面向时序栅格的海洋异常事件提取与分析

摘要

海洋异常事件(Marine Abnormal Event, MAE)是指在特定的海洋区域内，海洋环境要素相对于平均状态下的异常升高或异常降低，比如海表面温度的异常升高和异常降低。海洋异常事件可为区域海气相互作用和全球气候变化研究提供重要的时空特征参考，具有重要的科学意义，其时空特性对海洋时空分析方法、全球灾害研究和人类社会活动都有重大的影响。且以卫星遥感为主的时序栅格数据集为获取宏观尺度的地理现象或特征提供了重要数据源，如何基于时序栅格数据集开展海洋异常事件的时空提取已成为研究的热点。
　　基于此，论文面向时序栅格数据集，提出了一种海洋异常事件的提取及追踪算法，设计了海洋异常事件时空存储模型，实现了海洋异常事件的组织、存储与表达，为海洋异常事件时空查询分析奠定了基础。论文主要的研究成果和结论如下：
　　1.论文从长时间序列的栅格数据集出发，提出一种海洋异常事件的时空提取方法（Marine Abnormal Event Spatio-Temporal Extraction Method, MAESTEM）。MAESTEM算法包括三个核心步骤：事件的时间维度提取、事件的空间维度提取和事件追踪。在时间维度提取方面，将每一个栅格像元作为一维时间序列，基于“k倍标准差”准则，判断每个时刻是否异常，并根据异常持续发生的时间长短来提取时间维度的海洋异常事件(Temporal MAE, TMAE)，实现事件在时间上的连续性提取。在空间维度提取方面，利用空间邻域统计方法，并通过空间维度异常判断规则来获取空间维度的海洋异常事件(Spatial MAE, SMAE)，实现异常事件在空间上的连续性提取。事件追踪算法，利用时刻状态的SMAE的空间拓扑关系，根据事件前后时刻覆盖的空间区域是否重叠，进行异常事件的追踪，实现事件时空上的连续性追踪提取。事件的提取结果，能够实现异常事件在时间、空间、时空上的连续性，以及能够充分的体现海洋异常事件动态连续渐变的过程。
　　2.论文研究分析了海洋异常事件的过程性、动态渐变性、时空一体性等基本特性，设计了海洋异常事件时空存储模型。针对海洋异常事件的特性，采用面向对象的技术把海洋异常事件的时间信息、空间信息、属性信息放在统一的框架体系下进行一体化存储与管理，将海洋异常事件的过程抽象为时空对象，根据海洋异常事件的过程时空粒度的不同，采用分层分级的思想实现海洋异常事件的过程对象组织。并利用Geodatabase的分层结构的思想和文件存储方案，设计了海洋异常事件时空存储模型。该模型能够有效的实现海洋异常事件的组织、存储、与表达，以及海洋异常事件的空间信息、时间信息、属性信息的集成化存储。该模型能够有效的实现海洋异常事件在时间、空间、时空等条件下的查询统计分析，并能够实现海洋异常事件的时空动态渐变性可视化。
　　3.基于海洋异常事件提取算法和海洋异常事件时空存储模型，构建了海洋异常事件时空查询分析原型系统。该原型系统的主要功能是实现海洋异常事件的时间查询、空间查询、时空查询，并对查询的结果事件进行连续渐变的可视化分析。选取全球气候变化和区域海气相互作用中关联关系最为密切的太平洋区域（100°E–60°W,50°S–50°N）作为论文研究区域，海表面温度（Sea Surface Temperature, SST）、海面高度异常（Sea Level Anomalies, SLA）、叶绿素-a浓度（Sea Surface Chlorophyll-a, Chl-a）、海面降雨量（Sea Surface Precipitation, SSP）等海洋环境要素作为实验数据，开展了海洋异常事件的提取、存储、表达和时空查询分析。典型海洋异常事件的查询分析与可视化实验结果表明，海洋异常事件不仅刻画海洋环境要素或现象的空间区域分布，而且可以理解其空间分布的动态变化，从而验证了论文方法的有效性和正确性。

目录

声明

1 绪论

1.1研究背景

1.2研究目的及意义

1.3研究现状

1.4研究内容

1.5小结

2 基于时序栅格的海洋异常事件提取方法

2.1 海洋异常事件时空提取算法流程

2.2 数据预处理

2.3 时间维度的异常事件提取算法

2.4 空间维度的异常事件提取算法

2.5 海洋异常事件追踪算法

2.6 异常事件提取算法实例验证

2.7 小结

3 海洋异常事件时空存储模型

3.1 海洋异常事件的时空特性

3.2 Geodatabase数据模型

3.3 海洋异常事件时空存储模型

3.4小结

4 海洋异常事件时空查询分析原型系统

4.1 系统框架结构及数据

4.2 太平洋海洋异常事件时间统计分析

4.3 太平洋海洋异常事件空间统计分析

4.4 太平洋海洋异常事件时空统计分析

4.5 小结

5 总结与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间主要成果