运用SAR图像和TM热红外图像定量反演地表空气动力学粗糙度的二维分布

在分析“陆地表面与大气相互作用”研究领域对地表空气动力学粗糙度二维分布的科学需求后, 确定以SAR (Synthetic Aperture Radar)图像的后向散射系数与地表的几何特征参数、介电常数等参数具有定量关系的SPM(Small Perturbation Model)模型为基础, 提出了运用TM热红外图像和地面同步观测的微气象数据相结合的热惯量-土壤湿度反演模型, 获取了试验区内土壤表层的湿度信息, 通过与介电常数的链结, 从SAR图像的后向散射的复合信息中解析出像元尺度的非体散射地表的几何特征信息; 经过形态因子的转换, 在SAR图像和TM图像空间尺度转换的基础上得出非植被区的等效几何粗糙度信息. 再应用作物高度的光谱模型, 计算出试验区的作物高度后, 转换为等效几何粗糙度. 采用分层镶嵌等图像处理方法, 生成了试验区像元尺度的地表等效几何粗糙度的二维分布图. 根据大气湍流理论和大气稳定度订正方法, 对测量的大气温度剖面数据和风速剖面数据进行迭代运算, 获取了试验区内裸土及小麦植被等类型地表风浪区的空气动力学粗糙度实测值. 在分析风浪区等效几何粗糙度、动力因子、热力因子对空气动力学粗糙度的共同作用后, 建立了由地表等效几何粗糙度向空气动力学粗糙度转换的尺度转换模型. 运用实测值验证了这一系列模型最终反演结果, 表明整个研究思路是可行的, 并可望应用于与空气动力学粗糙度有关的地-气相互作用的区域化研究领域.     

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?     

贝叶斯有限断层破裂分布模型反演研究进展

精确的有限断层破裂分布模型对于研究震源物理机制、评估地震灾害等具有重要意义.目前,有限断层反演通常采用线性最小二乘方法,但该方法存在一定局限性：（1）不易评估完全的参数空间,因而不利于评估非高斯分布的参数不确定性;（2）为了提高反演稳定性,在反演中通常施加断层滑移平滑约束（正则化）,但平滑强度的确定具有一定主观性;（3）断层几何设置不同使得反演结果不尽相同;（4）难以顾及地球速度模型不确定等.与之对应,通过确定参数概率密度分布,贝叶斯反演提供了所有参数总体最优解,同时刻画不同参数之间协方差大小,可以有效克服上述问题.特别是过去十余年间,随着计算机算力飞速提升,贝叶斯反演得到了越来越多应用.通过阐释贝叶斯有限断层反演理论与技术,本文试图梳理近年来贝叶斯有限断层反演成果,最后展望贝叶斯有限断层反演发展趋势.     

ERS-2 SAR反演海洋风矢量的研究

SAR(Synthetic Aperture Radar)反演海洋风矢量是当今微波遥感领域非常有意义的前沿课题. 本文首先介绍了星载SAR估算海面风向、风速的基本原理和三种主流反演算法,接着给出反演的流程图以及重要步骤. 然后,以2002年5月7日香港地区ERS-2 SAR海洋图像为例,对经典的SWDA (SAR Wind Direction Algorithm)－谱分析方法加以改进,求得具有180°模糊度的风向,并用香港天文台气象浮标实测数据消除了风向不确定性. 最后,利用CMOD4 GMF（Geophysical Model Function,地球物理模式函数）计算得到海面上10m高的风速. 与气象浮标站实测资料相比,利用ERS-2 SAR图像获取的海面风向、风速的精度均较高. 这一结果表明：如果对SAR预先进行ADC(Analog to Digital Converter)改正以及精确校准,结合改进的SWDA和CMOD4,可以获得高精度的风矢量.     

