基于Argo剖面数据的异常检测方法研究

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随着互联网技术和传感器技术的飞速发展,人们探索海洋的手段越来越多样化,所产生的数据种类也越来越丰富,全球立体海洋观测网Argo的建立为海洋和气象变化领域的研究提供了宝贵的资料。由于Argo浮标自身抛弃性、随机性和易受环境影响的限制,观测到的剖面数据可能会存在不同种类的误差或错误。本文针对Argo剖面的数据异常问题,结合Argo剖面数据的特点,对Argo剖面数据异常检测进行了深入的研究,利用主曲线理论和时间序列预测模型,提出两种Argo剖面数据异常检测方法。  (1)传统的气候学温-盐关系模型采用最小二乘法拟合数据,而Argo盐度剖面数据随温度变化呈非线性分布,针对在提取Argo剖面数据的特征上存在缺陷的问题,本文提出了一种基于主曲线的Argo温-盐剖面数据异常检测方法。利用K主曲线提取出Argo剖面数据的数据特征,并拟合为一条可以反映盐度随温度变化的曲线,建立改进的温-盐关系模型,利用该模型获得的盐度上下界曲线作为阈值曲线,实现对于Argo温-盐剖面数据的异常检测。  (2)Argo剖面数据是不同时间段利用浮标采集到的海洋数据信息,且在同一区域范围内变化平稳,在深入研究时间序列预测模型和滑动窗口技术的基础上,本文提出了基于预测的Argo剖面数据异常检测方法。首先利用滑动窗口技术将Argo剖面序列进行划分,建立Argo剖面数据预测模型并将划分后的Argo剖面子序列作为输入参数获取剖面预测值,利用中心极限定理确定置信区间,通过判断观测剖面数据是否在置信区间内实现异常检测。  实验验证表明:通过从中国Argo实时资料中心获取的全球Argo剖面数据进行验证,基于主曲线的Argo温-盐剖面数据异常检测方法和基于预测的Argo剖面数据异常检测方法均可以有效地检测出异常剖面点,而且具有较高的灵敏度和特异度。
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