基于非线性最优目标函数的红外云图台风中心自动定位
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适合不易求导函数的求解 问题。它将 问题域 的可
３ ． ２ ． ２ 变异 操 作
行解看作是群体的“ 染色体” ， 将其置于问题的“ 环
境” 中， 根据适者生存的原则 ， 从 中选择出适应环 境 的“ 染色体” 进行复制 ，通过交叉 、变异两种基
为了防止有效基 因的缺失 ，最大限度地避免 早熟收敛 ， 本文利用二元变异算子㈣（ 同或／ 异或） 来进行变异操作 ，提高 了遗传算法 的优化速度 。 其变异概率为 ：
物遗传算法 ，求得 了台风中心位 置的最优数值 解 ， 有效 地实现 了台风 中心的 自动定位 。多个 台风 中心定位仿真 结果表明 ，该方法能够实现有眼和无眼 台风 的 自 动定位 ，并且理论可靠 、实用性强 、定位精度高 。
关 键 词：非线性最优 目标 函数 ；台风 中心 ；自动定位 ；红外云 图
， 、 ， ，
函数
，
利用简单遗传算法进行求解 ；在此基础之
这些研究主要是综合利用数字图像处理技术和数
上
后
学形态学操作从云图中提取 出边缘和骨架等形态
特征 ， ， 引 ，实 现 台风 中心 的 自动定 位 ，这 些 方
针对 台风中心密闭云区的特点 ，对遗传算法 的初始群体生成和遗传操作方面进行了改进
定量描述和参数的 自动提取 ，因此 ，这些算法都 存在 定程度的通用性和鲁棒性问题 ；王燕燕等
一
台风 中心的确定对于天气分析和台风预测具 有重要 的意义 ， 而台风作为一种复杂的天气系统 ，
是在热带海洋上空发展起来的强烈气旋性涡旋 ，
具有很强的非线性结构特点 ，在大气动力学中用
一
［ １ ０ 将台风运动看作是刚性物体 的运动 并 需人 工 干预 自动化程度不高 ，另外 ，由于气旋 中心并
文章编号 ：１ ０ ０ ４ － ４ ９ ６ ５ （ ２ ０ １ ３ ） ０ １ － ０ １ ５ ５ － ０ ６
基 于非线性最优 目标 函数 的红外 云图台风 中心 自动定位
陈希 ，李妍 １ ， ２ ，毛科峰 ，费树 岷 ２
（ １ ． 解 放军 理 工大 学气 象学 院 ，江 苏 南 京 ２ １ １ １ ０ １ ； ２ ．东南 大 学 自动 化学 院 ，江 苏 南京 ２ １ ０ ０ ９ ６ ）
一
因操作产生 出新一代更适合环境的“ 染色体” 群，
这样 一代代不断改进 ，最后收敛到一个最适合环 境的个体上 ，求得问题 的最佳解。
３ ． １ 初始 群 体 生成
＝
（ ・ ３ ）
其中 为需变异的个体适应值 ，
值。
、 代表父
遗传算法中初始群体的分布会严重影响算法 的计算收敛性能 ，而简单遗传算法 的初始群体在
，
，
非刚体 以及受云图数据采集频率的上资料缺乏 ，
定位 的精度
。
常规观测资料很难准确及时捕捉到台风的行踪 ， 气象卫星因不受地理位置和天气条件的影响而成 为监测 台风的主要技术手段 。但在实际的业务工 作 中，中心位置等台风特征主要依靠人工方式进 行确定 ，因此 ，利用卫星云图，自动 、准确地确
ｌ 期
李妍等 ：基于非线性最优 目 标 函数的红外云图 台风 中心 自 动定位
１ ５ ７
３ 非线性最优 目 标 函数的求解
由于式（ ７ ） 是非线性 函数 ， 不易求导 ， 遗传算
＝
八
，
其中 ， 为要交叉的两个个体串中较大的适应值 ， 法［ １ ｌ 】 是模拟 生物在 自然环境 中的遗传 和进 化过 ／ 、 厶 代表父代群体中个体的最大适应值及群 程而形成的一种 自 适应全局优化概率搜索算法 ， 体 的平均适应值 。
摘
要 ：台风中心的自 动定位对于灾害性天气预测具有重要意义。针对台风云系在云图中分布的不确定性
和多变性 ，利用主特征 向量提取方法实现 了台风云系 的客观描述 ；在此基础之上 ，根据 台风密闭云 区在云 图中 呈 圆形 的几何特性 ，构建了台风 中心 自动定位 的非线性最优 目标 函数 ；因该 目标 函数 的导数不易求取 ，利用生
