一种人工神经网络云分类方法的改进与应用

Ｆ 一Ｃ气 象 卫 星 携 带 有 可 见 光 和 红 外 自旋 扫 Ｙ２ 描 辐射 计 （ Ｓ Ｒ） 表 １列 出 了 ＶＩＳ 各 通 道 参 ＶＩ Ｓ ， ＳＲ 数 ， 间分辨 率 为每小 时 获得 １次数 据 。 时
表 １ Ｖ Ｓ Ｒ通 道 特 征 ＩＳ
Ｔａ ｅ １ Ｓｐ ｃｆｃ ｔｏ ｆＶＩ Ｓ ｃ ｎ ｌ ｂｌ ｅ ｉ ａ ｉｎｓｏ Ｓ Ｒ ｈａ ｎｅｓ ｉ
料 ， 星云 图作 为卫 星资料 中尤 其 重要 的一 部分 ， 卫 也
已经被 广泛 应用 ， 云分 类 产 品则 是卫 星 云 图 中非 常 重要 的产 品之 一 。Ｓ ｅ ｋ等 口 １ ７ ｈｎ ］ ９ ６年 基 于 辐 射 传
输 理论 ， 用 多 通 道 阈 值 方 法 对 Ｎｉ ｕ一 运 ｍｂ ｓ３卫 星 上
模拟 能 力 很 强 ， 别 是 在 分 类 问 题 中 已 被 广 泛 应 特 用 ’］ 。 。由于神 经 网络对 所输 入 的特 征量 没有 严格 船 的规 则 ， 虽然 能 得到较 好 的结 果 ， 但是训 练 样本 中存 在 的冲 突 和 矛 盾 会 导 致 网络 的 准 确 性 下 降 。金 龙 等［ ２ ０ 年 通过 主成 分 分析 法 （ Ｃ 改 善 了模 型 ＝ ０４ ２ 幻 Ｐ Ａ）
差 和平 均值 的抛 物线 拟合 方程 区分 出高云 及 晴空混
引 言
卫 星资 料 已经是 大气 科学 研究 中不 可 或缺 的资
合像 元 和 中低 云 像元 ， 通 过 直 方 图分 析 出各 云 类 再 的 阈值 ， 最后 用 欧几 里 得 距 离 和 斜 率 两 个标 准进 行
聚类 ， 到 ６类 云 以及 晴 空 。 得 研究 已经证 明 了人工 神经 网络对 非线 性关 系 的
析发 现 ， 套 模 型 的分 类 结果 比传 统 模 型 的 分 类 结 果 更 合 理 ， 别 是 在 中 低 云 和 薄 卷 云 的 云 量 和 位 置 分 辨 能 力 上 嵌 特
有 了较 大 提 高 。 关键 词 ： 分 类 ；Ｆ 一Ｃ气 象 卫 星 ； Ｐ人 工神 经 网 络 云 Ｙ２ Ｂ
的过 拟合 问题 ， 善 贤等 ］ ０ ４ 通过 逐 步 回归方 俞 ２０ 年
法 找 出 主要影 响 因子 输 入 到神 经 网络 中 ， 降低 网 来 络 的冗 余 度 ， 类 方法 都 取 得 了一 定 的效 果 。本 文 这 旨在 对 Ｆ 一 Ｃ气 象 卫 星 资 料 运 用 改 进 的 嵌 套 Ｂ Ｙ２ Ｐ （ ａ ｋｐ ｏ ａ ａｉｎ 人 工 神 经 网络 模 型 得 到 云 分 类 ｂ ｃ ｒｐ ｇ ｔ ） ｏ 产 品 ， 除个 别通 道 中的 噪音 ， 剔 提高 云分类 产 品 的分 析 精 度 ， 且 通过 不 同个例 试验 ， 体分 析新 的云分 并 具 类 方 法对 传统 Ｂ Ｐ人 工神 经 网络方 法 的改进 。
