[0001] 本发明涉及海洋灾害数据处理技术领域，尤其涉及基于遥感监测的海洋灾害数据处理方法。

[0002] 近年来，随着气候变化和人类活动的增加，海洋灾害的频发性和破坏力显著提升，如海啸、风暴潮和赤潮等，这些灾害不仅对沿海地区的生态环境造成巨大破坏，还严重威胁到当地居民的生命财产安全，传统的海洋灾害监测方法主要依赖地面站和船舶观测，这些方法在空间覆盖和实时性方面存在较大局限，此外，现有的一些遥感监测技术虽然在一定程度上提高了数据收集的效率，但在数据处理和灾害预测的准确性方面仍存在明显不足。

[0003] 现有技术主要面临以下几个难题：首先，数据收集手段单一，无法全面捕捉海洋环境的多维度信息；其次，数据处理和分析方法缺乏智能化，无法实时识别和预测海洋环境中的微小变化；最后，预警信息发布渠道有限，信息的传递速度和覆盖范围不够，无法及时有效地通知受影响区域的居民和相关部门。

[0004] 因此，迫切需要一种基于遥感监测的综合性海洋灾害数据处理方法，能够实现多源数据的实时收集、高效处理和精准预测，并通过多渠道快速发布预警信息，以提高灾害响应的及时性和准确性，减少灾害带来的损失。

[0020] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进一步详细说明。

[0021] 如图1‑图2所示，基于遥感监测的海洋灾害数据处理方法，包括以下步骤：S1：通过配置在卫星上的多模态传感器系统，包括合成孔径雷达(SAR)、红外热像仪及高解析光学成像仪，同步收集关于海洋温度、盐度、海面高度及海洋表层生物活动的数据；
S2：在卫星上应用边缘计算技术对S1中收集的数据进行初步处理，包括数据压缩和特征提取，以优化数据传输效率和减少传输时延；
S3：将S2中处理后的数据通过卫星通信系统实时传输到地面处理中心，传输过程使用区块链技术以确保数据的安全和完整；
S4：在地面处理中心使用预设的深度学习模型对S3接收到的数据进行高级分析，以识别和预测海洋环境中的微小变化；
S5：结合历史灾害数据和S4的分析结果，通过改进的贝叶斯网络模型预测未来48小时内的灾害风险，并将风险分级进行表示；
S6：根据S5的预测结果，自动生成并发布预警信息，包括灾害类型、受影响区域、预计影响程度及建议防范措施，同时通过地理信息系统(GIS)进行结果的可视化处理，确保信息的快速传达与决策支持。

[0022] S1具体包括：S11：在卫星上配置合成孔径雷达（SAR），用于收集海面高度数据，该合成孔径雷达通过发射微波并接收其回波，计算微波的往返时间，从而精确测量海面的起伏变化，用于海洋灾害如海啸或风暴潮的监测；
S12：同时配置红外热像仪，用于测量海洋表面温度，红外热像仪捕捉海面发出的红外辐射，根据辐射强度来估算温度，该数据对于分析海洋暖流、洋流变化及其对气候的影响至关重要。

[0023] S13：配置高解析光学成像仪，用于监测海洋盐度及表层生物活动，通过分析从海洋表层反射的光的光谱特性，能推断出盐度的变化及藻类生物的分布情况，这对于评估生态系统健康和生物多样性具有重要意义；S14：上述传感器系统通过高速数据处理器同步处理收集到的数据，并通过卫星上的时间同步系统确保数据的时间标签准确无误，以支持后续数据的精确分析和实时监测；
上述步骤不仅提高了数据收集的精度和范围，还确保了数据的实时性和可靠性，对于快速响应海洋灾害提供了支持，通过这种方式，可以大大增强海洋灾害预警和研究的能力，减少灾害造成的损失，并为科学研究提供高质量的数据。

