几种不同下垫面地表粗糙度动态变化及其对通量机理模型模拟的影响

在众多地表通量模拟模型和遥感通量反演模型中,空气动力学粗糙度(z0)是一个重要的地表参数.选取代表典型农田的禹城站,代表复杂下垫面的千烟洲站和代表森林下垫面的长白山站3个通量观测站的风速和温度廓线资料,运用最小二乘法拟合迭代,分别计算得到各站点通量塔所在地的零平面位移和空气动力学粗糙度.在此基础上,分别分析不同下垫面的空气动力学粗糙度随作物高度和叶面积指数(LAI)、风向(地形)、风速、摩擦速度等因子的变化.并采用SEBS模型分析地表空气动力学粗糙度动态变化对地表通量计算的影响.结果表明空气动力学粗糙度随植被特征(如作物高度,叶面积指数等)以及风向、风速和摩擦速度等因子而变化.禹城和长白山站通量塔所在风浪区的空气动力学粗糙度明显随作物生长期植被高度及叶面积指数变化,即先随LAI增加而增加,达到峰值后,随LAI增加而减小;千烟洲叶面积指数变化较小,空气动力学粗糙度随叶面积指数的变化不明显;地形较平坦的禹城和长白山站空气动力学粗糙度随风向变化较小,而地形起伏较大的千烟洲站空气动力学粗糙度随风向变化较大.随着风速的变化,禹城站空气动力学粗糙度没有明显变化,而千烟洲和长白山空气动力学粗糙度表现出随风速增加而减小的趋势.各站空气动力学粗糙度的这种动态变化对模型通量反演有较大影响,通过模型分析,5月1日～6月3日禹城空气动力学粗糙度日平均值、千烟洲及长白山通量塔空气动力学粗糙度5d平均值与模型所取z0值相比,由于z0的动态变化造成相同时间尺度显热通量H的计算相对误差的绝对值最大可分别达到2.726%,33.802%和18.105%.     

沙漠地区光学散射非对称因子反演研究

沙漠具有较高的地表反照率和较广的面积分布, 是地球系统的重要组成部分之一, 了解沙漠地区地表散射的各向异性对于全球地表辐射和能量平衡研究非常重要. 多角度卫星遥感技术的发展为在区域尺度上反演沙漠地表散射各向异性提供了机会. 本文首先利用Hapke模型和模拟数据研究了多时相和单时相星载多角度传感器MISR数据反演非对称因子的精度, 在此基础上, 利用单时相MISR数据反演了我国西北沙漠地区典型地表的非对称因子, 并与实验室测试数据的反演结果进行了对比. 结果表明, 可以用单时相的MISR数据反演沙漠非对称因子. 对室内测试数据反演的非对称因子是正值, 为前向散射. 从遥感数据反演的非对称因子是负值, 为后向散射, 其大小与地表状况有关. 地表相对平坦的塔里木盆地东部楼兰地区具有较大的负非对称因子, 后向散射强; 而地表较为粗糙的库姆塔格沙漠沙丘的非对称因子为弱的负值, 不具有优先方位的散射. 就遥感数据来说, 地表越粗糙不一定后向散射越强, 今后在应用经验方法表征地表粗糙度时应慎重.     

光滑地表面毁伤检测方法研究

光滑地面毁伤程度评估非常重要，目前评估方法主要是基于光学图像，可是在恶劣的气候或环境条件下，很难获得光学图像，合成孔径雷达（SAR）克服了这个缺点. SAR图像是地表结构和电特征等地球物理参数的映射，通过SAR图像反演地表结构参数，可以推测出光滑地面毁伤程度. 本文以几何光学模型（GOM）为基础，建立神经网络反演模型，以获得光滑地表面受损后的粗糙度参数：表面均方根高度（σ）和表面相关长度（l），并进一步评估光滑地表面受损程度. 实验结果表明该方法可行.     

星载SAR遥感图像反演海洋大气边界层高度

本研究将边界层相似理论与对流理论应用到具有海洋大气边界层(Marine Atmospheric Boundary Layer, MABL)对流特征的星载合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar, SAR)遥感图像,探讨了星载SAR遥感图像描述海气应力作用下水平扰动尺度变化的潜在可能性.针对具有三维对流涡旋Cell和二维水平滚轴涡旋Roll特征的星载SAR遥感图像,反演了中国海海域MABL高度,并与同步实验获取的MABL高度结果进行对比.结果表明,利用具有对流特征的星载SAR遥感图像反演MABL高度是可行的,展示了以高分辨率、大面积观测为特点的星载SAR遥感图像探测MABL的广阔前景.     