将 其分 开 。
应
用
气
Байду номын сангаас
象
学
报
第 ２ ３卷
组 成 ， 一层 中都 有 自身 的神 经 元 。神 经 元 的 作 用 每 函数是 反映 下层 输入 对上 层节 点刺 激脉 冲强 度 的函 数， 又称 刺 激 函数 。因为 本文 处理 的是 分类 问题 ， 所 以采 用 了 ｓ型正 切激 活 函数
要 云类 。其 中 ， 空分 为海 洋 和 陆 地两 类 。从 理 论 晴 上讲 ， 每一类 云 的样本 数应 该相 当 ， 是 因为大 气 中 但 中云往 往与 高云 同时存 在 ， 星从上 向下 观测 ， 常 卫 常 观测 不 到 中云 ， 以 中 云样 本 数 量 偏少 。而 薄卷 云 所 和厚卷 云虽 然 同为 卷 云但 是 辐 射 性 质 不 相 同 ， 以 所
通道 虽然 对低 云有 很 好 的 识别 能 力 ， 是 在 夜 间 无 但
法获 得可 用 的资 料 ， 以不 能 在 连 续 时 间上 应 用 。 所 而 中红外 通道 Ｉ ４在 夜 间 遥感 红外 辐 射 ， Ｒ 白天 不 仅
遥感 红外 辐射 而且 会 受 到 反 射 的太 阳光 的影 响 ， 所
流 云 。 由于 晴空 的 红外 亮 温 特 性 比较 显著 ， 且水 汽 通 道 又无法 获 取低 层 信 息 ， 以在 Ｉ 所 Ｒ１亮 温 和 Ｉ １ Ｒ 与 ｗＶ 亮 温差 图 中 ， 海洋 和 陆地 的特 征量 明显 高 于
其 他 ５类 ， 而在 ｗＶ 亮温 图 中 ， 空海 洋 、 晴 晴空 陆 地 和低 云 的特 征 量 分 布 几 乎 全 部 重 叠 。ｗＶ 亮 温 图
Ｉ Ｒ１与 Ｉ Ｒ２亮 温 差 Ｉ 与 Ｗ Ｖ亮 温 差 Ｒ１ Ｉ ２与 Ｗ Ｖ亮 温差 Ｒ
红外 １和红 外 ２通 道 的 分 裂 窗 差
红 外 １和 水 汽 通 道 的亮 温 差 红 外 ２和 水 汽 通 道 的亮 温 差
本 包 含 了所 采 集 像 元 的红 外 １ Ｉ ） 红 外 ２ Ｉ ２ （Ｒ１ 、 （Ｒ ）
一
种 人 工 神 经 网 络 云 分 类 方 法 的 改 进 与 应 用
张振 华 ｕ 苗春 生 曾智 华 师春 香 。
”（ 南京 信息工程大学大气科学 系 ， 南京 ２ ０ ４ ） １ ０ ４
（ 国气 象 局 上 海 台风 研 究 所 ， 海 ２ ０ ３ ） 。（ 家 气 象 信 息 中心 ， 京 １ ０ ８ ） 中 上 ０ ００ 国 北 ０ ０ １
描 述
红 外 １通 道 的 云 顶 亮 温 红 外 ２通 道 的 云 顶 亮 温
水 汽 通 道 的 云 顶 亮 温
Ｉ Ｒ２亮 温 Ｗ Ｖ亮 温
本文 根 据 陈 渭 民等 主 观 经 验 的 云 类 分 辨 方
法 ， 采 集 ２４ 共 ４ ９个 样 本 ， 本 时 间 范 围 为 ２ （ — 样 ） Ｏ５ ２０ ０ ９年 。表 ２为云分 类 和样 本数 ， 文 中的 每个 样 本
