GNSS-R地基实验

讨论了GNSS-R地基实验。计划在海岸附近选择一个固定观测平台，利用GPS单频接收机接收从GPS到观测点的直接和海面反射信号，从接收信号分析得到海面平均高度、有效浪高和潮位等海洋参数。并讨论实验原理，观测设备、以及从0级到2级的数据反演。     

GNSS-R海洋微波遥感前沿技术进展

阐述了GNSS-R 海面前向散射机理和双基雷达遥感探测模式, 介绍了GNSS-R 信号接收、相关处理、海洋环境要素反演与试验验证方法技术, 综述了国际GNSS-R 海洋微波遥感技术发展概况, 展望了该项技术的应用前景。     

利用GNSS-R信号进行交通车流检测

为了有效检测交通状况,提出了一种使用GNSS-R （导航卫星反射）信号进行车流检测的方法。该方法利用两种天线分别接收导航卫星直射信号和反射信号,使用通用接收机进行信号采集后,在软件接收机中进行信号处理解算,获得直射通道和反射通道的相关功率,以及卫星的高度角。然后使用反演介电常数的方法对车辆进行探测,获得交通车流状况。通过试验验证,该方法能够有效地对探测区域内的车辆进行检测,证明了使用GNSS-R进行交通车流检测的可行性。     

利用GPS-R遥感技术反演植被生物量

为了验证利用GPS-R遥感技术反演植被生物量的可行性,分析了GPS反射信号反演植被生物量的原理与方法,通过试验利用干涉复合场数据（ICF）计算出信号反射率,利用已有文献拟合出的信号反射率与植被生物量之间的关系求出生物量,并与遥感技术结果进行了对比。试验结果表明：利用GPS-R遥感技术反演植被生物量是可行的,但是精度还需依靠时间反演模型;GNSS-R反演植被生物量对分析调查区域植被生长和碳排放情况具有重要意义。     

基于GNSS-R技术的实时潮位高度变化反演方法

潮位高度变化反演过程中易产生部分数据丢失情况,导致实时潮位高度变化反演精度不高,为了提高对潮位实时监测能力,研究基于全球导航卫星系统反射信号（GNSS-R）技术的实时潮位高度变化反演方法。通过信号采集设备采集GNSS-R原始信噪比（SNR）信号后,采用奇异谱分析（SSA）和经验模态分解（EMD）相结合的去噪方法去除原始SNR信号的噪声,保留有价值SNR信号;通过线性尺度变换得出线性化SNR信号,经多项式去掉直射信号分量,得出多径振荡分量;采用小波变换分析多径振荡分量提取实时潮位,完成实时潮位高度变化反演。试验结果表明,该方法应用效果较好,可实现实时潮位高度变化反演,SSA-EMD针对不同信号的去噪效果均较好,其中GNSS-R信号去噪最佳,在保留原信号趋势同时,可去除信号中多余噪声;该方法的海面高度反演结果和对比区域实际潮位高度基本一致,且可增强实时潮位反演结果时间分辨率。     

GNSS-R海面测高现状及其常用方法研究进展

全球卫星导航系统(GNSS)不仅具有导航定位、测速以及授时等功能,且因其反射信号能被接收,可用于海面风场、海面高度反演，由此开辟了一个新的研究领域GNSS反射(GNSS-R)技术，GNSS-R技术用于海洋遥感是一个新的研究领域；文中主要介绍了GNSS-R遥感技术和海面测高的研究进展,并从基于信噪比(SNR)数据测量法、基于 C／A码相位测量法、基于载波相位测量法及基于载波频率测量法等方面分析和总结了GNSS-R在海面高度测量的常用方法.      