双相混合物等效介电常数探地雷达数值研究

等效介电常数是混合物微观结构的宏观表征,与介质的属性参数密切相关.在传统随机介质建模理论的基础上,通过增加量化约束限定条件,精准控制双相混合物各组成物质的体积占比,建立了 22个体积占比相同、孔隙粒径尺度不等和20个孔隙粒径尺度相等、体积占比不同的双相混合物介质模型,进行探地雷达数值模拟,研究超宽频带条件下双相混合物各组成物质体积占比和孔隙粒径大小对其等效介电常数及探地雷达波场特征的影响.结果表明:对于各组成物质体积占比相同、孔隙粒径尺度不等的双相混合物,其等效介电常数基本相同,说明混合物等效介电常数主要取决于其各组成物质的体积占比及其介电常数,但由于混合物内部孔隙粒径尺度不等,其电磁散射强度和能量衰减损失存在明显差异;对于孔隙粒径尺度相等、体积占比不同的双相混合物,其空气体积占比越小,等效介电常数越大,与Rayleigh模型、CRIM模型等混合物等效介电常数经验公式计算结果差值越小、吻合越好,同时,其散射波振幅强度和波形杂乱程度越弱,研究结果可为解译双相混合物介质属性参数提供参考和指导.     

SAR浅海水下地形遥感探测技术综述

SAR已成为浅海水下地形探测的重要技术手段之一.与传统浅海水下地形探测技术相比,SAR浅海水下地形遥感探测技术具有明显的经济效益.该水深探测技术通过对浅海水下地形SAR图像仿真模型的反演求解,从SAR图像中提取水下地形信息.本文回顾了SAR浅海水下地形遥感探测技术的不同数值模型和应用实例,并针对目前SAR浅海水下地形遥感探测技术存在的问题和今后研究方向进行了探讨和总结.     

基于改进全变差正则化的GPR多尺度全波形双参数同步反演

针对探地雷达（GPR）双参数全波形反演中电导率反演精度差、双参数存在串扰现象、反演计算量大、易陷入局部极值等问题.作者将具有多参数调节功能的L-BFGS算法引入到GPR时间域全波形反演中,它避免了对Hessian矩阵的直接存储与精确求解,减小了存储量和计算量.结合参数调节因子的选取,有效减小了同步反演时介电常数与电导率的串扰影响,在不降低介电常数反演精度的前提下,提高电导率参数的反演精度.通过在反演目标函数中加载改进全变差正则化方法,提高了反演的稳定性,使目标体边缘轮廓更加清晰.首先以简单模型为例,对比了单尺度反演与多尺度串行反演策略的优劣,说明多尺度串行反演有利于逐步搜索全局最优解;而开展参数调节因子的选取实验,说明合适的参数调节因子可以有效改善介质电导率的反演精度;测试了不同正则化的反演效果,表明改进全变差正则化能提高反演稳定性,显著降低模型重构误差.最后,分别对含噪合成数据和实测数据进行了反演测试,说明本文提出的多尺度、双参数反演具有较强的鲁棒性,能提供更丰富的信息约束,重构图像界面清晰、反演效果好.     

遥感反演连续植被叶面积指数的空间尺度效应

叶面积指数（LAI）是描述植被冠层几何结构的最基本的参数,是气候模型、地-气相互作用等过程的重要输入参数．近年来遥感反演LAI的尺度效应问题得到广泛关注．在作物冠层反射率模型基础上,讨论了LAI尺度效应的产生机制,并获得不同尺度之间LAI的转换公式,数值模拟试验和实际遥感图像试验都证明了该尺度转换公式的可靠性．     

波动方程初至波多信息联合反演方法

地震初至波中包含着丰富的近地表速度结构信息,如何分阶段、分尺度地利用这些信息进行近地表速度建模是地震勘探中的一个关键问题.在速度反演的不同阶段,综合利用初至波中的不同信息(如走时、包络和波形等)进行联合反演,可以有效地降低反演对初始模型的依赖程度,提高近地表速度模型的反演精度.为此,本文提出了一种统一基于波动方程正演引擎的初至波多信息联合反演方法,该方法同时匹配观测和模拟的初至波走时、包络和波形信息.在不同的反演阶段选择不同的权重因子调节不同信息的权重,这样不仅降低了反演对初始速度模型的依赖,而且自然地实现了多尺度反演.在每轮反演迭代中,一次正演模拟的波场同时应用于初至波走时、包络和波形匹配,无需额外的射线追踪.同时,联合反演方法在一定程度上缓解了串联反演中目标函数漂移问题,提高了近地表速度建模的精度.     

