基于重叠正射影像的浅水水深测量方法

在立体影像双介质测量水深和多光谱影像反演水深的研究基础上,提出将两者集成的途径。在重叠正射影像的有纹理水域采用折射法获取水深值,将折射法获取的水深值作为多光谱反演模型的参考值,获取反演模型参数,将反演模型应用到无纹理水域,集成折射法和反演法的水深值,从而获取浅水区域的水下地形。以某浅海地区航空影像生成的左右正射影像为实验数据,采用折射法与反演法集成途径获取水深值,并与真值(激光水深点)进行回归分析,回归的决定系数(R~2)和均方根误差(RMSE)分别为0.9 m和0.45 m,验证了该集成途径的有效性和可行性。     

基于数字视差模型的立体影像最小二乘密集匹配

提出一种基于数字视差模型的立体影像最小二乘密集匹配方法。在高精度初始匹配点的基础上构建数字视差模型,利用多项式内插的方法预测出加密点的初始同名点位置,以结构相似性指数作为相似性测度进行加密点的粗匹配,然后利用最小二乘匹配算法将匹配精度提高至子像素级,最后由随机抽样一致性方法剔除误匹配点。实验结果表明,该方法能较为迅速地预测出加密点的同名点初始位置,且具有较高的匹配正确率,能得到十分密集的匹配点集,可以高效地应用于立体影像的密集匹配任务中。     

利用有理函数模型实现IKONOS影像的单片定位

分析了利用高分辨率卫星CCD影像进行单片测图的意义，介绍了目前有理函数模型在影像定位方面的应用情况，重点研究了一种利用有理函数模型实现单片定位的方法，即将有理函数模型的正解形式线性化并组成方程组，结合DEM数据，对方程组迭代求解以获取地面点坐标。实验结果表明该方法具有解算精度高和易实现等特点。     

山东半岛北部海洋动力环境的高频地波雷达观测

利用两台高频地波雷达(ground wave radar,WERA)站对山东半岛北部雷达覆盖海区的浪、流场进行了观测,并且利用海洋-大气-波浪耦合沉积输运模型(coupled-ocean-atmosphere-wave-sediment transport modeling system,COAWST)对该区域的一个强风暴过程进行了数值模拟,对雷达观测数据、现场声学多普勒流速剖面仪(acoustic Doppler current profilers,ADCP)调查数据和数值模拟结果进行比对分析发现,模型模拟的水位变化与ADCP测量结果一致,WERA所观测到的有效波高和ADCP结果比较吻合,模型模拟的ADCP站位的流速相位、大小与雷达观测结果比较接近,与ADCP的结果有一定偏差。雷达观测的海区流场结果与模型反映趋势基本一致,但是在近岸方向上变化较大,其原因可能与ADCP的投放位置、模型的分辨率设置等因素有关。高频地波雷达系统是海岸带动力环境观测的一个有效工具,在实际应用中有着广泛的前景。     

高频地波雷达海面有效波高探测实验研究

利用安装于福建龙海的OSMAR071高频地波雷达和位于雷达波束范围内金门料罗湾口的波浪浮标在2008年11月1日至2009年4月30日半年期间的观测结果,对Barrick波高模型进行改进和模型系数拟合、标定,讨论了改进模型系数的稳定性。结果表明,该模型能适应噪声和干扰等因素对宽波束雷达有效波高探测结果的影响。雷达观测反演回报的有效波高与浮标观测结果对比,二者时间序列的均方根误差为0.39m,相关系数为0.67。     

基于CatBoost和XGBoost组合模型的水深反演

为获取高精度的水深信息以满足海洋研究各领域的需要,提出一种CatBoost和XGBoost模型组合的水深反演模型。选取Sentinel-2A卫星遥感数据,以瓦胡岛为研究区域,引入CatBoost和XGBoost模型,对二者进行线性组合,构建CatBoost-XGBoost组合模型。实验结果表明：组合模型的决定系数、均方根误差、平均绝对误差以及平均相对误差分别为95.32%、1.29 m、0.86 m、20.51%,与单一模型相比,组合模型的水深反演精度有一定提高。     

弱流场调制下的海面微波散射模拟研究

根据海面微波散射的多尺度模型以及波流相互作用理论,对一维弱流场调制下的海面微波散射截面进行了数值模拟。结果表明,利用数值方法直接求解波作用量方程获得的海浪调制谱并结合多尺度模型可以较好地模拟弱流场引起的雷达散射截面的变化。内波等海洋现象调制了海浪谱,使得雷达散射截面反映出这些海洋特征,整个调制过程的模拟对于分析这些海洋现象并更好地利用其雷达数据具有重要意义。     

