(jù)集，并對單區(qū)域3d張量海面溫度數(shù)據(jù)集進(jìn)行數(shù)據(jù)合并，得到初始數(shù)據(jù)集。
10、可選地，標(biāo)準(zhǔn)化處理的計(jì)算公式為：其中，為標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)，x為實(shí)際區(qū)域觀測值，μ為區(qū)域均值，σ為區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)差。
11、可選地，預(yù)測模型包括編碼器和解碼器；編碼器和解碼器均內(nèi)置有sa-convgru網(wǎng)絡(luò)模型；sa-convgru網(wǎng)絡(luò)模型的結(jié)構(gòu)公式包括：zt＝σ(wxzxt+whzht-1)；rt＝σ(wxrxt+whrht-1)；其中，y為自注意力模塊，為輸入信息，為上一狀態(tài)信息，xt為輸入，ht-1為第t-1個(gè)時(shí)間步的輸入向量，zt為更新門，σ為sigmoid激活函數(shù)，rt為重置門，h't為候選門，為哈達(dá)瑪積，f為非線性激活函數(shù)，x為卷積操作，h和w分別為輸入張量的高和寬，ht為第t個(gè)時(shí)間步的輸入向量。
12、可選地，convgru模型包括卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和門控循環(huán)單元；convgru模型的結(jié)構(gòu)公式包括：zt＝σ(wxzxt+whzht-1)；rt＝σ(wxrxt+whrht-1)；其中，wxz、wxr和wxh均為與xt相關(guān)的權(quán)重矩陣，whz、whr和whh均為與上一時(shí)刻的隱藏狀態(tài)相關(guān)的權(quán)重矩陣。
13、可選地，特征聚合機(jī)制的計(jì)算公式包括：i't＝σ(wiz*z+wih*ht+bi)；g't＝tanh(wgz*z+wgh*ht+bg)；o't＝σ(woz*z+woh*ht+bo)；其中，i't為t時(shí)刻的狀態(tài)，z為最終輸出的聚合特征，wiz、wgz和woz均為與z相關(guān)的權(quán)重矩陣，wih、wgh和woh均為與第t個(gè)時(shí)間步的輸入向量相關(guān)的權(quán)重矩陣，bi為新輸入門的偏置量，g't為記憶單元在t時(shí)刻的狀態(tài)，bg為記憶單元的偏置量，o't為新輸出門在t時(shí)刻的狀態(tài)，bo為新輸出門的偏置量。
14、根據(jù)本專利技術(shù)提供的具體實(shí)施例，本專利技術(shù)公開了以下技術(shù)效果：本專利技術(shù)提供的基于sa-convgru的海面溫度預(yù)測方法，該方法包括：將海面溫度歷史數(shù)據(jù)集進(jìn)行區(qū)域分割操作，得到分割數(shù)據(jù)集；對分割數(shù)據(jù)集進(jìn)行三維轉(zhuǎn)化和數(shù)據(jù)合并，得到初始數(shù)據(jù)集；對初始數(shù)據(jù)集進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)集；通過構(gòu)建的預(yù)測模型對標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)集進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)測，得到預(yù)測結(jié)果。
本文檔來自技高網(wǎng)...【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種基于SA-ConvGRU的海面溫度預(yù)測方法，其特征在于，包括如下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于SA-ConvGRU的海面溫度預(yù)測方法，其特征在于，將海面溫度歷史數(shù)據(jù)集進(jìn)行區(qū)域分割操作，得到分割數(shù)據(jù)集，具體步驟為：根據(jù)預(yù)設(shè)的分割閾值對所述海面溫度歷史數(shù)據(jù)集進(jìn)行區(qū)域不重疊拆分分割，得到多個(gè)不重復(fù)的小范圍區(qū)域數(shù)據(jù)集。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于SA-ConvGRU的海面溫度預(yù)測方法，其特征在于，對所述分割數(shù)據(jù)集進(jìn)行三維轉(zhuǎn)化和數(shù)據(jù)合并，得到初始數(shù)據(jù)集，具體步驟為：將所述分割數(shù)據(jù)集中的單區(qū)域2D海面溫度數(shù)據(jù)張量作為平面基礎(chǔ)，并將歷史時(shí)間長度作為縱向高度構(gòu)建單區(qū)域3D張量海面溫度數(shù)據(jù)集，并對所述單區(qū)域3D張量海面溫度數(shù)據(jù)集進(jìn)行數(shù)據(jù)合并，得到所述初始數(shù)據(jù)集。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于SA-ConvGRU的海面溫度預(yù)測方法，其特征在于，所述標(biāo)準(zhǔn)化處理的計(jì)算公式為：其中，為標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)，x為實(shí)際區(qū)域觀測值，μ為區(qū)域均值，σ為區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)差。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于SA-ConvGRU的海面溫度預(yù)測方法，其特征在于，所述預(yù)測模型包括