[0024] S2具体包括：S21：在卫星上配置边缘计算单元，该单元包括多核处理器和专用的人工智能加速芯片，用于处理S1中收集的多模态传感器数据；
S22：对SAR收集的海面高度数据进行初步处理，具体采用分块压缩算法将原始数据按海域分块压缩，减少数据冗余，保证数据传输的效率和有效性，压缩过程中保留的特征，包括海面高度的变化幅度和频率；
S23：对红外热像仪收集的海洋表面温度数据进行特征提取，具体使用卷积神经网络（CNN）模型从温度图像中提取特征，包括温度梯度、异常温升区域，为后续的深度学习分析提供精简且有用的数据；
S24：对高解析光学成像仪收集的盐度和生物活动数据进行光谱分析，利用快速傅里叶变换（FFT）方法提取反射光谱中的频段信息，以识别盐度变化和生物活动的高频特征，为后续分析奠定基础；
S25：将S22、S23和S24中处理后的数据进行整合，并通过数据压缩算法将压缩，生成待传输的数据包；通过在卫星上应用上述边缘计算技术，可以显著提升数据处理和传输的效率，减少地面处理中心的负担，同时确保关键数据的完整性和实用性，这种方法增强了实时监测能力，提高了海洋灾害数据处理系统的整体性能。

[0025] S3具体包括：S31：在卫星通信系统中配置数据传输模块，数据传输模块包括高速数据调制解调器和加密芯片，用于处理S2生成的数据包；
S32：使用高效数据调制解调器将数据包转换为适合卫星通信的信号格式，并通过卫星天线发送至地面接收站，在传输过程中，利用数据链路层协议确保数据包的顺序和完整；
S33：在传输过程中，应用区块链技术对数据包进行安全保护，具体在数据包生成和发送之前，通过哈希函数生成每个数据包的唯一哈希值，并将哈希值存储在区块链的分布式账本中，确保每个数据包在接收时，地面处理中心都能通过对比哈希值来验证数据包的完整和未被篡改；
S34：在地面接收站，配置与卫星通信模块兼容的接收设备，用于接收从卫星传输的数据包，并将其解调回原始数据格式，接收设备同时包括区块链节点，能够实时验证每个数据包的哈希值；
S35：最后当地面处理中心接收到完整的数据包并验证其完整和安全后，将数据包存储在本地数据存储系统中，准备进行后续的深度分析和处理；通过上述步骤，确保了S2步骤中处理后的数据包在传输过程中安全且无误，利用区块链技术保证了数据传输的安全性和完整性，防止数据包被篡改或丢失，提供了一个可靠的实时数据传输机制。

[0026] S4具体包括：S41：在地面处理中心配置高性能计算集群，该集群包括多台服务器和图形处理单元（GPU），用于运行预设的深度学习模型，深度学习模型已针对海洋环境数据进行了训练；
S42：将S3接收到并验证的数据包导入深度学习模型的输入接口，深度学习模型包括多个卷积神经网络（CNN）层和循环神经网络（RNN）层，用于处理不同类型的数据特征；具体在卷积神经网络层中，应用卷积操作提取海洋温度、盐度、海面高度和生物活动数据中的空间特征；该特征包括海面温度梯度、盐度分布模式、海面高度变化及生物活动的时空分布；在循环神经网络（RNN）层中，处理从卷积神经网络层提取的特征，分析数据的时间序列变化，循环神经网络层能够捕捉数据中的时间依赖关系，包括温度和盐度的周期性变化及海洋环境的短期波动；
S43：综合卷积神经网络层和循环神经网络层的输出，深度学习模型将生成多维度的特征向量，用于表示海洋环境的当前状态，并通过对比实时数据和历史数据，以识别出海洋环境中的微小变化；通过在地面处理中心使用高性能计算集群和预设的深度学习模型，能够高效地对海洋环境数据进行高级分析，精确识别和预测微小的环境变化，结合卷积神经网络和循环神经网络的优势，模型能够捕捉海洋数据的空间和时间特征，显著提高了灾害预警的准确性和实时性，增强了对海洋灾害的响应能力。