机载SAR探测图像中归一化雷达截面随入射角变化规律应用

机载SAR对海探测时,探测范围小和时空匹配难等局限使其无法借助风条纹和辅助资料反演海面风矢量.本文在仿真研究CMOD5.N地球物理模型参数的函数关系,实例分析机载SAR探测图像中距离向均值曲线变化规律的基础上,发现相同风向、风速条件下,CMOD5.N模型构建的标准曲线和探测图像的距离向均值曲线遵循统一的归一化雷达截面随入射角变化规律,且两者具有良好的相关性.据此,本文提出将距离向均值曲线与标准曲线逐条匹配,采用相关系数判定两者的相关程度,选择使得相关系数绝对值最大的标准曲线作为最优匹配曲线,进而直接确定风向和风速的海面风矢量反演方法.机载SAR飞行探测实验结果表明,海面风矢量反演结果与浮标观测结果的均方根误差为风向11.3°,风速0.9m·s-1,高于反演精度指标要求,原因在于该方法既避免了机载SAR探测图像中斑点噪声的影响,又不会产生局部最优解,提高了海面风矢量反演精度.     

定量遥感反演作物蒸腾和土壤水分利用率的区域分异

首先讨论了在农业生态站建立的行之有效的、以遥感数据为主体的作物蒸腾二层模型.重点阐明了以多时相辐射温度和热惯量信息为基础的作物地表混合像元（视场）温度的分解模型,在遥感反演过程中提出了一些在模型和算法方面的优化和改进:提出了一个区域比辐射率估算的算法、提出了运用地表温度的静态反馈算法和扩展生态台站的空气温度到区域的算法.并在LUCC分类技术的支持下,提出了以地面粗糙度和辐射温度为参数的地面2m高的气温和风速的空间扩展算法.最后应用 NOAA-AVHRR和地面同步观测及其定标,按像元逐点运算,反演了华北地区农田作物蒸腾和水分利用率的区域分布.揭示了春天华北地区水资源在农业上的利用效率,为采取有效的节水措施提供了科学依据.     

星载重轨极化干涉SAR反演森林植被高度

机载双天线极化干涉SAR反演植被参数得到广泛应用,并取得较好的反演精度.然而对于星载的单天线极化干涉SAR系统,只能采取重轨方式获得极化干涉数据,且该数据受到较为严重的时间去相干的影响.因此,利用星载极化干涉SAR数据反演植被参数不得不考虑时间去相干的影响.由于时间去相干的影响,经典RVoG模型已经被证明对植被区域的极化干涉SAR数据进行反演的结果有较严重的偏差.针对这一问题,基于RVoG模型的TD-RVoG模型被提出,用于消除时间去相干的影响,但该模型未知参数太多,难以应用于单基线极化干涉数据反演植被高度.在原始TD-RVoG模型的基础,提出一种新的运动时间去相干模型,减少了未知参量个数,并采用三阶段法反演植被高度.利用星载重轨极化ALOS/PALSAR数据进行模型验证,结果显示新模型整体反演结果误差在1.5 m以内.     

基于线弹性位错模型及干涉雷达同震形变场反演1997年玛尼Mw75级地震参数－Ⅰ.均匀滑动反演

1997年11月8日西藏玛尼Mw75级地震是干涉雷达技术应用于地震观测以来的一次重要事件.Peltzer等认为该形变场体现了地壳的非线性弹性形变响应，挤压象限和拉张象限的杨氏模量比值为2.相同的情形并没有在其他地震同震形变场中发现，通常用线弹性理论就能够很好地解释观测数据.考虑到他们所用断层模型的简化程度和纯走滑约束等，本研究认为非线性弹性解释是牵强的.应用广泛使用的Okada线弹性位错模型，采用卫星观测得到的地表断层位置，去除倾滑为零的约束，基于非线性优化反演方法寻求拟合雷达观测的最佳断层几何参数和均匀滑动参数.结果表明，线弹性模型能够满意解释观测数据.断层在朝阳湖以东的段落最深达到165 km，随着断层向两侧延伸，深度逐渐减小；反演得到的断层倾     

