经验模态与小波分解在光学遥感内波参数提取中的应用

内波遥感参数提取是利用遥感影像研究海洋内波的重要手段,通过提取内波的基本参数可以对海洋内波的生成与传播机制进行进一步的研究。提出了利用经验模态分解、小波分解与高阶多项式拟合从光学影像中提取内波半波宽度的方法。经验模态分解与小波分解对内波剖面数据进行尺度分解,根据归一化方差最大来提取内波分量;多项式拟合基于内波剖面的亮暗条纹变化完全由内波调制的假设,对数据进行拟合,并根据一阶导数来提取半波宽度。用南海北部东沙岛附近2004年7月10日的中-巴资源卫星(China-Brazil Earth Resources Satellite,CBERS)影像对方法进行了验证。结果表明,3种方法能较好地提取所需参数,获取的内波半波宽度具有较好的一致性;上述方法在处理非平稳及非线性遥感数据上,具有非常明显的优势。基于一维非线性内波理论,通过提取的内波半波宽度,辅以水深和混合层深度数据,反演了内波的振幅。     

利用GF-1和MODIS准同步光学遥感图像反演内波参数的研究

高分一号(GF-1)光学遥感卫星的发射为海洋内波的研究提供了精细的观测资料,利用其图像高空间分辨率的优势,结合高时间分辨率的中分辨率成像光谱仪(MODIS)的匹配数据,能够对南中国海东沙岛附近的内波开展特征参量的反演。本文处理了GF-1和MODIS的准同步图像,选取东沙岛附近的相邻时刻的同一条内波进行分析,提取其空间位移,计算出内孤立波传播的群速度。分析GF-1和MODIS图像上同一条内波的灰度剖面,计算了明暗条纹间距,结合当地水深和温盐数据,应用非线性薛定谔方程反演内孤立波的振幅,探究大陆架附近内孤立波的振幅演变。研究结果表明:内孤立波的群速度在东沙岛附近向西传播过程中逐渐变小;在相似的温盐条件下,遥感图像中内波的明暗条纹间距和振幅呈现负相关,在深海区水深和振幅呈现正相关关系,在浅海区由于非线性作用增强会出现振幅随水深变小反而增大的现象。     

合成孔径雷达图像中海洋内波的特征检测

海洋内波在合成孔径雷达(SAR)图像中具有特定纹理分布,因此可以根据海洋内波SAR图像的纹理分布特性,进行内波海面特征检测。利用功率谱对具有不同纹理特征的SAR图像进行分析,并对特征进行分类统计得出内波的功率谱特征。在海洋内波区域,利用多孔小波变换及多尺度融合提取海洋内波特征,在此基础上对波-流散射系数进行提取。提出了"内波特征的功率谱特征-多孔小波综合检测算法",为海洋内波参数反演奠定了基础。     

基于VMD对SAR海洋内波参数的自动反演

经验模态分解(empirical mode decomposition,简称EMD)是反演海洋内波参数的有效方法之一,但由于EMD存在模态混叠等问题,对海洋内波进行参数反演时会产生一定误差。相比较于EMD,变分模态分解(variational mode decomposition,简称VMD)能够有效地抑制模态混叠现象。为了更好地对海洋内波进行参数反演,提出了一种基于VMD对合成孔径雷达(synthetic aperture radar,简称SAR)遥感图像中的内波参数进行自动反演的方法。该方法先对SAR图像进行Canny处理,获取图像中的内波条纹信息,再根据内波传播方向自动选取灰度剖面;然后利用集合经验模态分解(ensemble empirical mode decomposition,简称EEMD)信号特征自适应分解模态函数的特点,再将分解得到的有效模态数作为VMD中参数K的参考值;最后利用VMD分解后的数据进行内波参数反演。试验结果表明:通过对Canny预处理后的条纹信息进行灰度剖面自动选取,解决了人为选取剖面所可能导致的误差;通过对剖面信号进行VMD处理不仅解决了EMD模态混叠的问题,成功地反演出内波的前导波振幅,而且所反演的结果与EEMD反演参数以及实测资料数据吻合得很好。     

