风云三号卫星被动微波反演海洋上空云液态水含量

云液态水含量是气候和水循环研究的重要云微物理参数，也是目前气候变化研究中的最不确定因素之一。通过极轨气象卫星被动微波观测的光谱和极化特征能够实现对云液态水含量的直接测量，本文介绍了一种基于风云三号卫星微波成像仪（MWRI）观测亮温的全天候云液态水含量反演算法，利用快速辐射传输模式、云模型和大气廓线库建立MWRI模拟亮温库并训练反演系数的宽气候态物理算法可以保证算法系数在不同季节和不同地区的适应性。同时提出了一种基于观测增量（O-B）筛选晴空像元并对算法系数及比例因子进行订正的方法。利用统计直方图方法和卫星间交叉比对方法对反演产品精度进行了检验，统计直方图方法检验结果表明，FY-3C云水反演误差为0.028 mm，FY-3D为0.025 mm，与国外同类产品的精度相当；与低轨卫星微波辐射计GMI云水产品的交叉比对结果表明，两者具有较高一致性，均方根误差为0.0325 mm。FY-3C/3D CLW产品目前已经投入业务应用，上下午星组网能够一天内基本覆盖全球，实现全球云水分布监测。     

全极化微波辐射计对环境参数敏感性分析

为衡量全极化微波辐射计各通道对不同环境参数的探测能力,在构建全极化微波辐射传输正演模型的基础上,采用敏感性分析的方法,在固定背景场条件下,对全极化微波辐射计不同频率、各极化通道亮温对海面风速、海面风向、海面温度、大气水汽含量和云中液态水含量等重要环境参数的敏感度进行了分析和量化计算,对正演模型仿真亮温、星载全极化微波辐射计Wind Sat实测亮温相对于真实背景场参数、NCEP分析场资料和TAO/TRITON浮标实测海面风场数据的敏感性进行了分析。分析结果验证了全极化微波辐射计对海面风场的观测能力,衡量了上述重要环境参数对星载全极化微波辐射计各通道的单独影响程度,为中国自主研制全极化微波辐射计时通道指标设计、环境参数反演通道选取及算法提供支持。     

武汉地区大气特征的日变化及季节变化分析

大气温度和湿度是描述大气动力和热力状态的重要参数。重点分析武汉地区由微波辐射计测量获得的温度和湿度廓线、大气边界层高度(atmospheric boundary layer height,ABLH)以及液态水路径(liquid water path,LWP)廓线的日变化及季节性变化。首先在有云和无云情况下,对RPG-HATPRO型微波辐射计和探空气球的探测结果进行比较。微波辐射计反演得到的温度、湿度在2 km以下相较于探空气球偏低,2 km以上则均表现为偏高;观测精度会因天气条件的不同而变化,使用微波辐射计产品时,应着重考虑云的影响。然后分析2011—2015年各气象要素的日变化和季节变化,实现武汉地区对流层大气的热力学表征。ABLH从上午8时开始增加,下午15时达到最高值,之后开始下降,在夜间整体保持稳定。LWP在夜间含量要高于白天,冬季高于夏季。结合高度信息,分析得出相对湿度(relative humidity,RH)在0～1 km随高度的增加而上升,随后下降。对武汉地区气象参数的日变化与季节性变化进行观测与分析,为气象探测、大气污染研究、空气质量监测、天气预报等提供了可靠信息。     

利用最冷目标地物替代法计算Jason-2微波辐射计的年度漂移

本文研究最冷目标地物替代法计算Jason-2微波辐射计JMR年度漂移。针对Jason-2卫星微波辐射计(JMR),利用微波辐射计传输模型,建立JMR 3个通道的全球最低亮温观测值的理论计算模型,模拟其3通道全球地物观测最冷亮温;基于2008年—2012年Jason-2地球物理数据(GDR)产品中全球对地观测亮温序列和模型计算的最冷亮温,建立亮温序列的最小观测亮温统计模型,查找全球地物观测最冷亮温序列;根据地物年度变化特性,建立光谱分析模型,去除最冷亮温序列的年度谐波;去除年度谐波后,采用线性拟合的方法外推最冷亮温序列的理论最小值,并据此计算Jason-2微波辐射计仪器的年度漂移量。     

