森林冠层和森林边界层大涡模拟

在采用各向异性湍流动能闭合方案和3阶Runge Kutta时间积分方案的大涡模式中,引入由森林冠层粗糙元造成的动量拖曳项、热量输入项和TKE耗散项,以模拟森林冠层和森林边界层的气象场. 通过中性和不稳定层结条件下不同叶面积指数算例的模拟分析及与已有观测结果的比较表明,本文所建大涡模式对森林冠层和森林边界层有较好的模拟效果. 进一步研究表明：不稳定层结条件下较稠密的森林冠层中特有的Kinking & Pairing湍涡结构与森林边界层中湍流的大涡运动相互作用,形成了森林冠层附近的温度斜坡型结构.     

森林冠层上下湍流谱结构和耗散率

利用新型三维超声风速 /温度仪 ,根据在长白山原始森林冠层上下两个高度上测量的湍流资料 ,采用涡动相关法计算和分析了森林冠层上下湍流谱的结构、局地各向同性和耗散率 .结果表明 ,在惯性副区 ,归一化湍流谱遵从 - 23的指数规律 ;在森林冠层上 ,尽管谱的形状与均匀表面的一致 ,但是 ,大气湍流是非各向同性的 ;而在森林冠层内则是近似各向同性的 ;森林冠层上下湍流能量和热量耗散率比典型草原和牧场的结果大 ,揭示了森林粗糙表面在湍流输送过程中的动力扰动和对大涡的破碎作用     

基于Matrix-Doubling方法的三维森林雷达后向散射模型的改进

辐射传输方程已广泛应用于森林雷达后向散射模拟.基于辐射传输方程建立起来的三维森林雷达后向散射模型可以考虑林分结构对后向散射的影响以及冠层、树干等与地表的二次散射.它可以较准确地估算同极化后向散射.但三维森林雷达后向散射模型只考虑了冠层内部的一次散射,而交叉极化主要来自于冠层体散射,因此模型常常低估交叉极化.为了提高模型对交叉极化的估算能力,将Matrix-Doubling方法引入到三维森林雷达后向散射模型中,用以计算冠层体散射.将改进模型的计算结果与原模型的计算结果进行了比较,并且使用野外观测数据和AIRSAR数据对改进模型做了验证.结果表明,对于不同密度的森林,模型对交叉极化的估算能力在一定程度上得到了改善.     

小光斑激光雷达全波形数据递进分解与相对辐射校正

小光斑全波形激光雷达作为新一代对地观测主动光学遥感技术,近年来得到了广泛关注与应用.波形数据分解与辐射校正是波形数据处理的重要环节,它直接影响着信息提取和波形数据进一步应用.本文以高斯混合模型为数学基础,采用逐级递进分解的策略,建立小光斑激光雷达波形数据的高斯分解方法;考虑激光雷达系统获取数据过程中激光初始发射脉冲和不同观测角度大气程辐射的差异,在高斯拟合模型的基础上,建立波形数据的相对辐射校正模型.采用小光斑激光雷达波形数据对提出的递进高斯分解与相对辐射校正方法进行验证,结果表明递进分解能够准确的确定波形数据峰值个数、位置与宽度,在波形分解基础上进行的相对辐射校正能够提高相同地物波形数据的相似性.     

植被电磁散射的半空间模型研究

本文给出了地面植被电磁散射的半空间模型研究方法.在以往的相关文献中,均采用自由空间格林函数求解单个叶片散射体的散射场,本文利用半空间并矢格林函数求出了单个散射体的散射场,然后运用Monte Carlo方法模拟生成地面植被层,得到了在半空间下植被层的电磁散射特性,计算出了单、双站雷达散射截面,并与自由空间下的散射场做了相互对比.结果表明,在半空间格林函数下得到的散射场更为适用于描述地面植被的电磁散射特性.     

地震多级散射波正演模拟方法

地震波在穿越地下散射体群时会产生多级散射波,分析其地震响应特征,可推断散射体的分布情况和性质。本文从二维标量波动方程出发,结合地震散射理论和波恩近似理论,推导了多级散射波方程。在此基础上,采用高阶有限差分法对双点散射体模型和复杂散射体模型进行数值模拟,分析了多级散射波的传播规律和波场特征,并通过抽取多级散射记录和各级散射记录的单道记录与参考单道记录的对比,验证了本文推导散射波方程的准确性。      

基于卷积神经网络的地震偏移剖面中散射体的定位和成像

本文提出了一种基于深度学习卷积神经网络(CNN)的全波形反演方法,可对地震散射波场中的散射体进行成像和定位.本文的灵感来自如下猜想:在散射波场剖面上的每个点附近的局部波场与该点到各散射体之间的最小距离有关系,并且这个关系可以被CNN网络所识别.我们将该最小距离定义为散射距离场,并将散射距离场的类别(即大小等级)作为CNN网络的预期输出,而输入就是该点附近的局部波场.最后用上述CNN网络对散射波场进行逐点训练和识别.计算结果证实了我们的灵感猜想,即上述CNN网络能够在复杂散射波场中对散射体进行成像.只通过一个训练模型的学习,CNN网络即可反演多种散射模型的偏移剖面,最后得到"类别函数预测值"和"滤波剖面"两种成像结果,由此可以辨识出在复杂的偏移剖面中各散射体的位置.     

