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Erschienen in: Earth Science Informatics 4/2023

06.10.2023 | Research

New approaches to improve nearest neighbors (NN) search in ionospheric simulation system

verfasst von: Telmo dos Santos Klipp, Adriano Petry, Rhauani Weber Aita Fazul, Lucas Ferreira da Silva, Iago da Cunha Corrêa, Andrea Schwertner Charão, André Grahl Pereira

Erschienen in: Earth Science Informatics | Ausgabe 4/2023

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Abstract

This work is related to the Earth’s ionosphere simulation and prediction system developed in the Brazilian Space Weather program, which process a large number of data to provide total electron content (TEC) maps. We present improvements to the task of finding nearest neighbors for the interpolation method at homogeneous grid locations, which demands an important computational cost. Simulation points generated by 73 parallel executions of a physical-mathematical ionosphere model are used. The proposed approach is based on a custom code optimization and a variable reduction of the search space considering geographic information. We tested a different number of neighbors and geographic longitude ranges, using available libraries for approximate nearest neighbor (ANN), fast library for approximate nearest neighbor (FLANN) and a fast \(\varvec{K}\) Nearest Neighbors library for low-dimensional spaces (libnabo) in an ionosphere global simulation. Experiments have shown the proposed approach progressively overcomes the libraries’ best solution as the number of neighbors increases. The speedup was significantly improved for the majority of the scenarios tested. The approach was able to reduce processing time in low and mid-latitudes, while providing close-to-zero errors. On the other hand, errors are noticed at higher latitudes, especially near the poles where geomagnetic field lines converge, or the ionospheric model is unable to provide sufficient estimates.

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Literatur
Zurück zum Zitat Bailey G (1996) A low latitude ionosphere-plasmasphere model. Handbook of Ionospheric Models, Solar-Terrestrial Energy Program Bailey G (1996) A low latitude ionosphere-plasmasphere model. Handbook of Ionospheric Models, Solar-Terrestrial Energy Program
Zurück zum Zitat Elseberg J, Magnenat S, Siegwart R et al (2012) Comparison of nearest-neighbor-search strategies and implementations for efficient shape registration. J Softw Eng Robot 3(1):2–12 Elseberg J, Magnenat S, Siegwart R et al (2012) Comparison of nearest-neighbor-search strategies and implementations for efficient shape registration. J Softw Eng Robot 3(1):2–12
Zurück zum Zitat Muja M, Lowe DG (2009) Fast approximate nearest neighbors with automatic algorithm configuration. In: Ranchordas A, Araújo H (eds) VISAPP 2009- Proceedings of the Fourth International Conference on Computer Vision Theory and Applications, Lisboa, Portugal, February 5-8, 2009 - Volume 1. INSTICC Press, pp 331–340 Muja M, Lowe DG (2009) Fast approximate nearest neighbors with automatic algorithm configuration. In: Ranchordas A, Araújo H (eds) VISAPP 2009- Proceedings of the Fourth International Conference on Computer Vision Theory and Applications, Lisboa, Portugal, February 5-8, 2009 - Volume 1. INSTICC Press, pp 331–340
Zurück zum Zitat Shepard D (1968) A two-dimensional interpolation function for irregularly-spaced data. In: Proceedings of the 1968 23rd ACM national conference, pp 517–524 Shepard D (1968) A two-dimensional interpolation function for irregularly-spaced data. In: Proceedings of the 1968 23rd ACM national conference, pp 517–524
Metadaten
Titel
New approaches to improve nearest neighbors (NN) search in ionospheric simulation system
verfasst von
Telmo dos Santos Klipp
Adriano Petry
Rhauani Weber Aita Fazul
Lucas Ferreira da Silva
Iago da Cunha Corrêa
Andrea Schwertner Charão
André Grahl Pereira
Publikationsdatum
06.10.2023
Verlag
Springer Berlin Heidelberg
Erschienen in
Earth Science Informatics / Ausgabe 4/2023
Print ISSN: 1865-0473
Elektronische ISSN: 1865-0481
DOI
https://doi.org/10.1007/s12145-023-01105-5

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