北斗室内导航伪卫星信号传播效应分析

室内场所因建筑物的遮挡,卫星导航设备无法接收导航信号而失去定位能力,伪卫星可以通过发射类似导航信号的方式独立进行定位。针对伪卫星信号在室内传播面临的功率衰减、多径衰落等问题,该文在经典室内通信模型的研究基础上,分析了伪卫星信号室内传播的应用环境和约束条件,建立了伪卫星信号室内传输的信道模型,并对伪卫星信号功率以及路径损耗、多径传播模型进行了计算仿真。仿真结果表明,对数距离路径损耗模型及莱斯分布多径模型可准确描述室内伪卫星信号的传输特点。     

实时定标微波辐射计的仿真研究

实时定标微波辐射计是一种新体制的微波辐射计,它能有效地消除系统增益波动和有效本机噪声波动的影响,适合星载应用。对以全功率微波辐射计为基础的实时定标微波辐射计进行了仿真研究,建立了系统各环节的仿真模型。在仿真试验中,采用了快速离散傅里叶变换处理信号,分析并缓解了由于频程跨度大带来的频率分辨率与采样点数之间的矛盾。仿真结果为优化设计提供了重要参考,并证明所建模型准确、有效,也为进一步实现星载环境仿真调试奠定了基础。     

山区地形效应对微波辐射特征与土壤水分反演的影响—以青藏高原地区为例

采用星载微波辐射计AMSR-E的低频C波段(6.925GHz),改进了山区微波辐射传输方程,以中国青藏高原地区为例,研究山区可能产生的多种地形效应对微波辐射特征以及土壤水分反演的影响。结果表明,地形效应使得垂直极化亮温最多衰减达到16K,水平极化的亮温最大增强了18K,土壤水分在地形的影响下将被高估超过最大允许误差4%。最后,利用地形效应模拟模型计算的山区地表有效发射率,为山区土壤水分的反演提出了可行的地形校正方法。     

地基GPS倾斜路径水汽计算方法研究

介绍了倾斜路径水汽的计算原理及微波辐射计探测水汽的方法,利用GPS与微波辐射计WVR的并址观测站2002年5月26日的观测数据进行实验,证明利用地基GPS可以实现倾斜路径上可降水汽量(SWV)的计算,其与WVR观测值的偏差平均值为1.83 mm,均方根误差为4.23 mm.实验同时证明:倾斜路径水汽含量与卫星高度角有很强的关系,高度角较低时,误差较大,高度角较低时,误差较小.     

MPDI在微波辐射计植被覆盖区土壤水分反演中的应用

大尺度上的土壤水分变化监测对于建立全球的水循环模型意义重大，是实现气候变化预测和洪涝监测的基础。星载辐射计为实现大尺度上土壤水分的监测提供了监测途径。但是在星载辐射计观测时，地表植被层的吸收和散射作用会对土壤向上的微波辐射产生衰减影响，这种影响在反演土壤水分的过程中必须予以计算和消除。原有的反演算法中，在计算这部分影响的时候，需要大量的关于地表植被状况的辅助数据，而这些即时的辅助数据往往不易获得。以AMSR—E数据为例，研究证明了微波极化差异指数（MPDI）能够反映地表植被覆盖状况。以中国华北、华东地区为实验区，选择2004年4月8日的AMSR—E亮温数据和MODIS数据为样本数据，建立起MPDI与NDVI之间的负指数关系方程。基于对NDVI的认识，得到植被覆盖度高、中、低三种状况所对应的MPDI域值，以此域值为依据对中等植被覆盖度地区作出自动判断，并用MPDI计算植被层不透明度。     

星载微波辐射计遥感反演云水量的一个算式

云柱含义水量（常称为云水路径,以下简写为Ｌ）是气象学中一个重要的物理参量。星载微波辐射计量目前监测全球范围云水路径分布和变化的最强有力的技术手段。已上天的微波辐射计（如ＳＳＭ／Ｉ）反演云水路径Ｌ的算式需要进一步改发展;将要上天的仪器（如日本的ＡＤＥＯＳⅡ－ＡＭＳＲ）反演式需要建立。采用物理－统计反演方法,建立了一个Ｌ反演算式。主要过程是,先根据辐射传输模式模拟得到的资料,建立云水量Ｌ与有云无云高温     