[0027] S43具体包括：S431：将卷积神经网络层的输出特征图进行降维操作，得到空间特征向量，具体先假设卷积神经网络层的输出为三维张量 ，其维度为： ，其中，H表示特征图的高度，W表示特征图的宽度，C表示特征图的通道数，通过全局平均池化层
(GlobalAveragePooling,GAP)将其降维为一维向量 ，公式为：
，其中， 表示特征图在位置
处的所有通道值；
S432：将循环神经网络(RNN)层的输出序列进行时间聚合操作，得到时间特征向量，先假设循环神经网络层的输出为时间序列矩阵 ，其维度为： ，其中，T表示时间步数，D表示每个时间步的特征维度；接着通过长短期记忆网络(LSTM)的最后一个隐藏状态 作为时间特征向量 ，公式为： ，其中 是在时间步t的最后一
个隐藏状态，表示时间序列数据的整体特征；
S433：将空间特征向量 和时间特征向量 进行拼接，形成一个综合
特征向量 ，拼接操作公式为： ，其中， 表示向量拼接
操作，生成的 维度为 ；
S434：通过全连接层(Fully Connected Layer,FC)对综合特征向量 进行
处理，生成最终的多维度特征向量 ，用于表示海洋环境的当前状态，公式为：
，其中，W是权重矩阵，维度为 ，b是偏置向量，维度为
F； 是激活函数，F表示最终特征向量的维度；
S435：将最终的多维度特征向量 与历史数据特征向量 进行对比，
计算两个向量之间的差异度，公式为：
，其中， 表示历史数据的特征向量，
表示欧氏距离，用于量化当前状态与历史数据之间的差异；
S436：基于计算得到的差异度 ，设定阈值 来判断是否存在微小变化，当
时，则判定为存在显著变化；通过上述详细的特征向量生成和对比步骤，利用卷积神经网络和循环神经网络提取的空间和时间特征，生成准确表示海洋环境当前状态的多维度特征向量，并通过对比实时数据和历史数据，能够有效识别出海洋环境中的微小变化，从而提高海洋灾害预警的准确性和响应速度，确保及时采取相应的防范措施。

[0028] S5具体包括：S51：在地面处理中心配置改进的贝叶斯网络模型，该改进的贝叶斯网络模型预先训练以包含历史灾害数据和相关环境特征，模型结构中包括节点和边，节点表示不同的环境变量，边表示变量之间的条件依赖关系；
S52：将S4中生成的当前海洋环境的多维度特征向量 输入到贝叶斯网络模型中，通过更新节点的概率分布，并结合当前特征和历史数据，计算各个节点的条件概率；
S53：根据贝叶斯网络模型的输出，预测未来48小时内的灾害风险，生成每个灾害类型的概率分布，高概率的灾害类型被标记为潜在风险；
S54：将潜在灾害风险进行分级表示，根据模型输出的概率值，具体将风险划分为不同等级，包括低风险、中等风险和高风险。

[0029] S51具体包括：S511：先在地面处理中心配置高性能计算集群，用于构建和训练贝叶斯网络模型，计算集群包括多台服务器和高效并行处理单元（如GPU），以确保模型训练和推断的效率；
S512：构建贝叶斯网络模型，定义模型的节点和边，节点表示不同的环境变量，包括海洋温度、盐度、海面高度和生物活动；边表示变量之间的条件依赖关系，模型的初始结构通过专家知识和历史数据进行设计；
S513：为每个节点定义条件概率表(CPT)，具体对于节点海洋温度T的条件概率表，用于表示海洋温度在不同环境条件下的概率分布，表示为 ，其中， 表示节点T的父节点集合，条件概率表通过统计历史数据来估计；
S514：使用最大期望（EM）算法对贝叶斯网络模型进行参数估计，最大期望算法在给定初始参数和数据的情况下，通过迭代优化参数，最大化观测数据的似然函数，迭代过程包括期望步骤（E‑step）和最大化步骤（M‑step）；期望步骤用于计算给定当前参数下未观测变量的期望值；最大化步骤用于更新参数，使得在期望步骤中计算的期望值下，似然函数达到最大；
S515：最后对模型进行交叉验证，通过将历史数据分成训练集和验证集，评估模型的预测性能，交叉验证有助于调整模型结构和参数，避免过拟合；通过在地面处理中心配置和训练改进的贝叶斯网络模型，可以精确构建环境变量之间的条件依赖关系，并通过历史数据的统计和优化，提升模型的预测准确性和可靠性，利用高性能计算集群和最大期望算法，确保了模型训练的效率和效果，为后续灾害风险的准确预测奠定了坚实基础。

