Evaluating the effects of topographical factors on the precipitation simulated by kilometer-scale versus quarter-degree dynamical downscaling models in eastern China

与传统的1/4度(≈25-30 km)动力降尺度模拟相比,公里尺度模拟的降水空间分布与观测结果更为接近.为了研究这一差异原因,本研究以华东地区为例,探究了地形因子在观测和模拟的降水中的作用.为了更好地体现地形因子对降水分布非均匀性的影响,以及不同地形因子作用的尺度差异,本研究采用多尺度地理加权回归模型,对五个主要地形因子与公里尺度和1/4度分辨率模拟的降水的关系进行了评估.基于观测数据的研究结果显示地形起伏度,地形高程和离海岸线距离对华东地区降水分布的非均匀性都有重要影响,其中地形起伏度在研究区大部分站点降水分布中起主导作用;公里尺度模拟结果基本反映了地形起伏度的主导作用;而1/4度模拟结果表现出降水对地形高程的过度依赖.本研究揭示了公里尺度地形分布对中国东部降水的非均匀分布的关键作用,研究结果可以为改进降水模拟提供新的思路.

基于多尺度Scale-Unet的单样本图像翻译

随着生成对抗网络(GAN)的发展,基于单样本的无监督图像到图像翻译(UI2I)取得了重大进展。然而,以前方法无法捕获图像中的复杂纹理并保留原始内容信息。为解决这个问题,提出了一种基于尺度可变U-Net结构(Scale—Unet)的新型单样本图像翻译结构SUGAN。所提出的SUGAN使用Scale—Unet作为生成器,利用多尺度结构和渐进方法不断改进网络结构,以从粗到细地学习图像特征。同时,提出了尺度像素损失scale-pixel来更好地约束保留原始内容信息,防止信息丢失。实验表明,与SinGAN、TuiGAN、TSIT、StyTR2等公共数据集Summer■Winter、Horse■Zebra上的方法相比,该方法生成图像的SIFID值平均降低了30%。所提方法可更好地保留图像内容信息,同时生成详细逼真的高质量图像。

CMA-MESO千米尺度变分同化系统中极小化控制变量的重构

重构GRAPES(Global/Regional Assimilation and Prediction System)全球、区域一体化变分同化系统中的极小化控制变量,提升中、小尺度同化分析能力,为中国气象局业务区域数值预报系统CMA-MESO提供千米尺度适用的同化方案。新方案用纬向风速(u)和经向风速(v)替代原有流函数和势函数作为新的风场控制变量,采用温度和地面气压(T,ps)替代原有非平衡无量纲气压作为新的质量场控制变量,同时不再考虑准地转平衡约束,而是采用连续方程弱约束保证分析平衡。背景误差参数统计和数值试验结果表明,采用重构后的极小化控制变量,观测信息传播更加局地,分析结构更加合理,避免了原方案在中、小尺度应用时存在的虚假相关问题。连续方程弱约束的引入,限制了同化分析中辐合、辐散的不合理增长,帮助新方案在分析更加局地的同时保证分析平衡。为期1个月的连续同化循环和预报试验结果表明,新方案可以减小风场和质量场分析误差,CMAMESO系统地面降水和10 m风场的预报评分显著提升。

近20年北方草原生态价值核算及其时空差异特征

草原是我国重要的陆地生态系统和自然资源,具有多元生态服务,探索草原生态价值核算方法对于草原保护修复与可持续管理具有重要意义,但当前草原生态价值尚未形成公认的评估框架和准确的核算方法。定位于北方草原,以内蒙古天然草原为典型案例区,提出了“支持-供给-调节-文化”服务价值四类共计19项的草原生态价值评估体系,基于地面采样、野外观测、遥感解译、模型模拟和统计等多源数据,在像元尺度上核算了2000—2020年草原生态价值并分析其空间分异特征和动态演变规律。结果表明:近20年来内蒙古草原生态价值多年均值为17640.60亿元/a,约为自治区同期国内生产总值(GDP)(8607.23亿元/a)的2.05倍,每公顷草原提供的生态价值为2.34万元/hm^(2),总体呈现“东北高—西南低”的空间分布格局特征。其中,草原调节服务价值最高,多年均值6676.44亿元/a,占比53.68%;其次为草原支持服务价值,多年均值为6293.96亿元/a,占比35.13%;草原供给和文化服务价值多年均值分别为3796.27亿元/a(6.24%)和873.93亿元/a(4.95%)。从具体指标来看,防风固沙价值量最高(5858.86亿元/a和33.21%);从各地区来看,锡林郭勒盟草原生态价值最高(4701.81亿元/a和26.65%)。20年间,草原生态价值呈显著增加趋势(439.45亿元/a,P<0.05),其中以草原文化服务价值增加最为明显。本方法和案例可为量化草原生态价值提供参考范式,并有助于生态产品价值实现机制的建立,推动草原侵占用等生态补偿方案的优化。