GNSS-R水位反演的技术精度研究

针对地表物体反射信号引起的多路径效应是影响GNSS定位精度的重要误差源的问题,该文采用GNSS静态观测数据中的信噪比反演水面高度的方法,对水面高度进行反演,从而实现对水面高度变化的实时监测。为了验证水位反演的精度,利用平静湖面及海面上的GNSS静态观测数据,提取卫星高度角0～30°区间的卫星信噪比。采用二阶多项式拟合的方法去除趋势项,并利用Lomb-Scargle方法进行频谱分析,获取反射信号频率,从而反演天线相位中心到水面的垂直距离,进而确定GNSS-R技术反演水面高的能力。实验结果表明:GNSS-R技术在平静水面上的反演精度为厘米级,在海面上为分米级。因此,利用GNSS反射信号中的信噪比可以实现对水面高度的实时监测。     

机载GPS反射信号土壤湿度测量技术

随着全球导航定位系统反射信号(GNSS-R)技术的发展, 近年来提出了利用GPS地表反射信号遥感土壤湿度的新方法, 该方法利用地表反射率与土壤介电常数以及介电常数与土壤湿度之间的关系来建立反演模型。为了可以快速方便的利用DMR实测数据反演得到土壤湿度, 本文根据Wang和Schmugge模型建立了土壤介电常数与湿度之间的分段模型, 实现了从原始反射数据到土壤湿度结果的整个反演流程。为了验证反演的可行性, 利用NASA等机构联合进行的SMEX02试验机载数据反演得到的结果表明, GPS反射信号能够有效地反演     

基于NARX回归神经网络的岸基GNSS-IR有效波高反演模型分析

有效波高是海洋动力环境的主要参数,针对现有岸基双天线GNSS-R有效波高反演方法必须使用专用型接收机,以及相关测站布设较少、数据获取困难等限制,本文提出了一种利用普通单天线测量型GNSS接收机的GNSS-IR数据反演有效波高的方法。首先,利用NARX回归神经网络构建潮高反演误差与有效波高大小之间的相关模型,并给出了从数据选取、数据集制作到反演模型构建的相关流程与方法。然后,使用斯坦福大学哈勃肯斯海洋实验站中P231站两年的数据,开展了基于NARX回归神经网络的岸基单天线GNSS-IR有效波高反演模型试验。试验结果表明,该模型适用于0.1~2.5 m （即二～四级海况之间）范围内有效波高的反演应用,反演有效波高的MSE最小为0.01 m。     

面向陆表的星载GNSS-R DDM波形分类

GNSS-R信号在面向复杂场景的陆表遥感应用中存在信噪比（SNR）低和有效信息难以辨别提取的问题，严重制约了其在陆表遥感领域的应用拓展。为从海量低信噪比的星载GNSS-R陆表数据中快速区分杂波信号和有效信息，本文通过统计归纳分析，基于星载时延多普勒图（DDM）相关峰的显著程度评定，提出了一种DDM波形分类方法。随后，利用该方法对UK TechDemoSat-1（TDS-1）星载陆表观测数据进行了波形分类。最后，比较了分类后波形对应的SNR情况，同时结合典型地物类型对分类结果进行了相关性分析，证实了波形分类方法的可行性与有效性。     

水稻微波后向散射系数的模拟分析

海洋雷达后向散射回波主要来自短重力波的Ｂｒａｇｇ 散射,这种散射与海面风场信息、边界层涡旋等密切相关。因此,可以从雷达散射截面反演风场信息。对１９９４ 年４ 月航天飞机成像雷达（ＳＩＲＣ／ＸＳＡＲ）获取的南中国海合成孔径雷达（ＳＡＲ） 图像进行了分析研究。利用ＳＩＲＣ 数据,从ＳＡＲ 图像谱提取了风向;根据ＣＭＯＤ４ 模型,从Ｃ波段雷达后向散射系数反演风速;利用双尺度散射模型对反演的风速进行了对比分析。结果表明,从ＳＩＲＣ雷达数据可以反演海面风矢量,星载ＳＡＲ是提取海面风场信息的有效技术手段之一。     

The ADV/ASV AATSR aerosol retrieval algorithm: current status and presentation of a full-mission AOD dataset