[0030] S53具体包括：S531：先从贝叶斯网络模型中获取当前海洋环境的多维度特征向量 ，该特征向量包括海洋温度T、盐度S、海面高度H和生物活动B的当前状态；
S532：利用贝叶斯网络模型对每个灾害类型的条件概率进行计算，预设灾害类型包括海啸 、风暴潮 和赤潮 ，贝叶斯网络模型通过以下公式计算每个灾害类型的条件概率： ，其中 是灾害类型 的先验概率，
是在灾害类型 下当前环境特征 的条件概率， 是当前环
境特征 的边缘概率；
S533：通过贝叶斯推断计算每个灾害类型的条件概率分布，预设贝叶斯网络模型已知节点和边的条件概率表，使用贝叶斯公式结合当前特征向量 更新各个节点的概率分布；
S534：对于每个灾害类型，计算其未来48小时内的发生概率，具体利用动态贝叶斯网络（DBN)，将时间序列数据扩展为多个时间切片，通过前向算法(ForwardAlgorithm)进行概率推 断，具体公 式为： ；其中 ，
表示在时间 灾害类型 的概率， 表示时间 的灾害类型
, 表示时间t的灾害类型 , 表示在时间t灾害类型 下时间 灾害类型
的条件概率， 表示当前环境特征 下时间t灾害类型 的条件概
率；
S535：根据计算结果，生成每个灾害类型的概率分布图，用于显示不同灾害类型在未来48小时内的发生概率，并通过概率值高低标记潜在风险，以支持决策和预警发布；通过上述步骤，利用贝叶斯网络模型进行概率计算和推断，可以准确预测未来48小时内的灾害风险，通过动态贝叶斯网络对时间序列数据进行扩展和推断，提高了预测的时间精度和可靠性，生成的概率分布图直观地显示了各类灾害的潜在风险，为决策者提供了重要的参考依据，有助于提前采取防范措施，减少灾害带来的损失。

[0031] S6具体包括：S61：收集并整合S5步骤中贝叶斯网络模型的预测结果，确定每个灾害类型的发生概率和风险等级，包括海啸、风暴潮和赤潮；
S62：根据预测结果，自动生成预警信息，预警信息包括灾害类型、受影响区域、预计影响程度以及建议防范措施；其中，灾害类型用于明确灾害的具体类型，包括海啸、风暴潮或赤潮；受影响区域基于模型预测的地理范围，用于标识潜在受灾的具体区域；预计影响程度是根据灾害类型和发生概率，评估影响程度，影响程度划分为低、中、高三级风险；建议防范措施用于提供针对每种灾害类型的具体防范建议，包括疏散路径、避难所位置和防护措施；
S63：将生成的预警信息输入到地理信息系统中，进行结果的可视化处理，具体步骤包括：
首先，将预警信息转换为地理信息系统兼容的数据格式，包括地理坐标、区域多边形和风险等级属性；
然后：在地理信息系统平台上绘制受影响区域的地图，使用不同颜色和标记表示不同的灾害类型和风险等级；
最后：结合实时监测数据和预测结果，动态更新地图信息，确保预警信息的及时性和准确性；
S64：通过多渠道发布预警信息，确保信息广泛传播，多渠道包括移动应用、社交媒体；通过上述步骤，能够自动生成并发布详细的预警信息，包括灾害类型、受影响区域、预计影响程度及建议防范措施，同时，利用地理信息系统（GIS）进行结果的可视化处理，使预警信息更加直观和易于理解，多渠道的信息发布确保了预警信息的广泛传播和及时传达，为公众和决策者提供了可靠的参考依据，有助于迅速采取有效的防范措施，减少灾害造成的损失。