CN110618428A - 一种用于多普勒三维数据处理方法及软件 - Google Patents

一种用于多普勒三维数据处理方法及软件 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于多普勒三维数据处理方法及软件。所述用于多普勒三维数据处理方法，包括以下步骤：(一)采用稳健估算法对数据进行一次过滤；(二)使用三次样条插值法对剔除野点进行插值；(三)采用三维相空间法对数据进行二次过滤；(四)使用三次样条插值法对剔除野点进行插值。所述用于多普勒三维数据处理软件包括中位数计算模块、稳健中窗模块、野点赋值模块、非野点赋值模块、导数计算模块、相空间计算模块、运行模块。本发明通过优化耦合稳健估算法与三维相空间法，可进行三维同测且适用于野点含量高的数据，在避免迭代、降低过处理现象的同时提高野点检测精度，可应用于流体动力学实验中。

Description

一种用于多普勒三维数据处理方法及软件
技术领域
本发明涉及一种数据处理软件，尤其涉及一种用于多普勒三维数据处理方法及软件。
背景技术
声学多普勒流速仪是一种遥感三维速度传感器，可在三维空间中进行瞬时速度测量，由于其量程宽，反应快，方便易操作等优点，目前广泛应用于各种实验室或海洋，湖泊等野外水文实验中。声学多普勒流速仪及其他基于声学多普勒移频效应的流速测量装置受多普勒噪声影响，数据记录时会产生记录局外值(野点，outliers)。多普勒频移的原理为声波从运动物体反弹后经历与物体的速度成比例的相移。这种相移只能在+180°到-180°的范围内测量，任何超出此范围的偏移都会导致速度记录过程中出现记录局外值。因此，在进行数据分析前，需对数据进行野点检测及剔除。
现行的野点检测算法主要有三维相空间法，稳健估算法，小波滤波法，双变量核密度估算法，奇异频谱分析技术等。其中稳健估算法与相空间法是多普勒数据检测算法中最重要的两个方法。
三维相空间法运用了三维庞加莱图和相空间图的概念。在图中，变量，速度v与其一阶导数Δv，二阶导数Δ2v相互对立。变量与导数点通过全局阈值被构筑成椭球体，位于球体外部的点被视为野点。相空间法通过不断迭代，并收缩全局阈值进行野点检测，直到椭球体外野点个数为零。
稳健估算法利用估算定位值和尺度估算值标准化样本数据，通过对标准化后数据与所设定最小通过值的比较，进行数据中野点的检测。估算定位值即为样本数据的中位值，尺度估算值则是基于样本数据与其中位值的绝对偏差所产生的新的绝对偏差中位值(Median ofAbsolute Deviations，MAD)。当确定估算定位值和尺度估算值后，需划定检测阈值，超过检测阈值的点则视为野点。
相空间法主要缺点为过处理现象，即由于离散化，野点附近的一些有效数据点可能被错误地标记为野点并因此被剔除。另外，有学者指出相空间法适用于野点含量较少的实验室水流数据，当野点含量超过6.7％时，相空间法检测准确度下降。
稳健估算法中极值野点的存在会影响平均值和MAD两个参数从而使其检测阈值受极值野点影响。当存在与真实值差异较大的野点时，其平均值和MAD受野点影响，估算定位值向野点偏移并远离真实数据，尺度估算值增大，导致部分野点被视为真实数据而未检测出。
此外，上述两种方法仅适用于单维度流速数据检测，一般流速仪测得流速含有三个方向的速度分量，三个维度数据相互正交，任一维度数据受到影响，都应将与之关联的另两组数据进行删除。
发明内容
本发明针对上述问题，提出一种用于多普勒三维数据处理方法及软件，可进行三维同测且适用于野点含量高的数据，在避免迭代、降低过处理现象的同时提高野点检测精度，可应用于流体动力学实验中。
