星载合成孔径雷达北极海冰覆盖观测

正海冰是北极变化的"指示器"。准确的海冰覆盖信息对于北极环境与气候变化认知、极地航行安全保障等方面具有重要作用。星载合成孔径雷达(Synthetic aperture radar,SAR)以全天候、全天时和高空间分辨率的特点,在极地海冰观测展示了突出优势。前期针对高分3号SAR数据,我们建立了基于支持     

基于多处理板联合SAR成像的分布式计算模拟系统研究

合成孔径雷达（SAR）卫星的探测范围有限,全轨利用率不高,并且单个卫星的计算和存储资源有限,难以完成大量的星载合成孔径雷达数据处理。本文拟采用多处理板联合的数据处理方法,针对星上分布式计算构建一种模拟系统,以提高星上数据处理效率,验证多处理板联合的数据处理方法在高效利用卫星计算与存储资源、提升单个卫星全轨利用率等方面的优点。本系统基于距离多普勒（range Doppler,RD）成像算法的多卫星分布式SAR实时处理方法,并以现场可编程门阵列（FPGA）芯片为核心构建了分布式计算模拟系统。不同于传统的单个卫星RD算法处理过程,该系统将处理过程分为三个阶段。每个阶段内运算任务被合理地分配给不同的数据处理单元。利用高分三号卫星（GF-3） SAR原始数据进行成像处理,以检验方法和系统的性能。     

基于双极化SAR图像的U-Net海冰多分类模型

北极多年冰在近几十年有明显的减少趋势,与北极海冰的厚度、体积和夏季最小海冰范围的减少密切相关。合成孔径雷达(synthetic aperture radar, SAR)具有全天时、全天候成像能力,基于SAR卫星影像的海冰分类对监测北极多年冰具有重要意义。基于深度学习U-Net模型,以SAR图像的双极化信息为模型输入,构建了像素级的海水、一年冰和多年冰多分类模型。与已有SAR图像海冰分类方法(支持向量机、随机森林和卷积神经网络)进行对比,基于双极化SAR图像的U-Net海冰分类模型的准确率、平均重叠度和Kappa系数,分别达到了90.73%、0.831和0.849,优于其他对比模型,分别提升了4.08%～19.04%, 0.063～0.321和0.111～0.335。此外,针对SAR图像水平-垂直极化(horizontal-vertical polarization, HV)有明显的条状热噪声和水平-水平极化(horizontal-horizontal polarization, HH)受入射角效应而亮度不均匀的特点,设计敏感性实验,研究HV噪声、入射角和灰度共生矩阵(gray leve...     

机载犛犃犚在海冰航空监测中的应用研究

文章研究了机载合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar,SAR）在海冰航空监视监测中的应用,阐述了SAR数据获取、预处理、信息提取与解译图成图的整个流程。研究了机载SAR用于我国海冰监测业务化运行的可行性。     

高分辨率SAR影像在海岛监视监测中的应用

高分辨率合成孔径雷达(SAR)是先进的成像微波遥感器,可全天候和全天时工作,在海岛监视监测中发挥特殊作用。文章概述高分辨率SAR的成像原理和国际应用进展,通过介绍海岛礁在高分辨率SAR影像上的表现,直观展示高分辨率SAR在小海岛识别和海岛开发工程监视监测等方面的应用,尤其提出利用SAR影像特征区分小海岛和船只的方法,同时提出将高分辨率SAR影像与中分辨率光学影像相结合的应用建议,助力我国海岛保护管理和监视监测工作。     

基于双阶段特征匹配的非同源SAR船只跟踪方法

开展星载合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)船只匹配跟踪研究是海上船只监测的重要内容,对提升海上目标监测管控能力有重要意义.当前利用SAR卫星进行船只目标匹配跟踪时,由于船只目标尺寸小且船只目标的运动会在SAR图像中产生几何畸变,导致船只目标在SAR图像中难以准确实现匹配跟踪.基于此...     