An advanced along-track scanning radiometer (AATSR) global multi-year aerosol retrieval algorithm is described. Over land, the AATSR dual-view (ADV) algorithm utilizes the measured top of the atmosphere (TOA) reflectance in both the nadir and forward views to decouple the contributions of the atmosphere and the surface to retrieve aerosol properties. Over ocean, the AATSR single-view (ASV) algorithm minimizes the discrepancy between the measured and modelled TOA reflectances in one of the views to retrieve the aerosol information using an ocean reflectance model. Necessary steps to process global, multi-year aerosol information are presented. These include cloud screening, the averaging of measured reflectance, and post-processing. Limitations of the algorithms are also discussed. The main product of the aerosol retrieval is the aerosol optical depth (AOD) at visible/near-infrared wavelengths. The retrieved AOD is validated using data from the surface-based AERONET and maritime aerosol network (MAN) sun photometer networks as references. The validation shows good agreement with the reference (r?=?0.85, RMSE?=?0.09 over land; r?=?0.83, RMSE?=?0.09 at coasts and r?=?0.96, RMSE?=?0.06 over open ocean). The results of the aerosol retrievals are presented for the full AATSR mission years 2002–2012 with seasonally averaged time series for selected regions.     

利用TRMM／TMI资料提取地表层湿度信息试验

模拟分析了地表层湿度反演过程中地表及大气各种因素(卫星扫描角、地表粗糙度、地表植被覆盖和大气)对反演结果的影响情况;应用正演模拟技术得到了利用TMI低频10GHz通道微波极化比反演地表层湿度信息时,斜率和截距随像元植被覆盖度可调的反演方程;确定了反演方程中斜率、截距系数随像元植被覆盖度变化的对数关系和线性关系;反演技术中综合应用了多种途径获取到的被动微波像元中动态的植被覆盖信息;尝试了将这些因子用于地表层湿度反演的可行性;对于反演结果,研究工作中利用地表HUBEX外场观测资料进行了对比分析,得到了空间分布特征和时间演变趋势比较一致的对比分析结果。     

基于MODIS数据的二类水体叶绿素反演算法理论与实现

在NASA-MODIS海洋组提出的二类水体叶绿素a的半分析算法的基础上，使用叶绿素荧光理论对其进行了改进，建立了一个适用于我国的海洋叶绿素浓度反演模型，并选取2003年黄海区域的MODIS数据对算法进行了验证。     

双频共面合成孔径雷达海面风场反演

根据L/C双频共面SAR能够获取同一海域双波段电磁波后向散射系数,得到更多海洋目标特征信息的电磁散射特点,结合地球物理模型函数研究了一种新的SAR海面风场反演方法。利用L/C双频共面SAR的L和C两个波段的地球物理模型函数和后向散射系数等信息,通过地球物理模型函数联立以及构建和求解最小代价函数,直接从SAR数据本身获取海面风场信息,并借助辅助数据去除了风向的180°模糊,从而实现海面风场反演。仿真分析和海上机载同步飞行试验的研究结果表明,该方法可直接利用SAR数据本身获取精度较高的海面风速、风向;绝对辐射定标精度是决定海面风场反演精度的关键因素,海面风场反演误差随定标精度提高而减小;随着海面风速的增大,风速反演误差逐渐增大。论文提出的双频共面SAR海面风场反演方法解决了传统单波段单极化SAR海面风场反演存在的固有问题,机载同步飞行试验的海面风速和风向反演结果与调查船观测值的均方根误差分别为0.93 m/s和19.39°,可为星载SAR海面风场反演业务化和载荷研制提供支持。     

Surface Ice Flow Velocity and Tide Retrieval of the Amery Ice Shelf using Precise Point Positioning

Five days of continuous GPS observation data were collected in the frontal zone of the Amery ice shelf and subsequently post-processed using precise point position (PPP) technology based on precise orbit and clock products from the International GNSS service. The surface ice flow velocity of the observed point was derived from PPP to be 2.25 m/day toward the northeast with an azimuth of 41°. Major semi-diurnal and diurnal oceanic tide constituents could be recovered from the 5 days of PPP-derived height variations and compared well with a hydrodynamic ocean tide model. The PPP technique can replace double-difference GPS positioning in remote or hostile environments, and be used to retrieve the surface ice flow velocity without any reference station. Furthermore, the solution can be derived epoch-by-epoch with accuracy in the centimeters to decimeter range.     