本发明具体采用如下技术方案：
本发明提供一种用于多普勒三维数据处理方法，包括以下步骤：
(一)采用稳健估算法对数据进行一次过滤，检测出野点，检测出的野点视为野点剔除；
(二)使用三次样条插值法对剔除野点进行插值；
(三)采用三维相空间法对数据进行二次过滤，检测出野点，检测出的野点视为野点剔除；
(四)使用三次样条插值法对剔除野点进行插值。
优选地，步骤(一)中所述的采用稳健估算法对数据进行一次过滤包括以下步骤：
(1)确定估算定位值，计算样本数据的中位数，若数据个数为奇数，中位数为位于数据中间的数，若数据个数为偶数，中位数为数据中间两个数的平均数；
(2)确定尺度估算值，计算样本数据的绝对偏差中位值，具体根据以下公式进行计算：
S＝1.483(medianj＝1，...，n|xj-mediani＝1，...，n(xi)|)
其中S为绝对偏差中位值；i为计算绝对偏差中位值时变量x的位置；i为第一次计算中位值时样本数据中变量x的位置；n为样本量；1.483为校正系数，使用校正系数的目的是使估计量与正态分布的一般尺度参数一致；
(3)根据标准化观测公式、样本数据中位数及绝对偏差中位值计算检测阈值；
(4)划定检测阈值：检测阈值|Zi|＞2.5的值被视为野点，标记，当数组中不含野点，且X为正态分布时，|Zi|＞2.5的可能性极小，因此将2.5作为截取值；
(5)计算动窗数据的中位数和绝对偏差中位值，根据设定窗口宽度W，样本量为L，数据x所在位置为i，若i≤L-(W-1)/2，计算1～W所有数据中位数及绝对偏差中位值；若i＞L-(W-1)/2，则计算W～L所有数据中位数及绝对偏差中位值；若(W-1)/2＜i≤L-(W-1)/2，则计算(W-1)/2～L-(W-1)/2所有数据中位数及绝对偏差中位值；
(6)根据标准化观测公式、动窗数据中位数及绝对偏差中位值计算检测阈值；
(7)划定检测阈值：检测阈值|Zi|＞2.5的值被视为野点，标记；
(8)同时被步骤(4)和步骤(7)标记为野点的数据被视为野点剔除；
(9)记录被剔除野点位置，数值及其关联维度数据值。
步骤(3)和步骤(6)中所述标准化观测值公式如下：
Zi＝(xi-T)/S
其中Zi为检测阈值，T为样本数据或动窗数据的中位数，S为样本数据或动窗数据的绝对偏差中位值。
优选地，步骤(三)中所述的采用三维相空间法对数据进行二次过滤包括以下步骤：
①计算经步骤(二)进行插值后的数据的一阶导数与二阶导数；
②根据数据个数N计算阈值范围：
其中λ为阈值范围，N为数据个数；
③根据数据及其一阶导数、二阶导数构筑椭球体，位于椭球体外的点被视为野点，剔除；
④记录被剔除野点位置，数值及其关联维度数据值。
本发明还提供了一种用于多普勒三维数据处理软件，包括中位数计算模块、稳健中窗模块、野点赋值模块、非野点赋值模块、导数计算模块、相空间计算模块、运行模块；
所述中位数计算模块用于中位数检测，若输入数据个数为奇数，中位数为位于数据中间的数，若输入数据个数为偶数，中位数为数据中间两个数的平均数。
所述稳健中窗模块用于采用稳健估算法和稳健中窗法检测野点。所述稳健估算法通过计算出的中位数计算其绝对偏差中位值，根据绝对偏差中位值计算检测阈值，检测阈值外的点被视为野点。所述稳健中窗法通过设定窗口宽度W，样本量为L，数据x所在位置为i，若i≤(W-1)/2，计算1～W所有数据中位数及绝对偏差中位值；若i＞L-(W-1)/2，则计算W～L所有数据中位数及绝对偏差中位值；若(W-1)/2＜i≤L-(W-1)/2，则计算(W-1)/2～L-(W-1)/2所有数据中位数及绝对偏差中位值。同时被稳健估算法及稳健中窗法判断为野点的数据被视为野点剔除。
