Assimilation of Images via Dictionary Learning-Based Sparsity Regularization Strategy: An Application for Retrieving Fluid Flows

正规化(语言学) 欠定系统 黑森矩阵 数学 算法 反问题 符号 应用数学 计算机科学 人工智能 数学分析 算术
作者
Long Li,Jianwei Ma,François-Xavier Le Dimet,Arthur Vidard
出处
期刊:IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:60: 1-20 被引量:1
标识
DOI:10.1109/tgrs.2021.3110799
摘要

In this work, we propose a structure sparsity regularization strategy in the framework of 4-D variational data assimilation (4-D Var). In meteorology and oceanography, the number of unknown model variables is far fewer than that of image observations, often leading to solve an underdetermined nonlinear inverse problem. In recent years, the $\ell ^{1}$ -norm-based sparsity regularization approach has attracted great attention in the field of 4-D Var because of its data structure preservation and noise suppression. To avoid little underlying physical priors considered, we introduce a widely used dictionary learning (DL) method to adaptively derive an efficient sparse approximation via learning a basis from a given dataset. For our target application of estimating sea surface flows, we consider a DL sparsity constraint on the variable of flow vorticity due to its rich spatial variation related to flows evolution. A novel anisotropic regularization method combined with fluid dynamics characteristics could overcome magnitude underestimation and staircase artifacts appearing in the gradient regularization-based 4-D Var method. The split Bregman iteration with fast convergence property is employed to solve the $\ell ^{1}+\ell ^{2}$ nonsmooth minimization problem. The promising fluid flows estimation performance in real test cases (assimilation of image sequences collected from CORIOLIS experimental turntable) demonstrates the efficiency of our approach.
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