多视图协同的海洋多要素环境数据关联关系分析方法

海洋事件离不开各要素环境数据的共同作用,获取要素之间的关联关系从而进行海洋事件的预报预测,是一个亟待解决的问题。为此,本文提出一种多视图协同的关联关系分析方法来度量海洋各要素数据间的关联关系。首先,在传统平行坐标技术的基础上增加刷技术、轴排序等功能对海洋多要素数据进行初步探索,同时引入散点矩阵图展示各要素的分布;其次,以平行坐标中数据线间的角度、面积以及散点图中要素分布的距离为差异度量方式,对计算得到的差异构建相似性矩阵;再次,采用多维标度法得到原始多要素数据在低维空间中的表达;最后,使用K-means算法对降维后的低维度数据进行聚类分析。本文提出的方法从视觉角度对数据进行分析和特征挖掘,并得到高维数据在低维空间上的可视化展示,实现了有效量化海洋数据不同要素间的相关关系。     

海洋-大气二氧化碳通量的观测技术

大范围稳定地获取海洋-大气系统中二氧化碳的精确数据,是海洋科学、大气科学以及全球变化科学和可持续发展科学计划中的重要任务.准确评估海-气CO2通量需要对海洋和大气中相关参数的同步精确连续观测,需要发展和建立海-气CO2通量的立体观测平台.该观测平台包括岸基、船基、航空、卫星和浮标等系统,主要技术包括走航大气和海水观测技术、浮标海-气CO2通量观测技术、极区海洋-大气CO2通量的观测技术和遥感海洋-大气CO2通量观测和评估技术.     

基于机器学习集成算法的电离层层析算法迭代初值精化

GNSS电离层层析技术在电离层探测中扮演着重要角色,然而,由于观测数据不足或分布不均,导致层析模型中固有的不适定性问题成为制约该技术推广应用的主要瓶颈,其主要表现在无信号射线像素的反演电子密度对初值比较依赖,而初值通常是由精度不高的经验模型给出,从而拉低了电离层层析的整体精度.针对该问题,本文提出了一种基于机器学习集成算法(XGBoost)的电离层层析新方法(XGB-CIT),即基于传统层析算法,利用多个连续时段中有信号射线像素的特征及其电子密度反演值对机器学习模型进行训练,然后预测后续时段中所有像素的电子密度,并以此作为电离层层析的迭代初值,实现对电离层层析算法迭代初值的精化以及层析精度和效率的提升.利用湖南省连续两天共46个时段的CORS观测数据进行层析反演,并以23个连续时段为滑动窗口构建机器学习模型进行初值预测,并在此基础上利用正演误差和电离层测高仪数据对XGB-CIT的精度和适用性进行检验.其结果表明：相较于IRI2016模型,XGBoost算法提供的迭代初值精度提高了68%,而基于该初值得到的XGB-CIT模型,其精度和效率也比传统层析方法有所提高,其中收敛速度提高了20%...     

多分类器组合的遥感影像分类方法

针对传统遥感影像分类方法效果不够理想,单一分类器各自存在不足等问题,该文提出了一种基于多分类器组合的遥感影像分类方法。采用级联和并联相结合的方式对多种子分类器进行组合;利用改进的基于先验知识的投票表决规则,实现遥感影像准确分类。以岳阳市TM遥感影像为例,采用多分类器组合方法进行分类处理,并将处理结果与单一分类器处理结果进行比较。通过误差矩阵对比可知,多分类器的Kappa系数精度高于单一分类器;对分类效果图进行对比分析,在细部效果方面多分类器分类效果优于单一分类器。研究结果表明:组合分类器的遥感影像分类效果明显优于单一分类器,且具有更好的扩展性。     

Hyperion高光谱影像的分析与处理

EO-1 Hyperion是新型地球观测卫星,也是一颗实验性的高光谱星载卫星.Hyperion影像具有高光谱分辨率的特点,同时该传感器在波段的辐射定标参数、影像的坏线和条带、以及光谱的Smile效应等处理方面有待改进.针对黑河上游祁连山区的Hyperion影像,进行了DN值分析,DN值转换辐亮度值、影像条带去除和坏线替换、光谱Smile效应校正,以及经MODTRAN辐射传输的大气订正等处理,获得了高光谱分辨率的雪反射率的反演网像,为研究区积雪面积的提取、雪粒径和雪反照率的反演等后续工作提供了基础图像.     

高寒山区冻土对水文过程的影响研究——以黑河上游八宝河为例

冻土对寒区水文过程具有重要的调节作用,是寒区水循环研究的核心内容之一.在分布式水文模型中对土壤冻融过程进行显式表达,对探索寒区水循环的机理、定量研究寒区流域径流的时空变化十分重要.先在黑河上游八宝河流域对考虑了土壤冻融过程的分布式水文模型进行简单验证,然后分析土壤冻融对流域水文过程的影响.对考虑和不考虑土壤冻融的模型模拟结果进行对比,发现冻土对流域的产流方式和速度有很大的影响,主要表现为：1）考虑冻土时,流域产流以壤中流为主,径流对降雨或融雪的响应速度较快,径流过程线变化较为剧烈,径流系数较高.冻土有效地阻碍了入渗过程,促进地表径流和壤中流的形成.壤中流发生的平均土壤深度冬季深,春季浅,年平均深度约为1.1 m;2）在不考虑冻土时,土壤下渗能力强,地下水补给是考虑冻土时的3倍,流域产流方式以基流为主,径流对降雨或融雪的响应速度减缓,径流过程线较为平滑,夏季洪峰在时间上存在明显的延迟.即便在降水强度较大的夏天,流域内都不会产生地表产流,而且壤中流产流的平均土壤深度平稳地处于2.4 m左右.研究对从机理上认识土壤冻融对水文过程的影响有一定的帮助.     