基于图像八叉树的三维比例边界有限元多面体网格生成算法

基于图像八叉树方法,提出了平衡八叉树和多面体网格修剪相结合的三维比例边界有限元多面体网格算法,该算法根据结构尺寸建立恰好完全包含整个结构的立方体网格,再建立结构图像像素信息,根据像素信息,按照2∶1的平衡分割原则递归地进行等分,完成平衡八叉树网格生成。结构内单元网格完全保留,结构外单元网格删除,对于结构边界单元网格,提出采用面-立方体相交判断方法进行边界单元与结构边界相交面的筛选,搜寻结构单元与结构边界表面相交点,通过有序连接相交点形成边界单元切割面,再结合边界单元其他几个面,构成裁剪后的多面体单元。数值算例结果表明,基于本文算法生成的比例边界有限元网格计算结果具有较好的精度和边界适应性。

基于全尺度融合侧输出残差网络的骨架提取算法

图像骨架是一种紧凑、直观的图像表示方法。目前,现有基于深度学习的二值像素图像骨架提取算法存在骨架断裂问题。提出了一种基于全尺度融合侧输出残差Unet网络(FFSR-Unet)的骨架提取算法,该算法通过融合编码器和解码器不同层级间的特征,实现了前景对象不同形状尺度的特征交互,同时采用阶梯式残差块以增强网络对深层与浅层语义的提取能力。该算法在Pixel SkelNetOn Challenge数据集上的F1-score可以达到0.8548,能够超越现有算法的提取结果。

一种改进CycleGAN的素描头像彩色化算法

针对现阶段由素描头像生成的彩色头像图像清晰度低、人脸识别率不高和视觉质量不佳等问题,提出一种改进CycleGAN的素描头像彩色化算法:对U-Net自编码器的第一个特征提取模块进行优化,设计一种多尺度自注意力机制特征提取模块,从多个尺度提取输入图像以减少输入图像的细节信息丢失,将提取的特征用通道堆叠的方式进行特征融合,对融合的特征嵌入SENet自注意力机制,以引导模型对特征重点区域的关注度,最后再降低融合特征的通道维数;对生成头像与真实头像添加L1像素损失和感知损失,以进一步提升生成头像的质量.实验结果表明:较基础模型CycleGAN生成的彩色头像,在CUHK数据集FID值降低了22.23、Rank-1值提高了16%,在AR数据集FID值降低了15.34、Rank-1值提高了9.3%.

一种基于YOLOv4的密集人群小目标检测方法

针对密集人群中由于视觉受阻和目标被遮挡导致小目标检测精度不佳的问题,本文基于YOLOv4模型将卷积块–像素块注意力机制模块(convolutional-pixel block attention module,CBAM-PIX)融入主干网络CSPDarknet53,并利用级联思想改进特征融合网络。注意力机制方法和特征融合方法不仅提升了数据的丰富性,而且提高了空间通道像素提取信息的能力和目标检测的准确性。此外,通过减少网络层数降低计算量和减少参数,提高了网络模型在有限计算资源和设备需求下的适应能力。实验结果表明,改进的模型算法在用于密集人群小目标检测时精确度提升了1.96%,且鲁棒性强。该算法为解决复杂背景下密集人群小目标检测提供了有效的解决方案,具有应用价值。