上月壳中的散射引起月震尾波的数值模拟研究

在阿波罗月震记录中普遍存在着强烈持久的尾波信号,这样的波形特征无法用均匀分层月球模型解释.一个普遍被接受的解释是月震尾波由月球浅层结构对月震波的散射引起.我们采用基于交错网格的伪谱和有限差分混合方法模拟研究非均匀上月壳对月震波的散射效应,在此基础上解释月震尾波的形成机制,并估计出上月壳速度扰动的强度.我们发现,在均匀分层模型基础上,进一步考虑上月壳中的非均匀结构对月震波的散射效应,能有效地解释月震信号中强烈持久的尾波.我们认为月震尾波可能是由上月壳中的低波速、低衰减和散射这三个因素的共同作用所引起.采用不同的扰动标准差模拟上月壳的非均匀性,并比较模拟波形与真实月震图的相似程度,我们发现上月壳中速度扰动的标准差应该在3%到5%之间,很可能接近于3%.     

基于背向散射脉冲传播时间统计特性的随机界面参数反演研究

研究了利用背向散射脉冲传播时间统计特性反演随机界面参数的问题.首先扩展了Fuks & Godin关于随机界面背向散射脉冲传播时间统计特性理论,给出了当随机界面高度-斜率统计相关情形下,最早返回的两个脉冲传播时间及其时延的概率密度函数（PDF）表达式.进而提出了一种基于背向散射脉冲传播时间统计特性的随机界面参数反演算法：采用遗传算法匹配前两个背向散射脉冲传播时间及其时延的PDF实现随机界面高度—斜率相关系数的绝对值|ρ|和无量纲参数T的反演.最后利用参数的后验概率分析反演结果的不确定性.数值模拟结果表明：该算法可有效反演随机界面的参数,参数|ρ|相对于T反演精度较高;|ρ|和T之间存在较强的参数耦合.与前人认为可忽略高度—斜率相关性（|ρ|）的观点不同：此类反演问题中应同时考虑|ρ|和T.     

钠多普勒激光雷达回波光子数仿真及大气参数反演

钠多普勒激光雷达利用中层顶区域的钠原子作为示踪物,探测中层顶区域大气风场和温度剖面.本文主要分析钠多普勒激光雷达的探测原理和大气参数反演算法.利用MSISE和HWM93等大气模型给出背景大气温度、密度及风场,并给定钠原子数密度剖面,从激光雷达方程出发,模拟计算了激光雷达的瑞利散射和钠共振荧光散射回波光子数.利用模拟的回波光子数剖面数据,反演得到大气温度、视线风速和钠原子数密度剖面,反演结果与模拟计算用的背景参数符合很好,验证了这一反演方法的正确性.分析了激光频率偏移和激光线宽变化对反演精度的影响.     

基于高斯束与高斯波包的Gabor框架散射波模拟方法

在给出真实模型和相应光滑背景模型的情况下,如何计算扰动模型(散射体)产生的散射波场是一个有实际意义的正演问题.在Gabor变换域描述散射体,且入射波场为短时宽带信号时,散射波场可以在频率域用高斯束或时间域用高斯波包描述.相对于波动方程方法,高斯束和高斯波包的计算效率更高;背景模型光滑时,高斯束和高斯波包方法的精度也接近波动方程方法.文中导出了声波假设下应用高斯束和高斯波包计算散射波的方法.测试分析了高斯波包的计算精度.给出了一般散射体的散射波模拟策略.同时针对一个理论模型完成了本文方法计算散射波的实验,实验结果表明高斯波包散射波计算方法是有效可行的.     

