复杂海况环境下多源数据协同的海洋涡旋检测与动态轨迹追踪新方法

Ocean eddy plays an important role in the ocean energy transfer and material transport, and has a significant impact on marine ecological environment changes, material resource distribution and climate change. Monitoring of ocean eddy is the basis for studying the law of its evolution and revealing its relationship with other ocean phenomena. At present, high-resolution ocean remote sensing provides a precise data foundation for ocean eddy research. The ocean numerical model provides a long-term continuous data foundation for its dynamic monitoring. A highly accurate and continuous data base provides new opportunities for monitoring of ocean eddy. The project focuses on ocean eddy detection and trajectory tracking and carries out the following research: (1) ocean eddy detection based on ocean remote sensing data and numerical simulation result data. (2) A new method for collaborative tracking of ocean eddy trajectories. We will conduct empirical analysis of the East China Sea based on oceanic remote sensing data and numerical calculations of ocean currents. The research will establish a theoretical foundation for developing multi-source remote sensing data collaborative processing, and provide a practical tool of complicated ocean phenomenon detection and motoring.

海洋涡旋负责着海洋中大部分的能量传递和物质运输，对海洋生态环境变化、物质资源分布以及气候变化影响显著。实现海洋涡旋的动态监测是研究其生成演进规律、揭示其与其他海洋现象间相互关系的基础。现阶段，高分辨率海洋遥感为海洋涡旋研究提供了精准的数据基础，海洋数值模型为其动态过程监测研究提供了长时序连续的数据基础，高精准、连续的数据基础为开展海洋涡旋动态监测提供了新的机遇。项目聚焦于海洋涡旋检测与动态轨迹追踪的关键问题开展研究：（1）研究海洋涡旋自动检测方法，实现海洋遥感数据与数值模型模拟结果数据下的海洋涡旋检测；（2）研究海洋涡旋动态轨迹协同追踪新方法。本研究将利用海洋遥感数据和海流的数值计算结果，对东海海域进行实证分析。本项目研究成果为发展多源数据协同处理理论奠定基础，为复杂海洋现象自动检测和动态轨迹追踪提供有效工具。

海洋涡旋的精准检测是研究其与其他海洋现象间相互作用重要基础。本项目针对持续变化的海洋涡旋特征表达不确定的特点导致的检测精度低、轮廓冗余大的问题，聚焦于海洋涡旋特征的准确提取与表达关键问题，研究海洋涡旋自动检测与轨迹追踪的新方法，提升海洋涡旋动态监测能力。具体研究内容为：（1）海洋涡旋精细化检测。针对海洋中尺度涡形态不规则、结构复杂多变、长宽比不确定的问题,提出一种基于深度学习多尺度旋转锚机制的海洋中尺度涡自动旋转检测方法。该方法最优检测精度为 90. 22% ,与水平检测方法相比,精度提升了 8%。此外，针对涡群海域海洋涡旋分布密集的特点，现有水平检测方法导致检测区域存在显著的冗余、重叠与嵌套，提出多尺度旋转密集特征金字塔网络，通过增强特征传播与重用，并改进损失函数，提升海洋涡旋检测精度。实验结果验证该检测模型最优检测精度可达96.4%，并对太平洋、大西洋海域的海洋涡旋进行自动检测，验证了模型具有较好的泛化能力。（2）海洋涡旋轨迹追踪与移动模式挖掘。针对海洋涡旋复杂轨迹过程存在生成、分裂、合并及消散多种形态，构建适合于其动态变化特点的相似性度量方法，实现海洋涡旋的轨迹跟踪。针对海洋涡旋轨迹模式挖掘忽视轨迹聚集之间的关联关系，构建了基于时空的聚集移动模式挖掘方法，结合黑潮侵入南海的季节性特点，分析了黑潮侵入前后对中尺度涡聚集移动模式的影响，最后通过流场展示进行了验证。. 围绕项目研究内容，发表科研论文9篇，其中SCI期刊论文1篇，中文核心期刊论文8 篇，申请国家发明专利1项，获得软件著作权1项；学术交流方面，参加国内外学术会议10余人次；人才培养方面，项目负责人晋升为副教授，培养毕业研究生5名，在读硕士生7名，指导研究生荣国全国性竞赛（研究生数学建模）奖励2项，省部级奖励5 项（海洋科学技术奖、中国产学研合作创新奖、上海海洋科学技术奖、上海市科创中心建设高校组、上海市知行杯）。