基于循环生成对抗网络的人脸素描合成网络设计

针对目前人脸到素描合成存在生成的素描图轮廓模糊、细节纹理缺失等问题,提出一种采用循环生成对抗网络(CycleGAN:Cycle-Generative Adversarial Networks)解决方案。构建多尺度CycleGAN,生成器采用深度监督的U-Net++结构为基础,在其解码器端进行下采样密集跳跃连接;在其生成器的编码器端设计通道注意力和和空间注意力机制形成特征增强模块;最后在生成器中增加像素注意力模块。实验结果表明,与现有经典算法相比,从主观视觉评测和利用现有的4种图像质量评价算法进行质量评估,该方法较好地合成了素描图像的几何边缘和面部细节信息,提高了素描图像的质量。

2000-2020年陕西省植被覆盖时空变化多尺度分析

[目的]退耕还林还草工程实施以来,陕西省植被覆盖度明显提高。然而,省级尺度上植被覆盖度的增加一定程度上掩盖了部分市、县级区域植被覆盖度下降的实事,当前迫切需要加强对不同空间尺度植被覆盖变化及其驱动因素的研究。[方法]基于MODIS NDVI数据计算了陕西省植被覆盖度,分析了2000-2020年陕西省、地区、市和县四级尺度植被覆盖度时空变化趋势。[结果]2000-2020年陕西省植被平均覆盖度为64.3%±2.1%,增长率为0.24%/a;陕北植被覆盖度平均为37.6%±4.4%,增长率为0.63%/a;陕南植被覆盖度平均为89.6%±1.2%,增长率为0.13%/a;关中植被覆盖度平均为70.6%±3.5%,下降率为-0.18%/a。延安市、榆林市、铜川市、宝鸡市、安康市、商洛市的植被覆盖度呈持续增加趋势,而西安市、渭南市、咸阳市和汉中市的植被覆盖度呈先增加后下降趋势;全省有72.3%的区县植被覆盖度呈增加趋势,有22.3%的区县植被覆盖度变化方向与所在市相反。在不同空间尺度上,陕西省植被覆盖度增速均表现为2000-2010年高于2010-2020年,这与两个时期的造林面积差异有关。[结论]陕西省植被覆盖度变化存在空间尺度依懒性,对不同尺度植被覆盖变化的精确认知有助于科学评估区域生态建设成效。

改进MTBCD火焰图像特征提取的转炉炼钢终点碳含量预测

转炉炼钢终点时刻炉口火焰的颜色和纹理与钢水碳含量之间存在对应关系,为了提取有效的火焰图像特征以准确预测钢水碳含量,结合火焰纹理多方向多尺度等特点,提出一种改进的多趋势二进制编码彩色纹理特征表述方法。考虑颜色通道间的相关性,通过颜色通道融合策略得到火焰图像的彩色纹理表示;采用多尺度非均匀采样策略选取各尺度范围内的采样点来构建彩色纹理的多尺度表达;根据中心点对称方向和对角线对称方向上采样点不同的变化进行多趋势编码,得到彩色纹理特征,选用广义回归神经网络模型预测碳含量。实验表明,碳含量预测在误差范围0.02%以内的准确率为95.7%。

