Двумерный свёрточный фильтр подошёл бы (веса случайные, потом настраиваются при обучении. Обычно фильтр не один, а куча). Правда, на выходе матрица (на самом деле тензор, т.к. фильтров несколько, да и обучение идёт по минибатчу; ещё есть каналы (цвет), но, как я понял, это один канал - температура), но её можно разложить в вектор.