基于准晶体近似的多层积雪InSAR散射模型

积雪参数是水文模型、气候变化研究重要的指示因子,并且具有典型的垂直分层特性.遥感可反演获得大范围的积雪参数信息,In SAR技术在积雪垂直结构探测方面具有优势,In SAR散射模型可揭示电磁波与积雪介质作用的物理过程,是In SAR进行积雪垂直结构探测的基础.单层积雪的In SAR散射模型已经进行了较为充分的研究,但无法应用于多层积雪,针对此问题,本文利用准晶体近似理论(QCA)描述积雪的相干散射特性,引进分层因子描述积雪分层特性对SAR观测场共轭积的影响,构建了多层积雪QCA/In SAR散射模型,并以X波段(9.6GHz)为例,模拟了不同类型的多层积雪的体相干系数.结果表明,本模型适用于多层积雪,多层积雪的子层顺序对体相干系数有较大的影响;相对于单层模型,多层模型具有极化差异,理论更完整,具有更大适用范围.为使模型更易用于积雪参数反演算法,本文还发展了简化的多层模型,模型相对于完整模型损失了极化信息,但其模拟的不同积雪类型的相干系数与完整模型相比均具有比较好的一致性;分析表明所提出的同极化体相干系数差的辐角,相对于相干系数的辐角差,对积雪子层序列参数的差异更为敏感,更利于参数反演算法的发展.模型的建立对加深电磁波与积雪相互作用的认识,完善In SAR散射理论,以及发展积雪参数反演算法有重要意义.     

ASAR和TM数据协同反演植被覆盖地表土壤水分的新方法

考虑到主动微波和被动光学遥感数据反映地表土壤水分的各自优势,提出一种ASAR数据和TM数据协同反演植被覆盖土壤水分的半经验耦合模型.该模型通过简化MIMICS模型,将研究对象分为植被冠层和土壤层两部分,模拟了冠层叶片含水量与单位体积内植被消光系数,后向/双向散射系数的经验关系,减少了模型的输入参数,使模型最关键的输入参数为光学易于反演的叶面积指数LAI.LAI采用PROSAIL模型进行反演,实现微波和光学模型的耦合,并引入植被均方根高度（Sveg）来修正冠层重叠造成的雷达阴影效应,然后对半经验模型的系数进行了参数敏感性分析,发现在LAI较小时（LAI≤3）,模型更为适用.最后,选用甘肃黑河试验区的TM,ASAR数据,利用耦合模型生成了研究区土壤水分布图,并利用地面实测数据对该耦合模型和MIMICS模型进行比较验证.结果表明：通过对雷达阴影效应的校正,该模型反演的地表土壤水分与实测值的平均相对误差Er从17.6%减小到10.4%,RMS从0.055降低到0.031g/cm3.同时,耦合模型的反演效果明显好于MIMICS模型单独反演的结果（Er=22.7%,RMS=0.068g/cm3）;表明在LAI较小的区域,该主被动遥感耦合模型能有效的反演土壤水分,取得较好的反演精度.     

基于遥感信息的水平平流通量观测影响校正模型研究

能量平衡原理是遥感反演地表通量,波文比法计算地表通量的基础.但大量的观测数据表明,多数情况下,非均匀地表的地表能量是不闭合的,一方面是由于观测仪器的误差及各参量观测尺度差异造成的,更重要的则是由地表不均质性引起的水平平流效应导致的.因此,定量的估算水平平流效应对地表能量平衡的影响具有很重要的意义.以地表可供能量差、水分状况差异、风速和垂直空气温度梯度四个参数为基础,本文提出了一个基于遥感信息的水平平流通量观测影响纠正模型,其中引入了像元尺度与风浪区长度的关系.文章通过模拟计算,分析了模型中各参数对平流估算结果的影响,同时分析了水平平流的尺度效应问题.进一步,在地表实验数据的支撑下,给出了在农田下垫面情况下模型的验证结果.结果表明模型估算的能量变化率与实测的能量变化率有较好的相关性,经过纠正后的能量闭合状况有很好的改善.     

