Atmospheric processes involve both space and time. This is why human analysis of atmospheric imagery can often extract more information from animated loops of image sequences than from individual images. Automating such an analysis requires the ability to identify spatio-temporal patterns in image sequences which is a very challenging task, because of the endless possibilities of patterns in both space and time. In this paper we review different concepts and techniques that are useful to extract spatio-temporal context specifically for meteorological applications. In this survey we first motivate the need for these approaches in meteorology using two applications, solar forecasting and detecting convection from satellite imagery. Then we provide an overview of many different concepts and techniques that are helpful for the interpretation of meteorological image sequences, such as (1) feature engineering methods to strengthen the desired signal in the input, using meteorological knowledge, classic image processing, harmonic analysis and topological data analysis (2) explain how different convolution filters (2D/3D/LSTM-convolution) can be utilized strategically in convolutional neural network architectures to find patterns in both space and time (3) discuss the powerful new concept of 'attention' in neural networks and the powerful abilities it brings to the interpretation of image sequences (4) briefly survey strategies from unsupervised, self-supervised and transfer learning to reduce the need for large labeled datasets. We hope that presenting an overview of these tools - many of which are underutilized - will help accelerate progress in this area.


翻译:大气过程涉及空间和时间。这就是为什么人类对大气图像的分析往往能够从图像序列动画环绕中而不是从单个图像中获取更多信息的原因。 自动化分析要求有能力在图像序列中查明空间-时空模式,因为空间和时间模式的可能性无穷无尽。 在本文件中,我们审查不同的概念和技术,这些概念和技术对提取晶片-时空环境特别用于气象应用有用。 在本次调查中,我们首先利用太阳预报和从卫星图像中探测对流这两个应用的气象学方法的需要。 然后,我们提供有助于解释气象图像序列的许多不同概念和技术的概览,例如(1) 利用气象知识、经典图像处理、调控分析以及地形数据分析,加强投入中所需的信号的特征工程方法。 解释如何在进化网络中战略性地利用不同的变影过滤器(2D/3D/LSTM- Convoluction)来寻找空间和时间的形态。 (3) 讨论“保留”的强势新概念,以便解释气象图像序列的简单概念。 (4) 在轨迹观测中,我们需要更快地进行自我解读的大规模分析。

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