ISSN 1004-4965

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基于深度神经网络的台风中心定位方法

郑宗生 沈绪坤 王振华 卢鹏

郑宗生, 沈绪坤, 王振华, 卢鹏. 基于深度神经网络的台风中心定位方法[J]. 热带气象学报, 2024, 40(3): 341-351. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.031
引用本文: 郑宗生, 沈绪坤, 王振华, 卢鹏. 基于深度神经网络的台风中心定位方法[J]. 热带气象学报, 2024, 40(3): 341-351. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.031
ZHENG Zongsheng, SHEN Xukun, WANG Zhenhua, LU Peng. A Typhoon Center Location Method Based on Deep Neural Network[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2024, 40(3): 341-351. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.031
Citation: ZHENG Zongsheng, SHEN Xukun, WANG Zhenhua, LU Peng. A Typhoon Center Location Method Based on Deep Neural Network[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2024, 40(3): 341-351. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.031

基于深度神经网络的台风中心定位方法

doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.031
基金项目: 

国家自然科学基金项目 41671431

国家海洋局数字海洋科学技术重点实验室开放基金项目 B201801034

上海市科委市地方能力建设项目 19050502100

上海海洋大学科技发展专项基金 A2-2006-20-200211

详细信息
    通讯作者:

    郑宗生,男,河北省人,副教授,博士,从事海洋信息化研究。E-mail:zszheng@shou.edu.cn

  • 中图分类号: P413

A Typhoon Center Location Method Based on Deep Neural Network

  • 摘要: 台风中心定位的微小误差会对台风路径预报造成较大的偏离,因此精确定位台风中心是台风路径预测和灾害预报的重要步骤。台风云系随时间不断变化且风力强弱不一,在卫星云图中呈现了多样性和复杂性,现有基于神经网络的模型由于缺少对台风特征图像多维度参数的权重合理分配,在自动提取台风图像特征上受到了限制。为此,提出一种融合通道注意力与坐标注意力的神经网络模型(TY-LOCNet),首先搭建深度卷积神经网络模型提取台风特征;其次引入通道注意力机制从台风特征中捕获通道级别的信息,提升模型对重要通道的关注度;然后将通道注意力结果输入到坐标注意力机制中全局标定台风位置信息,使模型能够在较大的区域关注到台风的形态结构;此外,均方误差损失函数未能融合计算坐标导致定位精度低,因此提出距离损失函数(DISTLoss)通过距离回归提高模型定位精度。实验结果表明,TY-LOCNet的平均位置误差(MLE)、平均定位误差(MAE)和检测速度分别为3.502像素,0.292°和17 FPS,优于其他模型。台风中心定位模型TY-LOCNet可为台风预报提供实时性台风中心定位支持。

     

  • 图  1  TY-LOCNet网络架构图

    图  2  融合了通道注意力与坐标注意力的残差结构

    图  3  距离损失函数与均方误差损失函数在测试集上的误差对比图

    图  4  对不同强度等级的台风分别使用三种模型的中心定位效果对比图

    图  5  台风“梅花”的中心定位效果图

    表  1  不同强度等级的台风中心风速和图片数量

    台风级别 风速/(m·s-1) 图片数量
    热带风暴 17.2~24.4 859
    强热带风暴 24.5~32.6 1 477
    台风 32.7~41.4 3 744
    强台风 41.5~50.9 1 121
    超强台风 >51.0 547
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    表  2  五种注意力机制的试验结果

    注意力机制 平均位置误差/像素
    通道注意力 8.754 7
    空间注意力 8.923 3
    坐标注意力 8.194 7
    自注意力 8.875 7
    残差注意力 7.365 6
    9.026 4
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    表  3  在不同位置使用双注意力机制模块的实验结果

    位置 平均位置误差/像素
    {1, 2, 3} 8.914 7
    {3, 4, 5} 8.245 4
    {4, 5, 6} 7.365 6
    {1, 2, 3, 4, 5, 6} 7.744 0
    9.036 7
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    表  4  三种模型的台风中心定位误差对比

    模型 平均位置误差/像素
    热带风暴 强热带风暴 台风 强台风 超强台风
    Hourglass[9] 18.658 4 13.918 4 10.025 4 4.568 4 4.954 6
    TCLNet[11] 16.973 5 12.698 2 8.368 1 4.398 7 3.565 8
    TY-LOCNet 14.870 1 10.818 4 6.460 9 4.022 9 3.334 9
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    表  5  模型对2018年台风的定位误差

    台风编号 台风名称 平均定位误差/° 台风编号 台风名称 平均定位误差/°
    201801 布拉万 0.381 3 201816 贝碧嘉 0.406 6
    201802 三巴 0.164 2 201817 赫克托 0.412 0
    201803 杰拉华 0.242 2 201818 温比亚 0.385 9
    201804 艾云尼 0.415 6 201819 苏力 0.106 0
    201805 马力斯 0.348 9 201820 西马仑 0.263 5
    201806 格美 0.389 8 201821 飞燕 0.181 1
    201807 派比安 0.228 9 201822 山竹 0.117 0
    201808 玛莉亚 0.132 5 201823 百里嘉 0.456 6
    201809 山神 0.401 4 201824 潭美 0.183 2
    201810 安比 0.317 7 201825 康妮 0.208 8
    201811 悟空 0.285 7 201826 玉兔 0.181 9
    201812 云雀 0.249 8 201827 桃芝 0.323 3
    201813 珊珊 0.191 0 201828 万宜 0.215 4
    201814 摩羯 0.502 3 201829 天兔 0.226 8
    201815 丽琵 0.501 1 平均: 0.290 3
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    表  6  四种模型性能对比

    模型 每秒浮点运算次数 参数量/MB 检测速度/(幅·秒-1
    Hourglass 8 256×106 14.99 5.01
    TCLNet 6 980×106 1.09 7.01
    TY-LOCNet 4 006×106 13.98 17.47
    DRTCL 15 470×106 138.33 <2
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    表  7  不同输入尺寸的模型参数和误差对比

    输入尺寸 每秒浮点运算次数 参数量/MB 检测速度(/幅·秒-1 平均位置误差/像素
    512×512 20 157×106 13.98 1.14 7.144 5
    384×384 12 021×106 13.98 7.56 7.278 7
    224×224 4 006×106 13.98 17.47 7.315 6
    128×128 668×106 13.98 22.88 7.821 5
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-11-18
  • 修回日期:  2024-06-03
  • 网络出版日期:  2024-08-08
  • 刊出日期:  2024-06-20

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