GPS无线电掩星后向传播方法

在大气多路径传播条件下,讨论了两种无线电信号的反演方法:几何光学方法和后向传播方法.当大气存在多路径效应时,采用几何光学方法反演大气参数会引入较大误差.后向传播方法将无线电信号从多路径区域反推至单路径区域,减少了大气多路径效应的影响.为了比较不同的反演方法,利用多相位屏模型,数值模拟了大气多路径条件下无线电信号在大气中...     

利用HJ-1B热红外数据估算晴天大气下行长波辐射

针对HJ-1B红外相机只有一个热红外通道的特点,本文利用大气辐射传输模型模拟和统计回归方法,发展了一个利用HJ-1B辐射亮温和大气水汽含量反演高分辨率大气下行长波辐射的参数化模型.为了分析模型的适宜性和误差来源,利用模拟数据对模型进行了精度评价,结果表明模型在大多数气候条件下反演结果较好,但在大气水汽含量较高时存在低估现象.误差分析表明,大气水汽含量、传感器辐射亮度、地表与大气的温差等方面的不确定性会对反演结果产生一定的影响.利用2009~2010年HJ-1B数据反演得到黑河流域和海河流域的瞬时下行长波辐射,并利用6个站点的地面观测数据对反演结果进行了验证.结果表明,除花寨子荒漠站外,其他各站点反演值与实测值的一致性较好,均方根误差在20W/m2左右,略好于MODIS数据的反演结果.花寨子站夏季时存在较多的高估现象,主要由地气温差过大引起,经过地气温差校正后,结果得到明显改善.     

带先验约束的地表参数提取的有效反演方法

地球表面的各向异性特性可以用地表二向反射函数（BRDF）恰当地描述.BRDF的核心是利用线性核驱动模型,数学上表述为各向同性核、体散射核和几何光学核的线性组合.随着多角度遥感领域的发展,BRDF模型越来越被看作是可以反演重要的有关地表生物的或气候的参数,比如说叶面积指数和地表反照率.一个线性逼近的核驱动BRDF模型通常可以写成下述形式（Roujean等,1992）：fiso＋kvol（ti,tv,φ）fvol＋kgeo（ti,tv,φ）fgeo=r（ti,tv,φ）,其中r表示地表的二向反射;kvol和kgeo为通常所说的核函数,即为已知的入射和观测几何特性的函数,分别描述了体散射和几何散射（包括折射和反射）;ti是太阳方向天顶角,tv是观测方向天顶角;φ表示太阳-观测方向的相对方位角;fiso,fvol和fgeo为未知的待反演参数,可以用来拟合观测.计算过程的稳定性是由核矩阵的代数算子特征谱和观测噪音/误差来刻画的.因此为了计算地表反照率,成功反演模型参数是至关重要的环节.我们首先考虑了为计算BRDF模型反演的光滑解方法.业已知道,这是一个不适定的反问题.不适定性是由线性核驱动BRDF模型的欠定性表征的,比如说观测严重不足或观测方向范围有限,或者是观测数据高度线性相关以及噪音的污染等.例如,一次单角度观测可以导致一个欠定的系统（核算子的零空间含有非零向量）或者系统无解（系数矩阵的秩不等于增广矩阵的秩）.因此,光滑性或正则化技巧应当加以利用来压制不适定性.Li等（2001）应用先验知识把原始模型转换为一个超定的模型并求得最小二乘解.Pokrovsky等（2002）应用QR分解反演BRDF模型.Wang等（2007）考虑到了反演的正则化策略并提出了不适定地表参数反演的一个完整的正则化理论.在文中,强调从不同的空间添加先验信息于反演模型中.首先从数学物理的观点,第一次提出了?     

