A diffusion model for geophysical data reconstruction

Rovšček, Grega (avtor), Kristan, Matej (mentor), Ličer, Matjaž (komentor)

Sea surface temperature (SST) plays a crucial role in the regulation of ocean-atmosphere interactions. However, satellite-derived SST observations are frequently incomplete due to cloud cover and other limitations. We present DIRECT, a diffusion-based generative model for reconstructing SST fields from partially observed satellite measurements. Unlike deterministic approaches such as CRITER and DINCAE2, DIRECT leverages the generative nature of diffusion models to produce multiple plausible reconstructions for a single input. The model combines a FiLM-modulated U-Net architecture with flow matching and introduces a input rectification, injecting visible values and masking land regions to anchor the generative process. Evaluated on Mediterranean, Adriatic, and Atlantic datasets, DIRECT reduces reconstruction error in missing regions by 8%, 14%, and 6%, respectively, compared to the most recent CRITER, thus setting a new state-of-the-art. We also propose a sequential extension, DIRECT_SEQ, which further refines auxiliary context and improves these reductions to 14%, 17%, and 6%. Furthermore, DIRECT maintains strong performance across a wide range of cloud coverage levels, demonstrating robustness in both sparse and highly occluded conditions, highlighting the potential of diffusion models in geophysical reconstruction tasks.

• Jezik: Angleški jezik
• Ključne besede: reconstruction of geophysical data, diffusion models, sea surface temperature
• Vrsta gradiva: Magistrsko delo/naloga
• Tipologija: 2.09 - Magistrsko delo
• Organizacija: FRI - Fakulteta za računalništvo in informatiko
• Leto izida: 2025
• PID: 20.500.12556/RUL-174268
• COBISS.SI-ID: 255197955
• Datum objave v RUL: 30.09.2025

Sekundarni jezik

• Jezik: Slovenski jezik
• Naslov: Difuzijski model za rekonstrukcijo geofizikalnih podatkov

Izvleček

Temperatura morske površine (SST) igra ključno vlogo pri uravnavanju interakcij med oceanom in ozračjem, saj vpliva na vremenske vzorce, izmenjavo toplote in podnebno spremenljivost. Vendar pa so satelitsko izmerjeni podatki SST pogosto nepopolni zaradi oblačnosti in drugih omejitev. V tem delu predlagamo metodo DIRECT, novi generativni model na osnovi difuzije za rekonstrukcijo polj SST iz delnih satelitskih meritev. Za razliko od determinističnih pristopov DIRECT izkorišča generativno naravo difuzijskih modelov za ustvarjanje več možnih rekonstrukcij iz enega samega vhodnega vzorca. Arhitektura je bazirana na arhitekturi U-Net z modulacijo FiLM in vključuje popravek vhoda, kjer vnesemo vidne vrednosti in maskiramo kopenske regije. Eksperimenti na treh podatkovnih zbirkah Sredozemlja, Jadrana in Atlantika, pokažejo, da DIRECT zmanjša napako rekonstrukcije na manjkajočih območjih za 8%, 14% in 6% v primerjavi z najmodernejšim modelom CRITER in tako postavlja novo stanje tehnike. Predlagamo tudi zaporedno razširitev DIRECT_SEQ, ki dodatno izboljša kontekst sosednjih dni in zniža napako na 14%, 17% in 6%. Poleg tega DIRECT ohranja visoko natančnost pri različnih stopnjah oblačnosti, kar kaže na robustnost in potencial difuzijskih modelov za rekonstrukcijo geofizikalnih podatkov.

• Ključne besede: rekonstrukcija geofizikalnih podatkov, difuzijski modeli, temperatura morske gladine