所述野点赋值模块用于将检测出的野点赋值为NA值的公共函数，便于后续使用插值法代替。
所述非野点赋值模块用于将非野点的数据赋值为NA值的公共函数，便于后续输出被检测出野点。
所述导数计算模块用于计算输入数据的一阶及二阶导数。
所述相空间计算模块用于利用三维相空间法检测野点，三维相空间法通过调用导数计算模块计算输入数据的一阶导数和二阶导数，计算阈值范围，并构筑椭球体，位于椭球体外的点被视为野点剔除。
所述运行模块用于输入数据并调用各函数进行野点检测，并将运行结果数据输出至用户指定路径位置。
本发明一种用于多普勒三维数据处理方法及软件，所述用于多普勒三维数据处理方法采用稳健估算法与三维相空间法，可称为三维稳健相空间法，所述三维稳健相空间法通过优化耦合稳健估算法与三维相空间法，可进行三维同测且适用于野点含量高的数据，在避免迭代、降低过处理现象的同时提高野点检测精度，可应用于流体动力学实验中。
附图说明
图1为用于多普勒三维数据处理软件流程图；
图2为用于多普勒三维数据处理软件检测结果示意图。
具体实施方式
在本发明的一个实施例中，提供一种用于多普勒三维数据处理方法，包括以下步骤：
(1)使用R语言打开用于多普勒三维数据处理软件，设置待检测数据路径，设置窗口宽度，选择数据输出方式及输出路径，运行软件；
(2)软件读取待检测数据，对数据进行中位数检测，当数据个数为奇数，中位数为位于数据中间的数，当数据个数为偶数时，中位数为数据中间两个数的平均数；
(3)将数据排序，并与计算出的中位数相减，取相减后数据绝对值，并重新由小到大排序，排序后对新数据进行中位数检测，具体根据以下公式计算得出绝对偏差中位值：
S＝1.483(medianj＝1，...，n|xj-mediani＝1，...，n(xi)|)
其中S为绝对偏差中位值；j为计算绝对偏差中位值时变量x的位置；i为第一次计算中位值时样本数据中变量x的位置；n为样本量；1.483为校正系数；
(4)根据标准化观测公式、样本数据中位数及绝对偏差中位值计算检测阈值；
(5)划定检测阈值：检测阈值大于2.5的值被视为野点，标记；
(6)根据设定窗口宽度，计算数据所在动窗内中位数及绝对偏差中位值，举例说明，选取窗口宽度W为11，样本量为L为100，i为数据x所在位置，
若i≤(W-1)/2，即i≤5，则S＝1.483(medianj＝1，...，11|xj-mediani＝1，...，11(xi)|)；
若i＞L-(W-1)/2，即i＞95，则S＝1.483(medianj＝1，...11|xj-mediani＝90，...，100(xi)|)；
若5＜i≤95，则S＝1.483(medianj＝1，...，11|xj-mediani＝i-5，...，i+5(xi)|)；
(7)根据标准化观测公式、动窗数据中位数及绝对偏差中位值计算检测阈值；
(8)划定检测阈值：检测阈值大于2.5的值被视为野点，标记；
(9)同时被步骤(5)和步骤(8)标记为野点的数据被视为野点剔除；
(10)记录被剔除野点位置，数值及其关联维度数据值；
(11)使用三次样条插值法对剔除野点进行插值；
(12)计算经步骤(11)进行插值后的速度v的一阶导数Δv与二阶导数Δ2v；
(13)根据数据个数，计算阈值范围，按以下公式进行计算：
其中λ为阈值范围，N为数据个数；