背景流中海洋内波垂向结构的计算和分析

利用了无摩擦、不可压情况下的旋转流体线性方程组,基于数值计算的方法,对背景流中海洋内波各个模态垂向结构进行了分析。结果表明:在无背景流时,海洋内波的垂向结构为简谐波;模态越高,其在垂直方向结构就越复杂,这时其模态属海洋内波的离散谱。在有垂直切变的背景流时,因受背景流的调制,其波形发生变化;此时海洋内波的前几个模态仍与简谐波类似,属海洋内波的离散谱,而此后的模态垂向结构不再光滑连续,出现了间断(奇性),该间断处即为临界层,该具有间断的模态属海洋内波的连续谱,而其积分则为海洋内波波包。正海洋内波在海洋中非常常见,是发生在密度稳定层化海水中的一种波动,其最大振幅出现在海洋内部,是重要的海洋中尺度现象。海洋内波的存在,使得海水运动以及水文要素的分布与变化更加复杂。由于内波发生机制的复杂性以及时空特征的随机性,内波成为海洋学研究中的难点。鉴于海洋内波在海洋学和军事上的意义,目前已经成为研究的活跃领域。对海洋内波垂向结构的研究不但有重要的理论意义,而且有广     

海洋内波发生概率的模糊逻辑推理预测模型

海洋内波发生的诊断及预测,因其生成机制的复杂性和实际观测资料的缺乏而被海洋学界公认为一个难题。为此,提出了一个基于模糊逻辑思想的内波发生概率诊断与预测新方法,并利用该方法建立了内波发生概率预测模型。从实际海洋水文资料中提取出影响内波发生的8个海洋环境因子作为模型的输入,内波发生概率作为模型的输出。最后将预测模型在西北太平洋不同海域进行了应用。结果表明,该模型可为海洋工程和舰船航行中规避和防范内波提供参考。     

基于EMD算法的海洋内波参数反演

利用合成孔径雷达(SAR)图像研究海洋内波具有其他遥感探测及实地海洋测量不可替代的优势,然而从SAR数据中提取内波参数的方法却往往由于人工选取的位置不同使得反演的内波参数产生不同的偏差,为了尽量避免人工操作带来的误差并有效反演内波参数,文中提出了一种SAR图像海洋内波波向与波长参数估计的新方法。通过人工选取内波前导线上的3个位置点,计算机自动地获取内波的位置和内波的波向,提取内波断面,在此基础上利用EMD算法反演内波波长,结合内波区域海水密度剖面数据,进一步反演内波振幅参数。通过对实测SAR图像数据进行处理的结果可知,采用该方法对内波SAR图像进行处理,能很好地定位内波位置并获得传播方向及内波波长参数,结合海水密度剖面,实现了内波振幅参数反演。人工干预选取3个位置点,自动计算内波前导线弯曲弧度并自动计算5个内波剖面,减少了由于人工干预操作不同形成的偏差。     

海洋内波预报技术研究的必要性与可行性初探

海洋内波是发生在海洋内部密度层化水层间的一种波动。海洋内波对潜艇活动的安全以及水中兵器的使用效能等有非常显著的影响。本文就海洋内波的国内外研究现状、已有成果以及研究海洋内波预报技术的必要性和可行性进行分析。     

内波的生成、传播、遥感观测及其与海洋结构物相互作用研究进展

内波是层结海洋中普遍存在的一种海洋动力学现象,包含内潮、内孤立波、近惯性内波等多种形式,由于其携带能量巨大,分布范围广,发生频率高,对海洋结构物造成严重威胁。对国内外关于内波生成、传播演化、海遥感观测及其与海洋结构物相互作用方面的研究进展进行综述。总结了关于内波的生成机制、浅水和深水区域内波传播演化特征、实际海洋内波特征的遥感观测以及内波与海洋平台及水下潜器相互作用的研究成果,讨论了数值模拟、模型试验、遥感观测等研究手段在海洋内波研究中的应用以及取得的相应研究成果。最后,在探讨海洋内波研究趋势的基础上对未来关于内波生成机制及其海洋学特征观测相关研究需考虑和解决的问题进行了展望。     