长序列北极海冰覆盖数据集对比分析

国家卫星气象中心使用2011年至今的风云三号卫星数据开发了一套基于Nasa Team2（NT2）算法的北极海冰密集度数据集，并可实时业务更新。将该数据集与其他国家不同机构业务运行并实时更新多种同类型数据集进行横向对比分析，其中包括:（1）美国冰雪中心基于Nasa Team（NT）算法以及SSM/I、SSMIS数据制作的1978年至今25 km分辨率全球极区海冰覆盖数据集；（2）美国冰雪中心基于Boot Strap（BS）算法以及SSM/I、SSMIS数据制作的1978年至今25 km分辨率全球极区海冰覆盖数据集；（3）美国NOAA基于多种卫星资料、地面观测数据以及海冰模型制作的2004年至今4 km分辨率北半球海冰覆盖数据集（IMS）。对比表明，上述数据集在北极地区不同的时空范围内存在一定的偏差。以分辨率较高的IMS数据集为基准，对其他3种长序列数据集进行初步评价，总体最大偏差超过100×104 km2，其中，NT2数据集过估较明显。经过与IMS数据集多年各月监测最大值的对比订正，NT2数据集过估情况得到改善。在此基础上的分析结果表明，NT、BS、NT2等3种数据集与IMS数据集相比，过估区域主要分布在海岸线附近，夏季过估比冬季更加明显，少估区域与算法、月份相关性明显，夏季少估面积也较冬季更大。NT、BS、NT2等3种数据集之中，NT2数据集与IMS数据集偏差最小，NT数据集次之，BS数据集与IMS数据集偏差最大。结果表明使用风云三号卫星数据的北极海冰覆盖数据集精度与国外3种同类型数据集相当。     

基于卫星观测的2003-2013年北极海冰体积变化估算

北极海冰正处于快速减退时期，北极海冰体积变化是全球气候变化的重要指示因子。本文利用两种卫星高度计数据（ICESat和CryoSat-2）反演得到的海冰厚度数据，结合星载辐射计提取的海冰密集度数据以及海冰年龄数据，估算了近期的北极海冰体积以及一年冰和多年冰体积变化。CryoSat-2观测时段（2011-2013年）与ICESat观测时段（2003-2008年）相比，北极海冰体积在秋季（10-11月）和冬季（2-3月）分别减少了1 426 km3和412 km3。其中，秋季和冬季的一年冰的体积增加了702 km3和2 975 km3。相反，多年冰分别减少了2 108 km3和3 206 km3。多年冰的大量流失是造成北极海冰净储量下降的主要原因。     

机载SAR在海冰航空监测中的应用研究

文章研究了机载合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)在海冰航空监视监测中的应用,阐述了SAR数据获取、预处理、信息提取与解译图成图的整个流程。研究了机载SAR用于我国海冰监测业务化运行的可行性。     

基于SMAP卫星雷达资料的海冰检测技术

利用SMAP卫星雷达资料与美国国家冰雪数据中心(NSIDC)发布的近实时逐日极区网格化海冰密集度数据建立匹配数据集,分析了海冰和海水的L波段雷达后向散射特性差异,建立了基于线性判别分析算法的海冰检测算法。选择Sentinel-1A SAR极地地区的海冰影像对SMAP卫星雷达资料海冰检测产品进行实验验证,结果显示二者的海冰边缘线一致,说明SMAP海冰检测算法具有较高的精度。利用SMAP卫星雷达资料制作了北极和南极地区海冰覆盖图,计算了海冰覆盖面积,通过与美国国家冰雪数据中心(NSIDC)海冰覆盖面积比较发现,SMAP检测的北极地区海冰面积略大于NSIDC,相对偏差为3.3%,SMAP检测的南极地区海冰面积略小于NSIDC,相对偏差为1.8%,表明二者的覆盖面积基本一致,证实了SMAP海冰检测算法的精度。     

基于HY-2A散射计数据的极区海冰范围反演方法及其评估

A sea ice extent retrieval algorithm over the polar area based on scatterometer data of HY-2A satellite has been established.Four parameters are used for distinguishing between sea ice and ocean with Fisher's linear discriminant analysis method.The method is used to generate polar sea ice extent maps of the Arctic and Antarctic regions of the full 2013–2014 from the scatterometer aboard HY-2A(HY-2A-SCAT) backscatter data.The time series of the ice mapped imagery shows ice edge evolution and indicates a similar seasonal change trend with total ice area from DMSP-F17 Special Sensor Microwave Imager/Sounder(SSMIS) sea ice concentration data.For both hemispheres,the HY-2A-SCAT extent correlates very well with SSMIS 15% extent for the whole year period.Compared with Synthetic Aperture Radar(SAR) imagery,the HY-2A-SCAT ice extent shows good correlation with the Sentinel-1 SAR ice edge.Over some ice edge area,the difference is very evident because sea ice edges can be very dynamic and move several kilometers in a single day.     

