Advanced satellite-born remote sensing instruments produce high-resolution multi-spectral data for much of the globe at a daily cadence. These datasets open up the possibility of improved understanding of cloud dynamics and feedback, which remain the biggest source of uncertainty in global climate model projections. As a step towards answering these questions, we describe an automated rotation-invariant cloud clustering (RICC) method that leverages deep learning autoencoder technology to organize cloud imagery within large datasets in an unsupervised fashion, free from assumptions about predefined classes. We describe both the design and implementation of this method and its evaluation, which uses a sequence of testing protocols to determine whether the resulting clusters: (1) are physically reasonable, (i.e., embody scientifically relevant distinctions); (2) capture information on spatial distributions, such as textures; (3) are cohesive and separable in latent space; and (4) are rotationally invariant, (i.e., insensitive to the orientation of an image). Results obtained when these evaluation protocols are applied to RICC outputs suggest that the resultant novel cloud clusters capture meaningful aspects of cloud physics, are appropriately spatially coherent, and are invariant to orientations of input images. Our results support the possibility of using an unsupervised data-driven approach for automated clustering and pattern discovery in cloud imagery.


翻译:高级卫星诞生的遥感仪器在每天的氛围中为全球大部分地区提供高分辨率多光谱数据。这些数据集打开了更好地了解云层动态和反馈的可能性,云层动态和反馈仍是全球气候模型预测中最大的不确定性来源。作为回答这些问题的一个步骤,我们描述了一种自动旋转变化云集(RIC)方法,它利用深层学习自动编码技术,在不考虑预先界定的类别的情况下,以不受监督的方式,在大型数据集中以不经过监督的方式组织云层图像。我们描述了这种方法的设计和实施及其评估,它使用一系列测试协议来确定所产生的云层组:(1) 物理上是否合理,(即体现与科学相关的区别);(2) 获取空间分布的信息,如质谱;(3) 具有凝聚力和可分离的空间;(4) 以旋转方式,(即对图像的方向敏感),在不预先界定的类别中进行这些评价协议的结果表明,由此产生的云层群群收集云层物理学的有意义的方面,在空间上具有适当的一致性,并且利用我们图像的自动定位定位,在图像的生成中,以不易变的图像定位方式支持。

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