The influence of thermodynamic phase on the retrieval of mixed-phase cloud microphysical and optical properties in the visible and near-infrared region

Cloud microphysical and optical properties are inferred from the bidirectional reflectances simulated for a single-layered cloud consisting of an external mixture of ice particles and liquid droplets. The reflectances are calculated with a rigorous discrete ordinates radiative transfer model and are functions of the cloud effective particle size, the cloud optical thickness, and the values of the ice fraction in the cloud (i.e., the ratio of ice water content to total water content). In the present light scattering and radiative transfer simulations, the ice fraction is assumed to be vertically homogeneous; the habit (shape) percentage as a function of ice particle size is consistent with that used for the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) operational (Collection 4 and earlier) cloud products; and the surface is assumed to be Lambertian with an albedo of 0.03. Furthermore, error analyses are performed that pertain to the inference of the mixed-phase cloud effective particle size and optical thickness. Errors are calculated with respect to the assumption of a cloud containing solely liquid or ice phase particles. The analyses suggest that the effective particle size inferred for a mixed-phase cloud can be underestimated (or overestimated) if pure liquid phase (or pure ice phase) is assumed for the cloud, whereas the corresponding cloud optical thickness can be overestimated (or underestimated).     

AMSR-E/2观测辐射值反演水成物参数

基于先进的微波扫描辐射计AMSR-E/2观测的辐射值,利用-维变分算法(1D-Var)反演各类水成物(云水、雨水和云冰)的垂直廓线,并对其反演结果进行检验。以2014年8月台风"夏浪"为例,分两步对变分反演的云微物理参数进行了检验。首先,将反演的各类水成物含量补充到辐射传输模式的输入场,观测算子模拟的AMSR-2各通道亮温与实况观测相比非常接近,可以很好地模拟出台风外形、强度及螺旋结构。其次,将反演的水成物廓线与载在Cloud Sat上的云雷达CPR同时段观测的雷达反射率因子进行对比,发现反演出的云水、雨水含量大值区与毫米波云雷达观测的雷达反射率因子高值区一一对应,进一步说明1D-Var反演的水成物参数精度很高。然而,由于星载AMSR-E/2观测通道少且空间分辨率低,对尺度较小、较薄的云不敏感,同时对云层较厚的密闭云区和多层云区反演能力也有限。     

基于云量影像的日照百分率遥感集成模型

通过遥感影像云量数据和地面站点日照百分率观测数据建立遥感集成日照百分率模型,模拟遥感集成日照百分率的空间分布。基本思路是以空间尺度上的富余弥补时间尺度上的稀缺。云的移动是连续的,所以一幅云量遥感影像中,某一格网点周围一定区域范围内的云量都有可能对该点日照情况产生影响,因此对遥感总云量数据在日照轨迹内及云移动所经路径内重采样,能够更接近可照时段内云量的真实情况。然后按云量和日照百分率的负相关性,建立了日尺度的日照百分率遥感集成综合模型,实现对遥感集成日照百分率的模拟,完成日照百分率的遥感集成空间分布模拟图。结果表明：（1）重采样后的总云量克服了云量观测在时间上的局限性;（2）遥感集成日照百分率克服了气象站点空间上的局限性;（3）遥感集成日照百分率模型模拟精度相对插值法有显著的提高。     

多平台点云数据的单木参数提取精度分析

以浙江省海宁市4种代表行道树(广玉兰、无患子、悬铃木、香樟树)为研究对象,结合无人机(UAV)影像和三维激光扫描数据,利用ContextCapture、LiDAR360软件完成点云拼接、滤波、降噪和编辑,通过迭代最近点算法实现点云精细匹配,完成多平台点云数据融合,进而得到数字表面模型与数字高程模型,并制作冠层高度模型;采用分水岭分割算法对不同行道树树种的冠层高度模型进行单木分割,并综合局部最大值法实现单木树高、冠幅的参数提取。结果表明,本文方法进行行道树单木分割的精度高,树高、冠幅参数提取值的效果好,满足行道树几何参数调查要求。     