基于线弹性位错模型及干涉雷达同震形变场反演1997年玛尼Mw75级地震参数－Ⅰ.均匀滑动反演

1997年11月8日西藏玛尼Mw75级地震是干涉雷达技术应用于地震观测以来的一次重要事件.Peltzer等认为该形变场体现了地壳的非线性弹性形变响应，挤压象限和拉张象限的杨氏模量比值为2.相同的情形并没有在其他地震同震形变场中发现，通常用线弹性理论就能够很好地解释观测数据.考虑到他们所用断层模型的简化程度和纯走滑约束等，本研究认为非线性弹性解释是牵强的.应用广泛使用的Okada线弹性位错模型，采用卫星观测得到的地表断层位置，去除倾滑为零的约束，基于非线性优化反演方法寻求拟合雷达观测的最佳断层几何参数和均匀滑动参数.结果表明，线弹性模型能够满意解释观测数据.断层在朝阳湖以东的段落最深达到165 km，随着断层向两侧延伸，深度逐渐减小；反演得到的断层倾     

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.     

建筑物震害多源遥感特征与机理分析

随着遥感信息源的不断增加,多种遥感数据被用于详细判读建筑物的震害情况.为准确判读震害等级与建立震害自动识别模式,本文收集整理了汶川地震震区的震害遥感图像,通过目视判读、图像处理、统计分析,重点分析了各类震害建筑物在光学影像中的特征表现、在合成孔径雷达图像中的成像机理特征以及在激光雷达图像中的三维特征.在此基础上构建了建筑物简化模型,并联合光学影像和雷达图像对震害建筑物的影像特征剖面予以分析.结果显示:光学遥感图像色彩信息符合人眼色觉原理,具有较好的直观判读效果;合成孔径雷达图像能够记录地物侧面、表面的粗糙程度和角反射特点,信息量丰富但不直观;激光雷达图像能获取建筑物的三维信息,因此震害评估工作中需有效地综合利用多源遥感数据,才能实现最佳的判识效果.      

The retrieval of two-dimensional distribution of the earth''''s surface aerodynamic roughness using SAR image and TM thermal infrared image

The research for the land surface fluxes has madea quiet great progress for its breakthroughs in the fieldof regional or global interactions between land surfaceand atmosphere. However, many remote sensing mod-els for estimating the land surface fluxes need the pa-rameters of surface momentum, heat, resistance ofwater vapor at a referenced height, which are the func-tion of aerodynamic surface roughness zad. It hasbeen validated that the retrieval of the land surfacefluxes is very sensitive to…     

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.     

基于遥感和GIS的建筑物震害损失评估方法研究与实现

介绍了一种使用遥感技术进行震后损失快速评估的方法,评估流程包括震害提取和损失评估两个部分。评估方式根据需求可以分为基于震害指数的评估和基于图像分类结果的评估两种模式,前者通过震害指数与烈度的关系得到地面居民住地的宏观震害情况,结合地震应急数据进行建筑物损失评估;后者采用图像处理技术,选取典型震害样本以图像分类技术得到地面居民住地的分级分类的震害结果,然后计算参数进行损失评估。损失评估的计算根据震害提取模式而不同。这种遥感震害评估方法和计算流程结合了遥感和GIS技术,以满足实际工作需求目标,提高了震害提取的自动化程度,实现多人工作模式,通过有效率的人机交互来提高遥感震害评估的速度。     