机载超低频雷达探测海洋内波

机载超低频雷达探测海洋内波是海洋内波探测的新方法。海洋内波使海水电导率垂向分布发生扰动,当雷达发射的电磁波探测信号传播到内波扰动界面,电磁信号发生反射,部分反射信号再次穿透海面传播到空气中并被天线捕捉,雷达系统通过处理内波界面处的反射信号并抑制海面的反射信号实现对海洋内波的探测。根据麦克斯韦方程和海水的物理性质,推导出超低频电磁波在海水中的传播特性,研究海水温度、盐度变化对海水电导率的影响,根据KDV方程解和垂向特征函数解构造了海洋内波垂向结构,仿真了雷达接收到的海表面处、内波界面处的反射信号及其延迟时间,仿真结果表明,可以使用该方法探测海洋内波。     

2009 年夏季东沙群岛附近内孤立波的现场观测

通过对东沙群岛附近2009年夏季测到的三个孤立波事件的分析, 结合现场的X 波段雷达、ADCP和CTD 观测, 发现内孤立波经过时, 伴有突发性强流, 最大水平东西分量U大于0.5 m/s, 周期大约15 min, 各深度层海流均为西向。第三个孤立波事件中, 雷达后向散射影像中包含至少4个亮条带, 其中最后的条带雷达表面信号最强。而内波表面信号强弱不仅与内波的振幅有关, 还可能与潮流、混合层深度等环境条件有关, 该研究可加深对内波遥感观测的理解。     

一种使用卫星高度计数据且基于密度聚类的新型海洋中尺度涡自动探测算法

中尺度涡旋是海洋中典型的中尺度现象，是海洋中能量传递的运输者，中尺度涡识别与提取是物理海洋学研究的重要内容之一，而中尺度涡自动发现算法是最基础的用于寻找与分析中尺度涡的工具。中尺度涡旋探测工作的数据来源主要为卫星高度计数据融合出的SLA数据，该数据可以客观的描述海洋表层高度状态。中尺度涡表示为SLA闭合等值线所包围的局部等值区域，涡旋识别需要从SLA数据中提取出稳定的闭合等值线结构。针对基于SLA数据中的中尺度涡探测的特点，本文提出了一种新的基于聚类方法的中尺度涡自动识别算法，通过对SLA数据集的分割与筛选将中尺度涡区域与背景区域分离，后建立区域内联系并将其映射到SLA地图上来提取中尺度涡结构。本文算法解决了传统探测算法中参数设定的敏感性问题，不需要进行稳定性测试，算法适应性增强。算法中加入了涡旋筛选机制，保证了结果的涡旋结构的稳定性，提高了识别准确率。在此基础上，本文选取了西北太平洋及中国南海地区进行了中尺度涡探测实验，实验结果展示出了本文算法在较传统算法提高算法效率的同时，也保持着较高的算法稳定性，可以在稳定识别各个单涡结构的同时识别稳定的多涡结构。     

内波研究的国内外发展现状

海洋内波与海洋水声学、海洋生物学、物理海洋学和军事海洋学等学科有着密切的联系,因而受到各国政府和海洋学家的普遍关注.本文基于近二十年来国外与国内在海洋内波方面的研究成果,首先从各个角度介绍了内潮波与内孤立波方面的国内外发展状况;其次介绍了有关赤道大洋内波方面的研究成果;最后对今后内波研究的发展方向做了展望.     