激光扫描与无人机一体化控制下的复杂体育场馆高精度三维重建

针对复杂体育场馆外部精细建模在完整性和精度方面存在的问题，本文提出了地面控制、地面激光扫描、无人机建模控制一体化的高精度建模方法。首先应用特制标志建立区域内控制、扫描、无人机高精度一体化坐标系统；其次对地面多站激光扫描点云结合控制坐标进行区域整体平差配准，生成一体化坐标系统下高精度地面点云模型；然后应用无人机数据和控制点生成一体化坐标下的高精度顶部数据；最后融合两种数据生成对象完整高精度精细模型。试验证明，整体平差解算方法可实现多站点云的高精度配准，一体化控制可实现非同源异质数据高精度融合，解决了复杂建筑对象的高精度建模问题，具有很大的实用价值。     

噪声调节主成分变换下的遥感图像薄云去除

针对在光学遥感图像中的地球表面反射率由于云覆盖所造成的衰减问题,本文提出了一种基于噪声调整主成分变换（NAPCT）模型的薄云去除方法。首先,通过噪声估计构建NAPCT除云模型,实现云图像的转换;然后,利用NAPCT第一成分（NAPC1）提供的云分布信息,通过合并云掩膜,对NAPC1上的浑浊像素进行校正;最后,将逆变换应用于云覆盖区域,并与原始的清晰像素镶嵌在一起,最终得到无云图像。利用模拟和真实的Landsat 8图像对本文方法的性能进行了定性和定量评估,试验结果表明：与传统方法相比,本文NAPCT方法提供了更好的均方根误差和峰值信号噪声比,在除云上具有更好的效果。     

多模态传感器系统在河槽边坡地貌测量中的应用

河槽边坡地形的观测是河流边坡侵蚀和稳定性研究的基础。2016年洪季,利用三维激光扫描仪、多波束测深系统、RTK、差分GPS等仪器组成的多模态传感器系统,对长江下游铜陵段窝崩边坡和马鞍山段侵蚀型河漫滩边坡进行了联合地貌测量,对边坡陆上、水下高精度三维地形点云数据进行了融合研究,成功实现了边坡陆上水下三维地形的一体化和可视化。结果表明,多模态联合测量手段及三维点云融合方法能够获取较高分辨率的河流边坡陆上与水下一体化三维地貌模型,利用该模型可对边坡整体地貌特征进行定量计算分析,实现对河流险段的监测与稳定性评估,具有一定的工程意义。     

TLS技术支持下的边坡点云重构与形变分析

针对边坡地形点云存在空洞、分布不均匀,以及直接建立表面模型进行形变分析效果差的问题,首先提出了一种改进反距离权重插值对地形点云快速压缩重构的方法,并以程序实现了该方法的自动化处理;然后快速地对压缩重构点云建立了NURBS曲面模型,并从面、线、点进行了全面形变对比分析;最后将计算结果与实测值进行了一致性检验,结果表明符合实际地形变化情况,实现了利用激光点云数据快速构建边坡模型并进行形变分析的目的。     

热红外与可见光数据的云边缘高度匹配

高分辨率数据中云高度的差异性突显,特别是边缘处高度在云阴影识别和地表辐射估算等方面成为需要考虑的重要因素。热红外数据获取云高度分辨率较低、缺乏细部差异性特征,为解决这一问题,首先将对应的热红外和可见光数据进行特征点配准,再将基于热红外数据计算的云高度重采样至高分辨率,然后以基于欧式距离变换的围线搜索方法及距离加权将热红外云边缘高度匹配至对应的可见光图像,最后根据云阴影的相似度匹配方法确定真实云高度。结果表明,算法在遵循热红外云高信息分布变化规律的同时,可以得到较准确的高分辨率云边缘高度,一定程度上解决了热红外技术获取云高在分辨率上的局限,扩展了其在云高反演方面的作用。