The effect of roughness in simultaneously retrieval of land surface parameters

Using remotely-sensed data, various soil moisture estimation models have been developed for bare soil areas. Previous studies have shown that the brightness temperature (BT) measured by passive microwave sensors were affected by characteristics of the land surface parameters including soil moisture, vegetation cover and soil roughness. Therefore knowledge of vegetation cover and soil roughness is important for obtaining frequent and global estimations of land surface parameters especially soil moisture.In this study, a model called Simultaneous Land Parameters Retrieval Model (SLPRM) that is an iterative least-squares minimization method is proposed. The algorithm estimates surface soil moisture, land surface temperature and canopy temperature simultaneously in vegetated areas using AMSR-E (Advance Microwave Scanning Radiometer-EOS) brightness temperature data. The simultaneous estimations of the three parameters are based on a multi-parameter inversion algorithm which includes model construction, calibration and validation using observations carried out for the SMEX03 (Soil Moisture Experiment, 2003) region in the South and North of Oklahoma.Roughness parameter has also been included in the algorithm to increase the soil parameters retrieval accuracy. Unlike other methods, the SLPRM method works efficiently in all land covers types.The study focuses on soil parameters estimation by comparing three different scenarios with the inclusion of roughness data and selects the most appropriate one. The difference between the resulted accuracies of scenarios is due to the roughness calculation approach.The analysis on the retrieval model shows a meaningful and acceptable accuracy on soil moisture estimation according to the three scenarios.The SLPRM method has shown better performance when the SAR (Synthetic Aperture RADAR) data are used for roughness calculation.     

Piecewise 1D laterally constrained inversion of resistivity data

In a sedimentary environment, layered models are often capable of representing the actual geology more accurately than smooth minimum structure models. Furthermore, interval thicknesses and resistivities are often the parameters to which non‐geophysicist experts can relate and base decisions on when using them in waste site remediation, groundwater modelling and physical planning. We present a laterally constrained inversion scheme for continuous resistivity data based on a layered earth model (1D). All 1D data sets and models are inverted as one system, producing layered sections with lateral smooth transitions. The models are regularized through laterally equal constraints that tie interface depths and resistivities of adjacent layers. Prior information, e.g. originating from electric logs, migrates through the lateral constraints to the adjacent models, making resolution of equivalences possible to some extent. Information from areas with well‐resolved parameters will migrate through the constraints in a similar way to help resolve the poorly constrained parameters. The estimated model is complemented by a full sensitivity analysis of the model parameters, supporting quantitative evaluation of the inversion result. Examples from synthetic 2D models show that the model recognition of a sublayered 2D wedge model is improved using the laterally constrained inversion approach when compared with a section of combined 1D models and when compared with a 2D minimum structure inversion. Case histories with data from two different continuous DC systems support the conclusions drawn from the synthetic example.     

SAR遥感图像在汶川地震灾害识别中的应用

汶川地震发生后,受阴雨天气的影响,光学遥感影像在救灾决策中的作用受到了很大的限制,而SAR图像由于其全天候的特点成为这次抗震救灾前期遥感信息保障十分重要的数据源.采用ENVISAT的ASAR作为数据源,利用多时相的雷达数据的幅度及相位信息对映秀及周边地区做了地震灾害识别,其中利用震前震后的幅度图像做比值变化检测,在映秀镇及紫坪铺水库等山区取得了较好的效果;利用相位信息做干涉处理得到的相干图像,经过失相干分析,发现建筑物的破坏等级与相干系数变化指数的大小高度相关.比较这两种方法,在都江堰等平原地区由于失相干现象不像山区那么严重,并且利用比值处理可以去除部分空间失相干及系统热噪声等带来的干扰因素,可以成为幅度图像的有益补充.结果表明,结合SAR幅度影像和干涉相干影像,可以在地震灾害评估中取得更好效果.随着极化干涉雷达技术的日益成熟,多时相幅度信息、相位信息等多特征SAR影像信息的融合会在救灾决策中发挥更大的作用.     