和水 汽 （ ｗＶ） ３个通 道 的亮温 值 。
表 ２ 云 分 类 和 样 本 信 息
Ｔａ ｅ ２ Ｔｈ ｎ ｏ ｍ ａ ｉ ｆ ｃ ａ ｓ ｓ ａ ａ ｐｌ ｓ ｂｌ ｅｉｆｒ ｔｏｎ ｏ ｌ ｓ ｅ ｎｄ ｓ ｍ ｅ
从 图 １看 出每类 云 的概率分 布基 本符 合 正态分 布 。７ 云分类 的 特征量 分 布从 高 到低 分 别 为 晴空 种 海 洋 、 空 陆地 、 云 、 晴 低 中云 、 卷 云 、 卷 云和 强对 薄 厚
气科 学研 究 以及其 他 学科 中 ， 比如气 候 预测 、 台风 预
报、 降水估 计 、 医学 分 类 等 ＿ 。９ ２ ０年代 初 ， 分 类 云
开始 采用 神经 网络 方法 ， 整 网络类 型 、 调 网络 结 构 、 激 励 函数 、 样本 形 式和 特征 量 ， 神经 网络 方法 在云 分
类 中取得 了不 错 的结果 ｌ 。国家 卫星 气 象 中心也 ＿ 】
有 对 外发 布 的业务 云分 类 产 品Ｉ 该 产 品先 采 用 方 ２ ，
２ １ ９１ ０ １０ —７收 到 ， ０ ２０ ６收到 再 改稿 。 ２ １ －２０ 资助项 目： 国家 自然 科 学 基 金 项 目 （０ ７ ０ ９ ４ ９ １ ６ ３ １ ４ ８ ５ ３ ，０ ２ １ ０ ８ ）
以也 无法 直接 用 于云分 类 中。
表 ３ 云 分 类 特 征 量 表
Ｔａ ｅ ３ Ｔｈ ｅｅ ｔｄ ｆ ａ ｕ ｅ ｆ ｂｌ ｅ ｓ ｌｃｅ ｅ ｔ ｒ ｓｏ
ｔ ｌ ｕ ｌｓ ｉｉａ ｉ ｎ ｈｅ ｃ ｏ ｄ ｃ ａ ｓ ｆ ｃ ｔ ｏ
云 分类 特 征
Ｉ Ｒ１亮 温
中， 由于该 特征 量对 晴 空 或 者厚 的 云类 没 有 分 辨 能 力 ， 以重 叠现 象严重 。从 图 １整体 来看 ， 于 中问 所 处
位 置 的低 云 、 中云和 薄 卷 云 在各 特 征 量 中 的重 叠最 严 重 。这种 信 息冲 突是 给云分 类神 经 网络带 来误 差 云 图像元 分 为晴 空 、 云 、 低 中云 、 薄卷 云 、 卷云 厚
的 中分辨 率 红外 辐 射 计 （ ｄｕ ＲｅｏｕｉｎＩ ｆａ Ｍｅ ｉｍ ｓｌｔ ｎ ｒ— ｏ ｒｄＲ ｄｏ ｔｒ 资料 进 行 热 带 海 洋 云分 类 。２ ｅ ａ ｉｍｅｅ） Ｏ世 纪８ Ｏ年 代末 ， 随着 人 工神经 网络方 法 的发展 及其 在
分 类 和预 测 问题上 的 突 出表 现 ， 被 渐 渐 引 入 到 大 也
＊ Ｅ ｍａ ： ｕｂ ｅ ９ ５ ｇ ｉ ｃ ｒ － ｉ ｇ ｉｌ１ ８ ＠ ｍａ ． ｏ ｌ ｌ ｎ
３６ ５
应
用
气
象
学
报
第 ２ 卷 ３
１ ２ 样 本 特 征 ．
１ 资 料 与 检 验 方 法
１１ 资 ． 料
