本技术公开了一种冰雪晶粒子的图像识别系统及方法,所述系统包括:图像获取器,获取图像数据并预处理得到目标图像;冰雪晶粒子特征提取模型,接收目标图像输入并进行特征提取,由四个模组串联的嵌入单元和自适应大核注意力单元构成,其中嵌入单元接收目标图像并生成高维嵌入特征图,自适应大核变换单元以大核注意力模块的大感受野精准捕获粒子细粒度空间特征,并引入特征通道尺度感知,使模型聚焦关键特征,再通过反瓶颈前馈模块进行特征聚合;最终,分类器接收识别模型的特征输出,运用困难度调节损失优化得到最终识别结果。本发明能够精准识别表征云微物理过程的云粒子图像。
背景技术
随着科技的进步和观测手段的发展,人类对冰雪晶粒子的认识不断深化,从最初的简单观测到如今的精细化测量和分类识别,冰雪晶粒子的研究已经取得了显著进展。冰雪晶粒子作为云中水成物的重要组成部分,其形成、增长及最终降落到地面的过程,是气象学和大气物理学领域的重要研究课题。冰雪晶粒子的形状、大小、分布等特征,不仅反映了云微物理过程的复杂性,还直接影响到降水机制、气候模式以及地球的水循环。因此,准确识别冰雪晶粒子及表征云微物理过程的云粒子图像,对于深入理解大气过程、提高天气预报准确性、评估气候变化影响等方面具有重要意义。
传统的冰雪晶粒子识别方法多是基于粒子几何特征参量的识别,其流程为首先对粒子图像进行预处理,然后通过拟合直径、圆度和粒子图像像素点在多方向上的相关性系数等特征参量,人为确定这些特征参量的阈值进行识别。这种方法虽较人工筛选有一定的速率提升,但针对不同的地域环境和探测设备需按经验进行调整,难以应对广域环境下粒子的复杂情况,包括但不限于表征云微物理过程的情况。
在深度学习冰雪晶粒子识别领域,一些先进方法采用嵌入超图卷积、超轻量子空间等技术以提高模型对于单个粒子的信息理解。具体而言,超图结构通过构建超边来表示像素点之间的复杂关系,使得模型不仅关注每个像素点周围的局部特征,还通过全局特征空间中的超边连接,捕捉到远端顶点之间的关系,从而获取更深层的特征信息。超轻量子空间策略巧妙地将特征图谱拆解为多尺度子空间,实施高效的多频度学习,有效缩减了计算资源消耗,提升了模型的运行效率。这些先进的技术已成功的集成到深度学习模型中,但仍存在下列问题:1、现阶段的方法集中于对单个冰雪晶粒子图像的形状识别,但自然环境下冰晶的生长往往存在粒子碰并、淞附等微物理现象,这些表征云微物理过程的云粒子图像往往包含多个粒子,通过现有模型无法对表征云微物理过程的云粒子图像进行精准识别。2、在自然界中,不同类型的冰雪晶粒子及其伴随的云微物理过程出现频率大相径庭,导致模型在学习过程中可能遭遇数据分布不均的问题。此外,不同类别粒子和微物理现象在视觉特征上的复杂性与辨识度各异,进一步加剧了模型特征学习的难度。
实现思路