千米钻机电控系统二次回路瞬态干扰分析与抑制

千米钻机电控系统工况复杂、负载多变,并且融合多个一次回路,从而使瞬态干扰频谱分布随机性高,易出现模态混叠现象。为提升智能感知精度,千米钻机电控系统二次回路往往采用高带宽增益运算放大器,已有适用于二次侧端口设备的模型不再适用于小信号检测电路的稳定性分析。千米钻机电控系统瞬态干扰频域分布范围广泛,要求电路在很宽的频域内有较强的抗干扰能力。传统抗干扰措施存在频带较窄、高频抑制作用不佳的缺陷;多级RC、LC滤波电路存在阻抗不匹配、体积大的问题。针对上述问题,以15000型千米钻机电控系统的二次回路信号采集电路为研究对象,对二次回路中瞬态干扰进行分析。采用无参尺度空间表达的经验小波变换(EWT)算法,利用尺度空间变换划分得到频谱分割点,进而提取出具有紧支撑框架的模态分量,引入模态分量的峭度指标特征划分瞬态干扰信号与白噪声信号,确定瞬态干扰的频域分布。通过构建电控系统二次回路含寄生参数的小信号电路等效模型,探寻反馈回路引脚寄生电容与触发振铃或自激振荡的干扰信号频率阈值的规律,分析瞬态干扰频域特征对电路稳定性的影响。结果表明:在输入输出存在30 pF引脚寄生电容时,传导进入瞬态干扰信号使稳定性下降,且引起失稳的触发频率随引脚寄生电容增加而降低。利用铁氧体磁珠类似并联谐振的高阻特性,设计了一种二阶滤波电路。实验室试验结果表明:当干扰经过含铁氧体磁珠的二阶滤波电路后,在信号采样电路敏感的0.2 MHz以上频段,干扰幅值均抑制在-35 dBV以下,信号采样电路无异常输出。工业样机运行数据中敏感频段干扰幅值均抑制在-35 dBV以下,与实验室试验结果基本一致,满足抗干扰要求。

基于U⁃net卷积神经网络的多尺度遥感图像分割算法

多尺度遥感图像的非本质特征量较大,不仅易导致图像噪声较大,也增加了图像分割的难度。为充分保留分割后多尺度遥感图像的边缘特征,在U⁃net卷积神经网络下提出新的图像分割算法。以U⁃net卷积神经网络为基网,提取被分割图像特征,获得被分割图像细节信息;计算相邻像素和原始像素特征向量的欧氏距离,结合去噪算法,通过归一化参数处理,建立相似性函数,实现对多尺度遥感图像分割特征增强处理;计算分割框候选偏差值;根据U⁃net卷积神经网络结构确定局部最优合并区域对;计算度量区域的距离,使用全局最优区域合并方法更新分割时间复杂度,实现多尺度遥感图像整体分割。由实验结果可知,该算法能够精准确定指定建筑物位置,并保留建筑物完整边缘细节信息。

基于不规则尺度区域光谱信息的高光谱图像亚像元定位

亚像元定位技术可以分析混合像元,并实现从丰度图像到亚像元级精细土地覆盖定位图像的转换。然而,传统的亚像元定位方法所使用的光谱信息通常在指定的矩形局部窗口中构造,并且很少使用所有波段的光谱信息,影响了亚像元定位的性能。为了解决这一问题,本文提出了一种基于不规则尺度区域光谱信息的高光谱图像亚像元定位方法(SIISA)。在三幅遥感图像上的实验结果表明,所提出的SIISA优于现有的亚像元定位方法。

结合超像素分割和多尺度的快速半全局立体匹配算法

半全局立体匹配算法采用最大视差范围进行搜索,有较大冗余。为提高算法的效率,提出一种结合超像素分割和多尺度的快速半全局立体匹配算法。首先获得原图1/4大小的视差图;其次,结合原图像超像素分割结果,计算每个分割块的平均视差,并在平均视差基础上设置上下阈值,作为该分割区域所有点的视差搜索范围。这样,既减少了视差搜索范围,也保证了搜索结果的精度;同时,为降低原始视差图误匹配率,在计算弱纹理区域的聚合值时,叠加了下采样层对应区域的聚合值。弱纹理区域是根据超像素分割区域的灰度直方图确定的;最后,在已缩小的搜索范围内,根据代价最小原则获得最终的视差。实验结果表明:该方法在保证视差精度的前提下,计算复杂度大幅降低,计算时间缩短为原来的1/4。

广州“5·22”致灾特大暴雨的多源资料分析——从天气尺度背景到γ-中尺度涡旋

为提高对季风海岸极端降水成因机制的认识,利用分钟-公里级分辨率资料,采用双偏振雷达定量降水估计和定量识别中涡旋(MV)的方法,分析2020年5月21日夜间至22日清晨珠三角地区致灾特大暴雨的多尺度特征与机制。结果表明:该事件8 h累积降水最大397 mm,48站次录得>75 mm/h极端小时降雨(EXHP);在天气尺度低空切变线及其南侧强劲的暖湿西南气流影响下,强降水对流的入流空气的CAPE约3000 J/kg,CIN不超过10 J/kg,LCL约300 m,可降水量超过70 mm;降水产生的弱偏北气流和来自热带洋面的偏南气流对峙,形成准静止的中尺度锋区,其抬升作用使对流得以维持;6个低层MV与EXHP伴随,MV强度弱,主要出现在地面中尺度切变线附近,弱冷池的南缘、近地面辐合中心,大多数时刻MV跟逐6 min累积雨量的大值没有空间相关。