(14)根据v，Δv，Δ2v，构建椭球体，其角度θ由速度v与二阶导数Δ2v计算得到，椭球的主轴与副轴由v，Δv，Δ2v计算得出，位于椭球体外的点被视为野点，剔除；
θ＝tan-1(∑vΔ2v/∑v2)
(λUσU)2＝a2cos2θ+b2sin2θ
(15)记录被剔除野点位置，数值及其关联维度数据值；
(16)使用三次样条插值法对剔除野点进行插值；
(17)完成检测。
步骤(4)和步骤(7)中所述标准化观测标准化观测公式如下：
Zi＝(xi-T)/S
其中Zi为检测阈值，T为样本数据或动窗数据的中位数，S为样本数据或动窗数据的绝对偏差中位值。
在本发明的另一个实施例中，提供一种用于多普勒三维数据处理软件，包括中位数计算模块、稳健中窗模块、野点赋值模块、非野点赋值模块、导数计算模块、相空间计算模块、运行模块；
所述中位数计算模块用于中位数检测，若输入数据个数为奇数，中位数为位于数据中间的数，若输入数据个数为偶数，中位数为数据中间两个数的平均数。
所述稳健中窗模块用于采用稳健估算法和稳健中窗法检测野点。稳健估算法通过计算出的中位数计算其绝对偏差中位值，根据绝对偏差中位值计算检测阈值，检测阈值外的点被视为野点。稳健中窗法通过设定窗口宽度W，样本量为L，数据x所在位置为i，若i≤(w-1)/2，计算1～W所有数据中位数及绝对偏差中位值；若i＞L-(w-1)/2，则计算w～L所有数据中位数及绝对偏差中位值；若(w-1)/2＜i≤L-(w-1)/2，则计算(w-1)/2～L-(w-1)/2所有数据中位数及绝对偏差中位值；同时被稳健估算法及稳健中窗法判断为野点的数据则被视为野点剔除。
所述野点赋值模块用于将检测出的野点赋值为NA值的公共函数，便于后续使用插值法代替。
所述非野点赋值模块用于将非野点的数据赋值为NA值的公共函数，便于后续输出被检测出野点。
所述导数计算模块用于计算输入数据的一阶及二阶导数。
所述相空间计算模块用于利用三维相空间法检测野点，三维相空间法通过调用导数计算模块计算输入数据的一阶导数和二阶导数，计算阈值范围，并构筑椭球体，位于椭球体外的点被视为野点剔除。
所述运行模块用于输入数据并调用各函数进行野点检测，并将运行结果数据可输出至用户指定路径位置。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种用于多普勒三维数据处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
(一)采用稳健估算法对数据进行一次过滤，检测出野点，检测出的野点视为野点剔除；
(二)使用三次样条插值法对剔除野点进行插值；
(三)采用三维相空间法对数据进行二次过滤，检测出野点，检测出的野点视为野点剔除；
(四)使用三次样条插值法对剔除野点进行插值。
2.根据权利要求1所述的用于多普勒三维数据处理方法，其特征在于，步骤(一)中所述的采用稳健估算法对数据进行一次过滤包括以下步骤：
(1)确定估算定位值，计算样本数据的中位数，若数据个数为奇数，中位数为位于数据中间的数，若数据个数为偶数，中位数为数据中间两个数的平均数；
(2)确定尺度估算值，计算样本数据的绝对偏差中位值，具体根据以下公式进行计算：
S＝1.483(medianj＝1，...，n|xj-mediani＝1，...，n(xi)|)
其中S为绝对偏差中位值；j为计算绝对偏差中位值时变量x的位置；i为第一次计算中位值时样本数据中变量x的位置；n为样本量；1.483为校正系数；
(3)根据标准化观测公式、样本数据中位数及绝对偏差中位值计算检测阈值；
(4)划定检测阈值：检测阈值|Zi|＞2.5的值被视为野点，标记；