，
；最
，
将该方法进行 了仿真试验。
收 稿 日期 ：２ ０ １ １ － ０ ３ ． ０ ３ ；修订 日期 ：２ ０ １ ２ — ０ ５ — １ ８
资助项 目：国家 自然科学基金资助项 目（ ６ ０ ８ ３ ５ ０ ０ １ ） 资助
通讯 作者 ：李 妍 ，女 （ 满 族） ，辽 宁省 人 ，讲 师 ，主要 研 究工 作是 大 气 、海洋 信息 的智能 化处 理 与可 视 化。Ｅ － ｍ ａ ｉ ｌ ： ｌ ｇ ｄ ｘ ｌ ｉ ｙ ＠１ ６ ３ ． ｃ ｏ ｍ
文献标识码 ：Ａ Ｄｏ ｉ ：１ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ４ — ４ ９ ６ ５ ． ２ ０ １ ３ ． ０ １ ． ０ ２ ０ 中图分类号：Ｔ Ｐ ３ ９ １
由于台风云系在云图中的灰度分布呈现出的多变
１ 引
言
性和复 杂性， 很难 依据 统一的 形态 特征进 行客观
第２ ９ 卷 第１ 期
２ ０ １ ３年 ０ ２月
热
带
气
象
学
报
Ｖ ｏ １ ． ２ ９．ＮＯ ． １ Ｆｅ ｂ． ，２ ０ １ ３
Ｊ ０ＵＲＮＡＬ ＯＦ ＴＲＯＰＩ ＣＡＬ Ｍ ＥＴＥＯＲＯＬ０ＧＹ
陈 希 ，孚 ，毛科 峰 ，寺 ． 基 十非 线性 最优 曰杯 幽致 昀红外 五 因 苗风 甲心 目切 疋 １ 豆【 Ｊ Ｊ ．热常 气冢 字 于 嚏 ，２ ０ １ ３ ，２ ９ （ １ ） ： １ ５ ５ 。 １ ６ ０ ．
本文为 了提高 台风 中心 自动定 位算法 的通用性 与鲁棒
，
针对台风云系的复杂性和不确定性
性
定 台风 中心具有重要的意义 。
目前 ，很 多学 者 在 这方 面进 行 了研 究 － ９ ，
首 先 ， 自动 提 取 台风 云系 主特 征 ，实 现 了 台 风云系的有效 定量 、客观描述 ；然后 ，以台风 绕着 中心旋转 具有类似圆形的几何形态性质为 约束 构建 台风 中心 自动定位的非线性最优 目标
３ ． ２ ． ２ 变异 操 作
行解看作是群体的“ 染色体” ， 将其置于问题的“ 环
境” 中， 根据适者生存的原则 ， 从 中选择出适应环 境 的“ 染色体” 进行复制 ，通过交叉 、变异两种基
为了防止有效基 因的缺失 ，最大限度地避免 早熟收敛 ， 本文利用二元变异算子㈣（ 同或／ 异或） 来进行变异操作 ，提高 了遗传算法 的优化速度 。 其变异概率为 ：
物遗传算法 ，求得 了台风中心位 置的最优数值 解 ， 有效 地实现 了台风 中心的 自动定位 。多个 台风 中心定位仿真 结果表明 ，该方法能够实现有眼和无眼 台风 的 自 动定位 ，并且理论可靠 、实用性强 、定位精度高 。
关 键 词：非线性最优 目标 函数 ；台风 中心 ；自动定位 ；红外云 图
， 、 ， ，
函数
，
利用简单遗传算法进行求解 ；在此基础之
这些研究主要是综合利用数字图像处理技术和数
上
后
学形态学操作从云图中提取 出边缘和骨架等形态
特征 ， ， 引 ，实 现 台风 中心 的 自动定 位 ，这 些 方
针对 台风中心密闭云区的特点 ，对遗传算法 的初始群体生成和遗传操作方面进行了改进
定量描述和参数的 自动提取 ，因此 ，这些算法都 存在 定程度的通用性和鲁棒性问题 ；王燕燕等
一
台风 中心的确定对于天气分析和台风预测具 有重要 的意义 ， 而台风作为一种复杂的天气系统 ，
是在热带海洋上空发展起来的强烈气旋性涡旋 ，
具有很强的非线性结构特点 ，在大气动力学中用
一
［ １ ０ 将台风运动看作是刚性物体 的运动 并 需人 工 干预 自动化程度不高 ，另外 ，由于气旋 中心并
文章编号 ：１ ０ ０ ４ － ４ ９ ６ ５ （ ２ ０ １ ３ ） ０ １ － ０ １ ５ ５ － ０ ６
基 于非线性最优 目标 函数 的红外 云图台风 中心 自动定位