面向海洋时序数据异常模式发现的多视图协同可视分析

如何发现多要素海洋环境时序数据中蕴含的由自然现象导致的异常模式,进而实现对海洋事件发生的有效预测,是一个亟待解决的问题。本文提出了一种面向海洋环境时序数据异常模式挖掘的多视图协同可视分析方法,首先计算出多要素数据间的相似性矩阵,通过多维标度法(Multi-Dimensional Scaling, MDS)投影降维,将投影结果通过密度聚类（Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise, DBSCAN）生成时序MDS聚类视图,表达多要素数据的时序特征,用于发现多要素叠加后的异常模式;其次,再基于相似性矩阵计算每个要素熵值,生成与时序MDS聚类视图对应的多要素信息熵视图,表达每个要素在时序上的不确定性,用于确定不同要素对异常模式的贡献度;最后,针对异常模式,提供由对应原始数据投影生成的焦点平行坐标视图,进一步的分析要素之间的相关性强弱和数据内部具体的变化趋势。将本文方法应用于东山台站（23.9N、117.5E）、遮浪台站（22.6N、115.5E）附近海洋数据,发现数据由台风造成的异常模式和要素之间的相关性,证明本文提出的多视图可视分析方法的有效性,方法具备发现多要素时序数据蕴含的异常模式的能力。     

基于HY-2 卫星观测分析南海风浪关系

海面有效波高(H1/3)是表征海浪的重要参数,随着卫星遥感技术的发展,雷达高度计已成为获取海面有效波高的重要手段,但也只能对卫星星下点轨迹处进行有效观测,远无法满足大范围应用的需求.本研究结合2013年10月HY-2雷达高度计观测的海面有效波高和微波散射计观测的海面风场资料,分别对高、低风速下风浪数据进行拟合,建立了适用于0~40 m/s风速范围内的南海海域风浪关系模型,经模型比对和结果验证,结果表明,基于HY-2卫星数据分析建立的南海海域风浪关系模型是可信的,特别是低风速的风浪模型与实测数据建立的风浪模型具有很好的一致性;根据建立的风浪关系模型,从卫星散射计大面观测的海面风场出发,能推算出风浪条件下海面有效波高的大面信息,数据覆盖远高于卫星高度计的星下点观测,能为分析和预报海浪、风暴潮灾害提供大范围的海面有效波高信息.     

基于Himawari-8数据的夜间海雾识别

海雾是一种发生在海面的灾害性天气现象,掌握海雾的分布与生消变化,能有效地减少海雾带来的危害。卫星遥感观测具有近实时、大范围覆盖、连续观测等特点,特别是高时间分辨率的静止卫星观测系统,能够对海雾的发生?发展?消亡过程进行动态跟踪观测。本文以2018?2019年黄、渤海发生的海雾事件为样例,利用日本静止气象卫星Himawari-8（H-8）红外辐射数据,分析海雾的多通道红外亮温辐射特性,通过不同波段差和波段比组合,定义海雾和晴空水体分离指数、海雾和一般云系分离指数、多通道亮温差斜率指数以及中红外亮温纹理指数,提出基于多指数概率分布的夜间海雾监测算法;算法分别应用于H-8和韩国静止气象卫星GEO-KOMPSAT2A（GK-2A）数据,对2020年2?6月发生的6次海雾事件多时次卫星观测识别出的海雾位置分布和覆盖面积进行对比实现互验证,结果表明,本文提出的夜间海雾监测算法能有效地实现夜间海雾的识别;选择2020年4月29日夜间H-8和GK-2A 每10 min一次连续观测数据的监测结果,对海雾的发生区域进行跟踪分析,清晰地展现出此次海雾事件的发生、发展演变过程,说明算法能清楚地监测出各时段海雾的分布,跟踪海雾的发展变化,可为海上大雾的防灾减灾提供科学依据和决策基础。     

SeaWiFS遥感资料分析中国海域气溶胶光学厚度的季节变化和分布特征

通过与地基气溶胶观测数据的对比,确认了SeaWiFS气溶胶光学厚度产品用于研究中国海域气溶胶分布和变化特征的有效性。在此基础上,分析了中国海域气溶胶光学厚度的季节变化和地理分布特征。研究结果表明,中国东部海域平均气溶胶光学厚度存在以中纬度为中心的纬向分布;受沙尘、季风气候的影响,中国海域气溶胶光学厚度存在季节变化,不同海区有不同的季节变化和分布特征。渤海、黄海及东海有类似的变化特征,春季都受到沙尘气溶胶的影响,使中国东部海域气溶胶光学厚度普遍高于0.160,且对东海的影响最大;夏、秋季逐渐减小,冬季有所回升。南海气溶胶光学厚度均值为0.150,随时间变化不明显,但地理分布变化显著;受季风气候的影响,从春季到冬季,气溶胶光学厚度高值中心从高纬海域向低纬海域转移,范围也逐渐扩大。冬季南海大部分海域气溶胶光学厚度都达到0.160以上,是整个中国海域冬季气溶胶光学厚度最大的海区。气溶胶光学厚度的季节变化和地理分布特征为研究中国海区域气候变化和海洋生态提供了依据。