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于SA-ConvGRU的海面溫度預(yù)測方法，其特征在于，所述ConvGRU模型包括卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和門控循環(huán)單元；所述ConvGRU模型的結(jié)構(gòu)公式包括：Zt＝σ(Wxzxt+WhzHt-1)；Rt＝σ(Wxrxt+WhrHt-1)；其中，Wxz、Wxr和Wxh均為與xt相關(guān)的權(quán)重矩陣，Whz、Whr和Whh均為與上一時(shí)刻的隱藏狀態(tài)相關(guān)的權(quán)重矩陣。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于SA-ConvGRU的海面溫度預(yù)測方法，其特征在于，所述特征聚合機(jī)制的計(jì)算公式包括：i′t＝σ(Wiz*Z+Wih*Ht+bi)；g′t＝tanh(Wgz*Z+Wgh*Ht+bg)；o′t＝σ(Woz*Z+Woh*Ht+bo)；其中，i′t為t時(shí)刻的狀態(tài)，Z為最終輸出的聚合特征，Wiz、Wgz和Woz均為與Z相關(guān)的權(quán)重矩陣，Wih、Wgh和Woh均為與第t個(gè)時(shí)間步的輸入向量相關(guān)的權(quán)重矩陣，bi為新輸入門的偏置量，g′t為記憶單元在t時(shí)刻的狀態(tài)，bg為記憶單元的偏置量，o′t為新輸出門在t時(shí)刻的狀態(tài)，bo為新輸出門的偏置量。
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于sa-convgru的海面溫度預(yù)測方法，其特征在于，包括如下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于sa-convgru的海面溫度預(yù)測方法，其特征在于，將海面溫度歷史數(shù)據(jù)集進(jìn)行區(qū)域分割操作，得到分割數(shù)據(jù)集，具體步驟為：根據(jù)預(yù)設(shè)的分割閾值對所述海面溫度歷史數(shù)據(jù)集進(jìn)行區(qū)域不重疊拆分分割，得到多個(gè)不重復(fù)的小范圍區(qū)域數(shù)據(jù)集。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于sa-convgru的海面溫度預(yù)測方法，其特征在于，對所述分割數(shù)據(jù)集進(jìn)行三維轉(zhuǎn)化和數(shù)據(jù)合并，得到初始數(shù)據(jù)集，具體步驟為：將所述分割數(shù)據(jù)集中的單區(qū)域2d海面溫度數(shù)據(jù)張量作為平面基礎(chǔ)，并將歷史時(shí)間長度作為縱向高度構(gòu)建單區(qū)域3d張量海面溫度數(shù)據(jù)集，并對所述單區(qū)域3d張量海面溫度數(shù)據(jù)集進(jìn)行數(shù)據(jù)合并，得到所述初始數(shù)據(jù)集。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于sa-convgru的海面溫度預(yù)測方法，其特征在于，所述標(biāo)準(zhǔn)化處理的計(jì)算公式為：其中，為標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)，x為實(shí)際區(qū)域觀測值，μ為區(qū)域均值，σ為區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)差。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于sa-convgru的海面溫度預(yù)測方法，其特征在于，所述預(yù)測模型包括編碼器和解碼器；所述編碼器和解碼器均內(nèi)置有所述sa-convgru網(wǎng)絡(luò)模型；所述sa-convgru網(wǎng)絡(luò)模型的結(jié)構(gòu)公式包括：zt＝σ(wxzxt+whzht-1)；rt＝σ(wxrxt+whrht-1)；其中，y為自注意力...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：楊京禮，張繼敏，高天宇，
申請(專利權(quán))人：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：
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