不需提取激发脉冲的探地雷达波形反演方法

利用麦克斯韦方程的波形反演方法,能充分利用雷达数据中反映地下介质特性的波形、走时、相位等信息.它要事先已知激发脉冲信号,需从实际资料中提取,但受到诸多因素的影响.本文尝试避免从实际雷达资料提取激发脉冲的方法.首先,借助于一个已知地质模型上的探地雷达系统采集的记录以及给定激发脉冲、给定激发接收天线的正演模拟信号,计算出转换算子.其次,将转换算子作用于实测雷达信号,将其转换成给定激发脉冲激发的、给定激发接收天线采集的信号.最后,用转换后的数据进行波形反演.二维模型数据的转换表明,转换后的数据与正演模拟数据一致,反演结果差异甚小.实验室实测数据的反演结果与实际情况相符.     

基于平均导数的标量波频率域正演数值模拟方法

频率-空间域正演模拟是频率域全波形反演的基础.传统旋转坐标系的有限差分格式仅适用于纵横空间采样间隔相等的情况,为了打破这一局限性,本文结合平均导数法与15点差分格式提出了一种基于平均导数法(average-derivative method简称ADM)的15点有限差方法,并运用最小二乘法求取加权优化系数,使得频散最小化,经优化后每个波长仅需2.85个网格点就能达到误差控制在1%内.本文通过引入最佳匹配层(perfectly matched layer简称PML)吸收边界条件,有效的压制人工边界反射.正演模拟测试验证了基于平均导数法的15点差分方法可以在不明显增加计算量的前提下,有效的压制数值频散,提高了频率域正演的效率.全波形反演模型测试验证了其矩形网格适合于大偏移距波形反演,具有广泛的实用性.     

植被光合、冠层导度和蒸散的耦合模拟

采用非直角双曲线估算了叶片的光合速率,将冠层分为多层,分别计算每层受光叶和遮光叶的光合速率,采用积分法估算冠层群体的光合速率,通过群体净光合速率(An,c)与冠层导度的耦合模式将An,c与潜热通量(λE)耦联起来,通过双层模型估算λE,最后建立了植被群体光合-冠层导度-蒸散的耦合模型(CPCEM).本模型的优点在于计算相对比较简单,便于应用.通过涡度相关系统测定的λE与NEE对CPCEM进行验证,显示CPCEM模拟的生态系统净交换速率(NEE)与实测结果变化非常一致,二者的根均方差仅为2.94μmol·m?2·s?1,CPCEM模拟的潜热通量(λE)与实测结果变化趋势比较一致,但模拟结果比实测结果偏高.     

多次各向异性散射模式对S波能量密度包络曲线的影响

在多次各向异性散射理论的基础上,本文重新推导了方向性散射系数的球函数展开式.引入特征时间的概念,来定义震源处初始地震波脉冲宽度,并在地震波能量密度积分方程中引入任意给定频率的初始脉冲能量谱密度的解析表达.通过离散波数方法求解了修正的地震波能量密度积分方程.基于积分方程的数值解,研究了不同散射模式对S波能量密度包络曲线的影响.计算结果表明:随着震源距的增加,在S波到时之后,多次各向异性散射模式与多次各向同性散射模式合成的能量密度包络差异逐渐增大.其中通过多次前散射模式,我们可以得到不同震源距的尾波能量密度包络的同一衰减趋势,以及S波能量密度包络随着震源距的增加而出现的展宽现象.最后,利用美国内华达州Wells地震余震的台站记录验证了多次前散射模式的实用性与有效性.     

冠层光谱的多项式分析及生化参量反演

提出了一种冠层光谱的多项式表达模型和分解方法, 并将它用于反演冠层多角度光谱数据获取生化参量. 首先叙述了多项式表达的基本公式, 并分析了多项式的n阶项及系数的物理意义, 在此基础上给出完整的多项式表达模型, 以及反演多项式系数的分解方法. 通过对SAILH模型模拟的冠层光谱的分解, 多项式表达不仅能很好地拟合冠层光谱, 而且揭示了冠层的每一次散射对总反射的贡献. 以一次散射系数a₁₀和a₀₁为例, 可以看到多项式系数很好地反映了冠层光谱中的热点现象及观测角度、叶面积指数和叶倾角的影响. 利用多项式表达与叶片模型PROSPECT的耦合, 建立了冠层生化参量反演模型. 分别利用两种不同的冠层模型(SAILH模型和4-SCALE模型)模拟了冠层多角度光谱数据, 然后以多项式表达+PROSPECT模型反演, 以提取生化参量, 都取得了理想的结果. 在此基础之上, 利用实测的玉米冠层多角度光谱数据, 也获得了较为准确的叶绿素含量反演结果. 说明多项式分析提供了不依赖于特定冠层模型而反演生化参量的一条新思路.     