海洋磁力仪在某近岸海域未爆弹探测中的应用

海底小型铁磁目标探测一直是海洋工程勘察的难点,结合我国近岸某海域海底一处未爆弹的探测实例,介绍了SeaSPY2磁力仪的性能特征,阐述了海洋磁力仪探测数据采集和处理流程。通过对探测出的磁力异常区和同期多波束扫测数据的分析,推断出水下未爆弹的具体位置和大小,为引爆未爆弹提供了准确的数据。此外,根据实践经验,提出了采用木船牵引、利用定高拖曳装置固定磁力探头、选择合适的作业时间、选定合适的日变站位置等四点建议,提高海洋磁力探测精度,为类似项目的应用提供参考。     

潮成内波在物理海洋和相关学科中的影响

潮成海洋内波作为物理海洋学中的一个研究内容，虽然对海洋中的能量分配过程起着相当重要的作用，但其作用和影响却不仅仅限于此范畴之内。在许多相关学科的研究中，如水声学、地学(物质输运、地形地貌、深水沉积、地壳液体流动)、海洋工程(海洋资源的勘探、开发和保护等)、海洋生态环境，海水养殖、渔业捕捞，航道淤积以及观测仪器、卫星海洋学等，都存在潮成内波的作用。文章分析了线性或弱非线性潮成内波(常称为内潮波)和强非线性潮成内波(常称为内孤立波)可能的作用方式，对其在物理海洋学及各相关学科中的作用作了简单介绍。     

高海况海洋遥感信息提取技术研究进展

中等海况下,星载合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)已经广泛应用于海洋动力环境要素的监测(风场、波浪、流场)。近年来,SAR高海况遥感,尤其是探测台风海面风场、巨浪、流场已经成为国内外研究热点,并突破了一些关键技术。利用SAR多极化成像模式对海观测和新发展的地球物理模式函数,可以提取高海况下的海面风速、风向、有效波高、流速和流向等海洋表面关键物理参数。这些环境要素可以用于海洋灾害监测预警;为海洋和大气数值模式提供准确的初始场和同化源,改进模式预报精度;为研究全球气候变化提供有力的观测依据。     

Optical flow-based method to estimate internal wave parameters from X-band marine radar images

The velocity and direction of internal waves (IWs) are important parameters of the ocean, however, traditional observation methods can only obtain the average parameters of IWs for a single location or large area. Herein, a new method based on optical flow is proposed to derive the phase velocity vectors of IWs from X-band marine radar images. First, the X-band marine radar image sequence is averaged, and ramp correction is used to reduce the attenuation of gray values with increasing radial range. Second, the average propagation direction of the IWs is determined using the two-dimensional Fourier transform of the radar images; two radial profiles along this direction are selected from two adjacent radar images; and then, the average phase velocity of the IWs is estimated from these radial profiles. Third, the averaged radar images are processed via histogram equalization and binarization to reduce the influence of noise on the radar images. Fourth, a weighting factor is determined using the average phase velocity of a reference point; the phase velocities on the wave crest of the IWs are subsequently estimated via the optical flow method. Finally, the proposed method is validated using X-band marine radar image sequences observed on an oil platform in the South China Sea, and the error of the phase velocity is calculated to be 0.000 3–0.073 8 m/s. The application conditions of the proposed method are also discussed using two different types of IW packets.     

斜压海洋能量传递对风场的响应

风是海水运动的重要动力因素,也是海洋内部的主要能量来源.本文在应用陆架海洋模式HAMSOM对东中国海海水运动进行数值模拟的基础上,通过傅里叶变换、旋转谱分析等研究方法,对风向海洋的能量输运进行研究.研究结果显示,风场向海洋输运的最有效途径是风杨扰动量与流场扰动量的相互作用;惯性能量主要来源于海洋表层,由风场提供,向下传递;而潮频率能量大部分来自海底的内潮与底地形相互作用,向上传递.     

基于机器学习的内孤立波遥感探测研究综述

海洋内孤立波是一种在稳定层化海水内部广泛分布的波动,对物质能量传输和海洋环流具有重要作用,也对海洋工程建设和舰船航行安全产生了重要影响。机器学习技术利用数据训练模型,使计算机具备学习和改进性能的能力,在图像检测、分割和预测等领域得到广泛应用。探讨了机器学习在内孤立波检测识别、参数反演和传播预测方面的应用,并指出当前研究中存在的问题,如内孤立波数据集和专门算法研究不足等。最后,分析了机器学习在内孤立波研究中的未来发展趋势。