本 文 收集 了 由红 外和 水汽 通道亮 温 线性组 合 得 到的 ６个特 征 量 ，Ｒ１ Ｉ Ｉ ，Ｒ２和 ｗＶ 分 别 为 ３个通 道 的亮 温 ，Ｒ Ｉ １与 Ｉ ２亮 温 差 ，Ｒ１与 ＷＶ 亮 温 差 和 Ｒ Ｉ Ｉ Ｒ２与 ＷＶ 亮 温差 ， 如表 ３所示 。需 要指 出 ， 可见 光
和 强对 流云 ６类 。这 ６类 云包含 了地 面 观测 中 的主
的最 大来源 ， 文 的 目的就 是要 将 这 种 误 差 影 响 降 本
到最 低 。另外 ， 厚卷 云和 强 对 流 云 的特 征 量 也 明显 低 于 其他几 类 ， 由于 强对 流云 中 的极端低 温 较多 ， 水 汽 的向上 输送更 强烈 ， 因此从 Ｉ １和 Ｗ Ｖ 亮温 图可 Ｒ 以发 现 ， 对流 云 的特征 量呈偏 态 分布 。总 的来 说 ， 强 每个 特征 量 的云 类 在 边 缘 都 会 出 现 一 定 的 重 叠 现 象 ， 是 大气 中云 的复杂 性决 定 的 。 这
第２ ３卷 第 ３ 期 ２１ ０ ２年 ６月
应 用 气 象 学 报
Ｊ ＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＡＰＰ ＥＤ ＥＴＥ ＬＩ Ｍ ＯＲＯＬ ＯＧＩ ＣＡＬ Ｓ ＥＮＣＥ ＣＩ
Ｖｏ． １ ２３， Ｎ ｏ ．３
Ｊ ｎ ０ ２ ｕ ｅ２ １
张 振 华 ， 春 生 ， 智 华 ， ．一 种 人 工 神 经 网络 云 分类 方 法 的 改 进 与 应 用 ．应 用 气 象 学 报 ，０ ２ ２ （ ） ３ ５３３ 苗 曾 等 ２ １ ，３ ３ ：５—６
摘
要
采用 ２０－２０ ０ ５ ０ ９年 Ｆ 一Ｃ静 止 气 象 卫 星可 见 光 和 红 外 自旋 扫 描 辐 射 计 的 红 外 １ Ｉ １ 、 外 ２ Ｉ ２ 和 水 汽 Ｙ２ （Ｒ ） 红 （Ｒ ） （ Ｖ 亮温资料 ， 取 ２４ ｗ ） 选 ４ ９个 云 分 类 样 本 。设 计 两 层 嵌 套 的 前 向传 递 后 向 反 馈 （ Ｐ 人 工 神 经 网 络 模 型 ， １ 网 Ｂ ） 第 层 络 选 取 Ｉ １ Ｉ ， Ｖ 亮 温 及 Ｉ １与 ｗＶ 亮 温 差 和 Ｉ ２与 ｗ Ｖ 亮 温 差 ５ 特征 量 ， ２层 网络 选 取 特 征 量 Ｉ 与 Ｒ ， Ｒ２ ｗ Ｒ Ｒ 个 第 Ｒ１ Ｉ 亮 温 差 ， 层 网络 都 采 用 一 层 隐 含 层 且 带 有 附加 动 量 法 的 简 单 网络 ， 低 了 网 络 的冗 余 度 。误 差 分 析 表 明 ： Ｒ２ 两 降 嵌 套Ｂ Ｐ人 工 神 经 网络 模 型 的 分 类 准 确 率 在 中云 和 薄 卷 云 这 两 类 上 分 别 提 高 了 ４ ． 和 １ ． ， 个 分 类 模 型 的 平 ２７ １３ 整 均 平 方误 差 和 标 准 化 平 均 平 方 误 差 分 别 降低 了 ６ １ 和 ４ ． ， 关 系 数 提 高 了 ３ ４ 。 通 过 ３ 个 例 的 对 比 分 ． ４７ 相 ． 个