利用高频天波返回散射反演电离层水平不均匀结构

高频天波返回散射探测作为重要的电离层探测手段,能够实现遥远区域电离层空间上的连续监测,探测获取的返回散射扫频电离图显示了探测频率-群路径-回波能量三者之间的关系.由于电离图包含了探测路径上的电离层状态信息,通过对其反演可以实时获取大面积范围的电离层参数.本文提出了一种基于解空间约束的返回散射前沿反演算法,能够重构电离层水平不均匀结构.针对反演非线性问题,采用Newton-Kontorovich方法进行求解,同时又引入了求解不适定问题的Tikhonov正则化方法,有益于解的稳定性和唯一性.利用模拟数据和实测数据分别对本文建立的算法进行了验证,并与Fridman和Fridman于1994年提出的反演方法进行了对比.结果表明,本文算法反演结果稳定,对返回散射前沿判读误差不敏感,与Fridman和Fridman 1994年方法相比,本文方法对电离层局部精细结构反演更加准确,具有较高的反演精度.本文提出的算法不但能够反演白天和夜间这种电离层较平稳时期的电离层状态,而且对于日出/日落时段等电子浓度分布变化较快情形下的电离层,也有很好的反演效果,表明了该算法在处理复杂多变的实际探测的返回散射电离图中的应用价值.     

基于星载激光雷达GLAS和光学MODIS数据中国森林冠层高度制图

星载GLAS波形数据精确记录了光斑内所有探测目标的垂直结构信息,在森林结构参数反演方面具有极大的应用潜力,但GLAS激光脚印是不连续分布的离散点且密度较低（中国地区平均约为0.14 point／km^2）,因此仅利用GLAS数据不能获得高精度的连续植被高度分布。已有研究表明,相对其他光学数据及反演参数,MODIS BRDF参数最能反映植被结构信息。本文利用同时期（2008年2月）的GLAS与MODIS数据,首先采用小波分析方法提取GLAS数据的波形特征参数,通过ASTER GDEM数据计算地形指数,并辅以植被分类数据分三种森林类型分别建立基于波形特征参数和地形指数的树高估算模型;然后,通过神经网络训练建立基于GLAS树高和最佳MODIS BRDF波段组合的树高反演模型,并应用该模型得到中国森林植被平均高度的连续分布图;最后,利用野外实测树高和机载激光雷达数据提取树高分别对反演结果进行验证,结果表明该模型反演精度较高。     

成层土中桩土耦合扭转振动特性理论研究

假设桩周土层为成层黏弹性体,土体材料阻尼为黏性阻尼,从三维轴对称角度出发,对任意激振扭矩作用下,成层土中完整桩与土扭转耦合振动时的桩顶振动特性进行了理论研究.首先建立定解问题,然后利用拉氏变换求解得到其振动角位移的形式解,并利用桩土接触界面处的连续条件来考虑桩土耦合作用,使用桩段阻抗函数的传递性进行逐层递推求解,最终得到桩顶频域和时域响应的理论解.通过参数影响分析研究发现,成层土中桩顶复刚度主要受上部土层动力特性及性质影响;随着上层土模量增大桩顶复刚度的刚度部分也相应增大,阻尼部分相应减小.成层土由于土层模量变化,桩的导纳曲线有大峰夹小峰循环的特征.当上层土模量大于下层土模量时,在土层分界面时域波形与初始脉冲反向,反之则同向,土模量突变导致的时域波形的特征反射较平缓,幅度不大.     

机载激光雷达森林叶面积指数反演研究

叶面积指数(LAI)是分析冠层结构最常用的参数之一,它控制着植被的生物物理过程,如光合、呼吸、蒸腾、碳循环和降水截获等,因此快速、可靠和客观地评价LAI非常重要.本文发展了激光穿透指数(LPI)的简化计算方法,首次利用校正后的回波强度计算出LPI,以LPI为变量基于Beer-Lambert定律实现了甘肃大野口研究区森林LAI反演,并且与原始回波强度和回波数反演LAI的精度进行对比,结果发现通过距离和角度校正后的回波强度值能提高LAI反演精度.为了评价模型的可靠性和泛化性能,用留一法交叉验证程序(LOOCV)对最佳反演模型进行了验证,表明该模型没有过度拟合,具有很好的泛化能力.最后,用没有参加建模的16个实测LAI对预测值进行精度验证(R²=0.810,RMSE=0.198),发现校正后的回波强度反演山区森林LAI精度较高.本文还对激光雷达LAI反演结果与传统光学TM影像的反演结果进行了对比分析,结果表明机载激光雷达反演LAI精度(R²=0.825,RMSE=0.165)高于光学TM遥感数据(R²=0.605,RMSE=0.257),因此,可用激光雷达数据实现研究区的高精度LAI反演,为生态环境研究提供可靠的基础数据.