Feasibility of waveform inversion of Rayleigh waves for shallow shear-wave velocity using a genetic algorithm

Conventional surface wave inversion for shallow shear (S)-wave velocity relies on the generation of dispersion curves of Rayleigh waves. This constrains the method to only laterally homogeneous (or very smooth laterally heterogeneous) earth models. Waveform inversion directly fits waveforms on seismograms, hence, does not have such a limitation. Waveforms of Rayleigh waves are highly related to S-wave velocities. By inverting the waveforms of Rayleigh waves on a near-surface seismogram, shallow S-wave velocities can be estimated for earth models with strong lateral heterogeneity. We employ genetic algorithm (GA) to perform waveform inversion of Rayleigh waves for S-wave velocities. The forward problem is solved by finite-difference modeling in the time domain. The model space is updated by generating offspring models using GA. Final solutions can be found through an iterative waveform-fitting scheme. Inversions based on synthetic records show that the S-wave velocities can be recovered successfully with errors no more than 10% for several typical near-surface earth models. For layered earth models, the proposed method can generate one-dimensional S-wave velocity profiles without the knowledge of initial models. For earth models containing lateral heterogeneity in which case conventional dispersion-curve-based inversion methods are challenging, it is feasible to produce high-resolution S-wave velocity sections by GA waveform inversion with appropriate priori information. The synthetic tests indicate that the GA waveform inversion of Rayleigh waves has the great potential for shallow S-wave velocity imaging with the existence of strong lateral heterogeneity.     

The common focal point and common reflection surface methodologies: subsets or complements?

The common focal point (CFP) method and the common reflection surface (CRS) stack method are compared. The CRS method is a fast, highly automated procedure that provides high S/N ratio simulation of zero‐offset (ZO) images by combining, per image point, the reflection energy of an arc segment that is tangential to the reflector. It uses smooth parametrized two‐way stacking operators, based on a data‐driven triplet of attributes in 2D (eight parameters in 3D). As a spin‐off, the attributes can be used for several applications, such as the determination of the geometrical spreading factor, multiple prediction, and tomographic inversion into a smooth background velocity model. The CFP method aims at decomposing two‐way seismic reflection data into two full‐aperture one‐way propagation operators. By applying an iterative updating procedure in a half‐migrated domain, it provides non‐smooth focusing operators for prestack imaging using only the energy from one focal point at the reflector. The data‐driven operators inhibit all propagation effects of the overburden. The CFP method provides several spin‐offs, amongst which is the CFP matrix related to one focal point, which displays the reflection amplitudes as measured at the surface for each source–receiver pair. The CFP matrix can be used to determine the specular reflection source–receiver pairs and the Fresnel zone at the surface for reflection in one single focal point. Other spin‐offs are the prediction of internal multiples, the determination of reflectivity effects, velocity‐independent redatuming and tomographic inversion to obtain a velocity–depth model. The CFP method is less fast and less automated than the CRS method. From a pointwise comparison of features it is concluded that one method is not a subset of the other, but that both methods can be regarded as being to some extent complementary.     

同时震源数据的加权结构增强最小二乘逆时偏移

同时震源（Simultaneous-source,SS）地震采集技术能有效地提高地震数据采集效率,但直接对SS混合数据偏移成像会在最后的成像剖面中引入很强的串扰噪声.将SS数据偏移成像看作一个反演问题,利用最小二乘（Least-squares,LS）求解是压制SS直接成像中串扰噪声的一种有效尝试.构造增强滤波（Structure-enhancing filter,SE）约束的最小二乘逆时偏移（LSRTM）方法可以有效地压制SS数据成像中的串扰噪声,但SE实质为低通滤波,会将成像中的陡倾角等细节信息平滑涂抹,降低成像分辨率.本文在利用SE对LSRTM约束的基础上,提出了基于加权构造增强约束的LSRTM方法（WSE-LSRTM）并应用于SS数据的反演成像中.该方法不仅能够有效地压制串扰噪声（cross-talk）、保留结构信息,而且可以保护成像中的陡倾角结构不被过度平滑而破坏.在对简单模型和复杂Marmousi模型的数值测试中,该方法都取得了良好的效果.