(5)计算动窗数据的中位数和绝对偏差中位值；
(6)根据标准化观测公式、动窗数据中位数及绝对偏差中位值计算检测阈值；
(7)划定检测阈值：检测阈值|Zi|＞2.5的值被视为野点，标记；
(8)同时被步骤(4)和步骤(7)标记为野点的数据被视为野点剔除；
(9)记录被剔除野点位置，数值及其关联维度数据值。
3.根据权利要求2所述的用于多普勒三维数据处理方法，其特征在于，所述步骤(5)中根据设定窗口宽度W，样本量为L，数据x所在位置为i，若i≤L-(W-1)/2，计算1～W所有数据中位数及绝对偏差中位值；若i＞L-(W-1)/2，则计算W～L所有数据中位数及绝对偏差中位值；若(W-1)/2＜i≤L-(W-1)/2，则计算(W-1)/2～L-(W-1)/2所有数据中位数及绝对偏差中位值。
4.根据权利要求2所述的用于多普勒三维数据处理方法，其特征在于，步骤(3)和步骤(6)所述的标准化观测公式如下：
Zi＝(xi-T)/S
其中Zi为检测阈值，T为样本数据或动窗数据的中位数，S为样本数据或动窗数据的绝对偏差中位值。
5.根据权利要求1所述的用于多普勒三维数据处理方法，其特征在于，步骤(三)中所述的采用三维相空间法对数据进行二次过滤包括以下步骤：
①计算经步骤(二)进行插值后的数据的一阶导数与二阶导数；
②根据数据个数N计算阈值范围：
其中λ为阈值范围，N为数据个数；
③根据数据及其一阶导数、二阶导数构筑椭球体，位于椭球体外的点被视为野点，剔除；
④记录被剔除野点位置，数值及其关联维度数据值。
6.一种用于多普勒三维数据处理软件，其特征在于，包括中位数计算模块、稳健中窗模块、野点赋值模块、非野点赋值模块、导数计算模块、相空间计算模块、运行模块；
所述中位数计算模块用于中位数检测；
所述稳健中窗模块用于采用稳健估算法和稳健中窗法检测野点；
所述野点赋值模块用于将检测出的野点赋值为NA值的公共函数，后续使用插值法代替；
所述非野点赋值模块用于将非野点的数据赋值为NA值的公共函数，后续输出被检测出野点；
所述导数计算模块用于计算输入数据的一阶及二阶导数；
所述相空间计算模块用于利用三维相空间法检测野点，三维相空间法通过调用导数计算模块计算输入数据的一阶导数和二阶导数，计算阈值范围，并构筑椭球体，位于椭球体外的点被视为野点剔除；
所述运行模块用于输入数据并调用各函数进行野点检测，并将运行结果数据输出至用户指定路径位置。
7.根据权利要求6所述的用于多普勒三维数据处理软件，其特征在于，所述中位数检测中，若输入数据个数为奇数，中位数为位于数据中间的数，若输入数据个数为偶数，中位数为数据中间两个数的平均数。
8.根据权利要求6所述的用于多普勒三维数据处理软件，其特征在于，所述稳健估算法通过计算出的中位数计算其绝对偏差中位值，根据绝对偏差中位值计算检测阈值，检测阈值外的点被视为野点。
9.根据权利要求6所述的用于多普勒三维数据处理软件，其特征在于，所述稳健中窗法通过设定窗口宽度W，样本量为L，数据x所在位置为i，若i≤(W-1)/2，计算1～W所有数据中位数及绝对偏差中位值；若i＞L-(W-1)/2，则计算W～L所有数据中位数及绝对偏差中位值；若(W-1)/2＜i≤L-(W-1)/2,则计算(W-1)/2～L-(W-1)/2所有数据中位数及绝对偏差中位值。
10.根据权利要求6所述的用于多普勒三维数据处理软件，其特征在于，同时被稳健估算法及稳健中窗法判断为野点的数据被视为野点剔除。
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