Observation of mesoscale ocean currents from GEOSAT altimeter data

This paper discusses an altimeter data processing technique designed to compute time series of the mesoscale dynamic sea surface and to produce mean sea surfaces and surface variability. The technique has been applied to Geosat data collected over the North and South Atlantic and the South Indian Ocean. The computed mean sea surfaces show a high correlation with ocean bottom topography, whereas the variability is found to be associated with mesoscale ocean currents. High variability levels are spotted near the Gulfstream Extension and the Agulhas Return Current.Detailed examination of the sea surface and related flow field time series made it possible to identify a large number of eddies and to keep track of them in both the nort-west and south-east Atlantic. Additionally, some of the eddy characteristics have been resolved such as translation and swirl velocity. It is found that the eddy motion is affected by ocean bottom slopes.     

Oil slick identification from imageries using optical power spectra

A new method for semi-automatic identification of oil slick on ocean/sea surface from space borne imagery using optical power spectra has been suggested. This method is based on the fact that the presence of the oil slick in the ocean suppresses the normal wave pattern that will be present in the ocean area without oil slick and the power spectra of the image area having the oil slick will be devoid of the peak corresponding to the dominant wave. In addition, the general shape of the oil slick will increase the low frequency content in the power spectra. The method has been applied for test areas containing oil slicks and the results are encouraging.     

Ocean Internal Wave Observations Using Space Shuttle and Satellite Imagery

Abstract

Space shuttle photographs and satellite radar (SAR) images provide an excellent view of high‐contrast ocean features such as internal waves, fronts, eddies, oil slicks, and cloud patterns which contain the signatures of atmospheric processes. Since ocean internal waves generate local currents which modulate surface wavelets and slicks, we have been able to detect packets of internal waves in space shuttle photographs and radar imagery of the Atlantic, Pacific, and Indian Oceans. A global database on internal waves has been developed at our center with support from ONR and NASA, and is accessible on the Internet. The database includes visible and radar imagery. To test the database, digitally orthorectified images were used for dynamic and statistical analysis of internal waves. In the deep ocean we found the wavelength distribution to be Gaussian while in the coastal ocean it is Rayleigh. Results have also been applied to non‐linear evolution studies of ocean internal waves, atmospheric solitary waves and to estimate ocean currents.     

一种面向虚拟地球的海面动态可视化优化方法

现有的虚拟地球中的海面可视化方法主要采用投影网格的方式组织海面格网,这种特殊的网格组织方式,导致其在反映不同海域差异性特征时存在缺陷。基于全球离散格网的海面可视化方法由于能够与虚拟地球离散的空间剖分相匹配,有效弥补了投影网格法的缺陷,因此更符合虚拟地球海面仿真应用的需要。然而现有的离散格网法存在绘制效率差、场景加载慢、需要修补格网缝隙等问题,限制了其应用发展。对此,本文在现有离散格网法基础上进行优化:首先,在数据结构上对传统等经纬度离散格网进行扩展,设计了一种面向GPU绘制的多尺度海面网格模型来组织管理海面格网;其次,为了实现风场驱动下的海浪动态绘制,在多尺度海面网格模型的基础上提出了一种支持实时风场更新的海浪动态绘制方法;同时,考虑到格网缝隙修补对系统效率的影响,本文针对海面格网特点并结合GPU技术提出了一种高效的海面格网缝隙修补方法。最后通过对比试验验证了本文方法的可行性和有效性。试验结果表明,本文方法绘制效率稳定,加载速度快,且能弥补现有方法在功能上的缺失,因此应用范围更加广泛。