雷达资料同化对一次飑线过程的次公里尺度数值模拟影响研究

针对2019年6月5日重庆地区发生的一次飑线天气过程,利用中尺度WRF(Weather Research and Forecasting)模式和ARPS(The Advanced Regional Prediction System)的3DVAR三维变分同化系统及其ADAS(ARPS Data Assimilation System)云分析系统,探究了不同模式水平分辨率下雷达资料同化对该飑线系统的模拟改进效果。结果表明:(1)未同化雷达资料时,模式水平分辨率从900 m提高到300 m,模式模拟结果无明显改进。(2)不同模式水平分辨率下,同化试验的模拟效果相比同化前,对于雷达回波的形状、强度和落区都有一定改善。(3)使用雷达资料同化的情况下,同时提高模式水平分辨率,能进一步优化调整模式的动力、热力及水汽条件,使得对本次飑线系统的发生发展和组织结构特征的模拟与实况更接近。

电动自行车骑乘人员安全头盔佩戴行为检测

为提高电动自行车骑乘人员安全头盔佩戴水平,提出一种基于深度学习的安全头盔佩戴行为检测方法。基于EfficientNet目标检测框架,重新设计了主干网中特征图的特征选取层,并提出像素级缩放(pixel-level scaling,PLS)模块,构建了一种新的用于电动自行车骑乘人员安全头盔佩戴行为检测的PLS-Det模型。该模型解决了深度卷积神经网络执行检测任务时视频检测图像中的小目标(远处的电动自行车)、被遮挡的车辆和骑乘人员等容易导致目标丢失的问题,并能适应复杂的电动自行车交通流场景。根据江苏省南通市区典型城市道路,选取不同视角、时间段、天气状况下的电动自行车交通流视频图像数据(包含正样本5408个和负样本7156个)训练优化检测模型。通过消融实验和人工检测结果,对比分析了EfficientDet-d0、EfficientDet-Optimize和PLS-Det模型的检测性能。实验结果表明:提出的PLS-Det检测模型通过重新选择特征图层和引入PLS模块,在保证计算效率稳定的同时,能显著丰富小目标及被遮挡目标的特征,检测精确度达95.8%,可以满足电动自行车骑乘人员安全头盔佩戴行为的检测精度要求。

高精度异形插件视觉定位与检测算法

针对控制器生产过程中异形元器件插装存在劳动强度大、自动化程度低等问题,提出一种高精度的视觉定位与检测算法。通过图像形状特征及提取要求,引入高曝光图像引脚粗精定位融合算法,实现引脚的高精度定位;通过对元器件针脚与电路板针孔位置进行拟合与插装判断,解决插装准确率低及元器件插装检测问题;通过实验室机器人进行重复定位精度与4000次重复性测试统计,定位精度对视觉像素坐标与实际坐标进行转换得来,插件定位精度<±0.1 mm,准确率达到99.7%以上。

基于图像特征提取的红外影像动态配准方法研究

为了提高红外影像动态配准的配准概率,提出基于图像特征提取的红外影像动态配准方法。采用尺度不变特征变换算法提取红外影像关键点的方向、坐标及其尺度特征,结合特征点的邻域梯度信息生成SIFT特征向量,并确定SIFT向量的特征区域,引入加权因子去除非稳定关键点,得出相位一致性特征(稳定关键点);根据稳定关键点之间的最佳旋转角度获取精准匹配子集,修正匹配点配准关系,完成红外影像动态配准。测试结果表明,该方法获取的红外图像像素点灰度值均方根差均低于0.45,DICE系数均高于0.93,在发生旋转或者灰度信息变化时,配准概率均在93%以上,可较好地完成红外影像动态配准。