基于极化散射特征的极化合成孔径雷达海冰分类方法研究:以渤海海冰分类为例

海冰监视监测的关键是提取海冰类型,准确提取海冰类型对于评估海冰冰情、保证航海及海洋作业安全具有重要的意义。利全极化合成孔径雷达影像(SAR)的优势,提取海冰的极化散射特征;在此基础上结合二叉树分类思想,开展极化SAR海冰类型的分类算法研究,提高SAR海冰分类精度;与传统的海冰分类方法相比较,验证了本方法的有效性。     

结合纹理特征的SVM海冰分类方法研究

海冰分类是遥感监测领域中的重要应用之一，海冰分类的准确性对于评估海冰冰情、保证航海安全和开辟北极航道具有重要的意义。针对海冰分类问题，本文选用Sentinel-1遥感数据，结合纹理特征分析，提出了一种改进的SAR海冰分类方法。该方法选用灰度共生矩阵提取特征值，通过实验得到适宜用于海冰分类的多特征组合，在此基础上利用支持向量机开展SAR海冰类型的分类研究。实验结果表明，该方法可以实现对海冰SAR图像中一年冰、多年冰和海水3种类型识别，与传统的海冰分类方法神经网络和最大似然法相比较，使用SVM分类方法，结合纹理特征开展海冰类型监测是可行的，同时也表明多特征组合有利于提高SAR图像的分类精度，从而验证了本方法的有效性，为海冰分类提供了一种新思路。     

灰度共生矩阵纹理特征对SAR海冰漂移监测的增强性能研究

海冰漂移监测对气候变化分析、船只航行、海上石油平台等海上活动安全作业具有重要意义。当前主流的SAR海冰漂移监测方法多是基于SAR灰度图开展的,其受噪声、环境等因素的影响较大,导致其在海冰漂移探测时,特征失配率高,匹配正确率低。针对这一问题,本文尝试利用SAR海冰纹理特征来增强海冰漂移探测性能。首先对比分析了8种纹理特征对海冰漂移探测中特征匹配的增强性能,筛选出能够有效增强特征匹配性能的最优纹理特征;其次进一步分析了海冰类型、入射角和分辨率对基于纹理特征的海冰漂移探测性能增强的影响。实验结果表明,均值是最优的纹理特征,与SAR强度图相比,特征匹配正确率提高了约7%。     

基于混合损失U-Net的SAR图像渤海海冰检测研究

渤海是我国重要的经济区,海冰灾害严重威胁着人类生产活动。合成孔径雷达具有全天候成像能力,研究渤海区域的SAR图像海冰检测具有重要意义。传统海冰检测方法受限于特征提取方法和建模方式,检测精度有待提升。深度学习具有极强的特征自学习能力,适用于图像检测问题。本文基于深度学习框架U-Net,以Sentinel-1双极化（VV和VH）合成孔径雷达图像为输入信息,设计混合损失函数优化传统U-Net模型,形成了基于混合损失U-Net的渤海海冰检测模型。将本文模型与传统海冰检测方法[脉冲耦合神经网络（PCNN）、马尔科夫随机场（MRF）和分水岭算法]和基于深度卷积神经网络（CNN）的深度学习方法进行了对比。实验结果表明:本文基于混合损失U-Net的海冰检测模型在重叠度、F1分数、精确度和召回率4项度量指标上分别达到了97.567%、98.769%、98.767%和98.771%,检测效果明显优于对比方法;双极化信息输入的检测结果比VV单极化输入的检测结果在F1分数、精确度、召回率和重叠度上分别提高了0.375%、0.111%、0.639%和0.740%;混合损失函数的检测结果比非混合损失函数的检测结果在F1分数、精确度、召回率和重叠度上分别提高了1.129%、0.947%、1.794%和2.231%;模型能对冰水沿线、冰间水道、冰间隙等细节进行有效检测;可应用于渤海区域整幅SAR图像的海冰检测,为海冰监测、海冰变化分析、海冰预报提供技术支撑。     