陈希 ，李妍 １ ， ２ ，毛科峰 ，费树 岷 ２
（ １ ． 解 放军 理 工大 学气 象学 院 ，江 苏 南 京 ２ １ １ １ ０ １ ； ２ ．东南 大 学 自动 化学 院 ，江 苏 南京 ２ １ ０ ０ ９ ６ ）
一
因操作产生 出新一代更适合环境的“ 染色体” 群，
这样 一代代不断改进 ，最后收敛到一个最适合环 境的个体上 ，求得问题 的最佳解。
３ ． １ 初始 群 体 生成
＝
（ ・ ３ ）
其中 为需变异的个体适应值 ，
值。
、 代表父
遗传算法中初始群体的分布会严重影响算法 的计算收敛性能 ，而简单遗传算法 的初始群体在
，
，
非刚体 以及受云图数据采集频率的上资料缺乏 ，
定位 的精度
。
常规观测资料很难准确及时捕捉到台风的行踪 ， 气象卫星因不受地理位置和天气条件的影响而成 为监测 台风的主要技术手段 。但在实际的业务工 作 中，中心位置等台风特征主要依靠人工方式进 行确定 ，因此 ，利用卫星云图，自动 、准确地确
ｌ 期
李妍等 ：基于非线性最优 目 标 函数的红外云图 台风 中心 自 动定位
１ ５ ７
３ 非线性最优 目 标 函数的求解
由于式（ ７ ） 是非线性 函数 ， 不易求导 ， 遗传算
＝
八
，
其中 ， 为要交叉的两个个体串中较大的适应值 ， 法［ １ ｌ 】 是模拟 生物在 自然环境 中的遗传 和进 化过 ／ 、 厶 代表父代群体中个体的最大适应值及群 程而形成的一种 自 适应全局优化概率搜索算法 ， 体 的平均适应值 。
摘
要 ：台风中心的自 动定位对于灾害性天气预测具有重要意义。针对台风云系在云图中分布的不确定性
和多变性 ，利用主特征 向量提取方法实现 了台风云系 的客观描述 ；在此基础之上 ，根据 台风密闭云 区在云 图中 呈 圆形 的几何特性 ，构建了台风 中心 自动定位 的非线性最优 目标 函数 ；因该 目标 函数 的导数不易求取 ，利用生
，
；最
，
将该方法进行 了仿真试验。
收 稿 日期 ：２ ０ １ １ － ０ ３ ． ０ ３ ；修订 日期 ：２ ０ １ ２ — ０ ５ — １ ８
资助项 目：国家 自然科学基金资助项 目（ ６ ０ ８ ３ ５ ０ ０ １ ） 资助
通讯 作者 ：李 妍 ，女 （ 满 族） ，辽 宁省 人 ，讲 师 ，主要 研 究工 作是 大 气 、海洋 信息 的智能 化处 理 与可 视 化。Ｅ － ｍ ａ ｉ ｌ ： ｌ ｇ ｄ ｘ ｌ ｉ ｙ ＠１ ６ ３ ． ｃ ｏ ｍ
文献标识码 ：Ａ Ｄｏ ｉ ：１ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ４ — ４ ９ ６ ５ ． ２ ０ １ ３ ． ０ １ ． ０ ２ ０ 中图分类号：Ｔ Ｐ ３ ９ １
由于台风云系在云图中的灰度分布呈现出的多变
１ 引
言
性和复 杂性， 很难 依据 统一的 形态 特征进 行客观
第２ ９ 卷 第１ 期
２ ０ １ ３年 ０ ２月
热
带
气
象
学
报
Ｖ ｏ １ ． ２ ９．ＮＯ ． １ Ｆｅ ｂ． ，２ ０ １ ３
Ｊ ０ＵＲＮＡＬ ＯＦ ＴＲＯＰＩ ＣＡＬ Ｍ ＥＴＥＯＲＯＬ０ＧＹ
陈 希 ，孚 ，毛科 峰 ，寺 ． 基 十非 线性 最优 曰杯 幽致 昀红外 五 因 苗风 甲心 目切 疋 １ 豆【 Ｊ Ｊ ．热常 气冢 字 于 嚏 ，２ ０ １ ３ ，２ ９ （ １ ） ： １ ５ ５ 。 １ ６ ０ ．
本文为 了提高 台风 中心 自动定 位算法 的通用性 与鲁棒
，
针对台风云系的复杂性和不确定性
性
定 台风 中心具有重要的意义 。
目前 ，很 多学 者 在 这方 面进 行 了研 究 － ９ ，
首 先 ， 自动 提 取 台风 云系 主特 征 ，实 现 了 台 风云系的有效 定量 、客观描述 ；然后 ，以台风 绕着 中心旋转 具有类似圆形的几何形态性质为 约束 构建 台风 中心 自动定位的非线性最优 目标