星载微波ERS-1和多通道SSM/I观测海洋的相关性和随机粗糙面复合模型的数值模拟

欧洲遥感卫星（ERS）和美国防卫气象卫星计划（DMSP）空对地微波遥感是当今研究全球大气地表微波散射辐射和反演地球物理与水文参数的主要数据来源．本文研究了ERS－1散射计和SSM／I多通道辐射计在中国海域观测到的后向散射和热辐射数据,论证了同一地区同一时间段内ERS主动散射计和SSM／I被动辐射计观测数据的相关性．用海域主、被动遥感数据的比较,阐述了主、被动联合多通道分析方法有利于监视和分析复杂地表和海面在时间和空间尺度上的变化．用带泡沫散射层的双尺度随机粗糙面的复合模型计算后向散射和热发射,用以数值模拟ERS和SSM／I数据．并讨论了后向散射与热辐射数值模拟结果的相关性,以及与星载微波遥感器实际观测结果的比较．     

微测井和地震资料联合的近地表Q反演方法及应用

近地表吸收衰减是影响地震资料分辨率的重要因素,而求取准确的近地表品质因子Q值并进行补偿是解决这一问题的关键．为提高近地表Q建模精度,提出了一种利用微测井和地面地震数据初至的近地表Q反演方法．首先采用单尺度Gabor变换,对微测井初至进行时频谱求取,并基于频谱比法的思想求取微测井点处的Q值,然后对地面地震初至进行拾取和等效衰减量求取,以地面地震初至波的等效衰减量为匹配目标,建立微测井Q约束的目标函数,通过反演求解实现近地表Q建模．本方法能够同时借助微测井资料的纵向高精度和地面地震的横向高采样率,建立较为准确合理的近地表Q模型．对实际资料近地表Q建模与偏移补偿测试结果的分析表明,本文方法是正确和有效的．     

尺度转换规律与同步反演作物播种面积和叶面积指数

遥感作物估产是保证粮食安全的重要手段.然而中国田块破碎程度较高,在中低分辨率遥感图像上混合像元所占比例很高,混合像元信息分解问题成为中国实施遥感作物估产必须克服的首要难题.本文基于尺度转换规律,针对混合像元,提出了一个同步反演作物播种面积和叶面积指数的新方法.为解决作物的二向性反射及滤除土壤背景干扰的问题,采用了准确、简便的作物冠层反射率模型,利用高光谱优选波段的二阶微分方法很好地滤除了方向性和背景的干扰.选择甘肃省张掖市盈科灌区为试验区,区内主要作物为小麦和玉米,以2008年7月15日的Hyperion/EO-130m分辨率的高光谱数据为基础,通过将反射率值取平均的方法获得分辨率分别为180和1080m的图像,构成多尺度遥感图像系列,通过尺度转换规律反演计算了1080m分辨率图像上每个像元的播种面积和平均叶面积指数.用2008年8月10日的SPOT-510m分辨率多波段图像的分类结果作为近似真值,验证了播种面积的反演结果,结果表明以这一方法获得的农田空间分布规律与验证值一致,反演误差近似正态分布,误差在?0.1～0.1之间;并用地面实测的85个LAI-2000测量点配合手持GPS定位对平均LAI的反演结果进行了验证,反演平均LAI的标准差为0.34,结果表明这一方法具有较高的可信度.     

重力梯度全张量数据三维共轭梯度聚焦反演

随着全张量重力梯度测量技术的日趋成熟和应用领域的不断扩大,重力梯度全张量数据的三维反演技术越来越受重视.本文利用剖分单元之间几何架构等效性,实现了重力梯度全张量场三维正演快速计算和导数矩阵优化存储.并将积分灵敏度、粗糙度和最小支撑泛函约束以及参考模型和模型参数界限约束引入到目标函数中,采用共轭梯度法进行反演迭代,实现了重力梯度全张量数据三维快速正反演计算.多种模型的反演试算表明:本文提出的反演算法的可靠性和稳定性较好,并且算法速度快、占用内存低且易于并行化.     

大气GPS掩星观测反演方法

大气GPS掩星观测可获得全球的大气气象参量剖面信息.本文阐述了地球大气GPS掩星观测反演原理,详细介绍了其几何光学近似反演方法和全谱反演方法,提出了将几何光学反演方法和全谱反演方法结合以形成可以处理多路径掩星数据的反演新方案.该方案和几何光学反演方法应用于GPS/MET和CHAMP大气掩星数据反演,成功地获得了大气参量剖面.结果表明,新反演方案是可行的、有效的GPS大气掩星反演方案.