基于FY-3C微波辐射计数据的极区海冰密集度反演方法研究

极区海冰影响大气和海洋环流，对全球气候变化起着重要的作用。海冰密集度是表征海冰时空变化特征的重要参数之一。本文研究了利用FY-3C微波扫描辐射计亮温数据反演极区海冰密集度的方法。经过时空匹配、线性回归，修正了FY-3C微波辐射计亮温数据。使用两种天气滤波器和海冰掩模滤除了大气影响所造成的开阔海域虚假海冰；使用最小密集度模板去除陆地污染效应。通过计算2016年、2017年极区海冰面积及范围两个参数，对得到的海冰密集度产品进行了验证，两年的海冰范围和面积趋势基本与NSIDC产品一致，平均差异小于3%。本研究结果为发布我国自主卫星的极区海冰密集度业务化产品奠定了基础，制作的产品可保障面临中断的40多年极区海冰记录的连续性。     

利用卫星遥感和再分析数据刻画2017-2018年格陵兰北部罕见冰间湖事件

以90%海冰密集度为阈值，基于卫星遥感数据，2017-2018年冰季在格陵兰北部识别了两次冰间湖事件，分别出现在冬季和夏季。冬季的冰间湖事件从2018年2月20日持续至3月3日，夏季的事件从8月2日持续到9月5日。AMSR2被动微波的海冰密集度产品表明，冬季和夏季冰间湖事件对应的最低海冰密集度分别为72%和65%。两次冰间湖事件都与格陵兰北部东西气压梯度异常引起的南风加强有关，而气压梯度的异常则与对流层中部极涡的扰动有关。冬季冰间湖事件期间，相对暖和的气温和频繁出现的冰间湖，导致冬季海冰生长不持续，海冰热力增厚较小，这为夏季海冰发生破碎并形成冰间湖创造了条件。南风减弱和新冰生成是冬季冰间湖消失的主要原因。对于夏季的冰间湖，导致其消失的主要原因则是从北部输入的浮冰增加。Sentinel-1 合成孔径雷达产品相对AMSR2被动微波观测产品更加适合于应用到冰间湖事件伴随的新冰生长，这与前者具有更高的空间分辨率有关。格陵兰北部是北冰洋多年冰的聚集地，该区域被认为是北冰洋海冰的“避难所”。因此区域在2017-2018年出现罕见的冰间湖事件，对于整个北冰洋海冰的快速减少具有重要意义，也助于北冰洋海冰，尤其是多年冰的消退。     

北极海冰密集度动态系点值ASI反演算法研究

海冰密集度是极区海冰监测的重要因素,使用AMSR-E (Advanced Microwave Scanning Radiometer for Earth Observing System) 89GHz数据ASI反演算法得到的海冰密集度是目前能够获得的分辨率最高的微波数据.在以前的算法中往往使用固定的系点值,本研究实现了动态系点值ASI (the Arctic Radiation And Turbulence Interaction Study (ARTIST) Sea Ice)算法,更重要的是在统计开阔水系点值的时候消除了云对系点值的影响,使得纯水系点值更接近真实状况.得到2010年平均的开阔水和海冰的系点值分别为50.8K和7.8K,通过每天的系点值得到的反演方程在低密集度区增大了海冰密集度,在高密集冰区减小了海冰密集度,从而在一定程度上改善了微波数据的反演准确度.通过和北极区域选取40幅不受云影响的MODIS 500m分辨率宽频大气层顶反照率(broadband TOA albedo)计算的海冰密集度进行了比较验证.结果显示,40个个例中,95%本文的平均差异比使用固定系点值算法产品的小,而且75%的均方根差异比使用固定系点值算法产品的小.     

Application of the HY-1 satellite to sea ice monitoring and forecasting

The HY-1A satellite is the first oceanic satellite of China. During the winter of 2002～2003, the data of the HY-1A were applied to the sea ice monitoring and forecasting for the Bohai Sea of China for the first time. The sea ice retrieval system of the HY-1A has been constructed. It receives 1B data from the satellite, outputs sea ice images and provides digital products of ice concentration, ice thickness and ice edge, which can be used as important information for sea ice monitoring and the initial fields of the numeric sea ice forecast and as one of the reference data for the sea ice forecasting verification. The sea ice retrieval system of the satellite is described, including its processes, methods and parameters. The retrieving results and their application to the sea ice monitoring and forecasting for the Bohai Sea are also discussed.