X-波段雷达近海海浪频谱反演的神经网络模型

X-波段雷达作为国内海浪观测的一种新工具,在海浪频谱获取和有效波高反演方面仍存在较多问题.本文利用非线性回归方法,将现场实测浮标数据频谱和雷达一维图像谱分别与标准频谱模型进行拟合,发现浮标频谱和一维图像谱具有标准频谱的特征,能够较准确地获取相应的谱参数.提出了建立由雷达一维图像谱参数反演海浪频谱参数的神经网络模型,同时在模型中加入影像序列信噪比,进而反演有效波高,并将反演结果与现场实测数据和传统算法(建立影像序列信噪比与有效波高之间的线性回归方程)进行了对比,结果表明,获取谱参数的误差和反演有效波高的平均误差在20％以内,而传统算法计算有效波高平均误差在20％以上.     

我国周边海域典型海洋锋特征建模研究

基于海洋锋空间位置、水平分布结构和垂直扩展特征等时空特征参数,结合海洋锋空间结构几何模型,建立了区域海洋锋温盐三维结构快速重构特征模型,对黄海西部沿岸锋和东海黑潮中段锋锋区温度场进行了仿真计算,并与实测数据进行了比较分析,实验结果表明：仿真结果与实测数据符合较好,实验结果验证了特征模型的有效性和可推广性。海洋锋区声速具有明显的水平梯度变化,对声纳的水下探测和反探测产生显著影响,因此,需要建立实时估计获取锋区水下温、盐结构的方法。海洋锋特征模型能够快速有效地重构海洋锋区温度场,为实时获取海洋锋水下结构特征提供了方法。     

南海北部海洋生态模型的参数分析及遗传算法优化

海洋生态系统动力学模型是研究海洋生态环境的重要手段。随着模型的发展, 生态参数取值不确定性增加, 对模型结果的影响逐渐增大, 因此模型参数优化显得尤为重要。本研究在南海北部应用一维物理-生态耦合模型, 通过对模型生态参数进行敏感性分析, 获取关键生态参数, 利用遗传算法对参数进行优化。结果表明, 模型中的敏感参数主要集中于浮游植物生长和浮游动物生长、摄食和死亡以及碎屑沉降等过程。针对以上参数利用遗传算法优化, 发现仅加入表层卫星数据, 模型表层和垂向模拟误差分别降低27.80%和21.40%; 加入垂向观测数据, 表层和垂向模拟误差分别降低14.90%和32.70%。遗传算法应用于海洋生态模型的关键参数优化研究, 所获取的参数对模型有明显的改善效果, 提高了耦合模型对生态系统的模拟精度, 为参数优化在三维模型中的应用提供了依据。     

基于SAR图像速度聚束调制的海浪反演研究

本文首先对合成孔径雷达（SAR）海浪成像中的3种调制（倾斜调制、流体力学调制与速度聚束调制）的影响进行了对比分析,结果显示:速度聚束调制对SAR图像的影响最为显著。另外,由于SAR图像中固有相干斑噪声的存在,较低波数范围的噪声难以滤除或抑制,利用经典MPI方法反演海浪谱会造成低波数范围谱值偏大。基于此,本文借鉴经典MPI海浪谱反演算法,建立了基于速度聚束调制的海浪方位向斜率谱和有效波高的反演算法。通过将经典MPI方法、同极化调制法及本文算法等3种海浪反演方法所得有效波高与浮标数据进行比较,结果显示:本文方法反演得到的海浪有效波高与浮标数据获得的有效波高之间的均方误差为0.79 m,为3种方法中最小。     

一种改进的基于逆Omega-K算法的海面场景SAR原始数据仿真方法

合成孔径雷达(SAR)海面场景原始数据仿真是研究海洋动力参数(表面波浪、风矢量和洋流)的有效工具。目前海面场景原始数据仿真方法已经基于逆Omega-K算法实现了海洋运动参数的空间变化。但是目前仅仅讨论了正侧视情况下的海面场景仿真,应用范围有限,同时没有考虑Stokes漂流以及Bragg相速度的影响,而这两者都是存在于真实海面的。通常情况下为了反演得到海面流场的二维速度矢量,雷达需要从两个不同的方位方向观察海面的同一个区域,因此这就需要考虑大斜视的雷达波束,同时Stokes漂流和Bragg相速度是SAR海表面流场观测不容忽视的两种运动。本文在不改变原有正侧视逆Omega-K算法的情况下,通过增加重新计算零方位时刻的斜视波束中心位置坐标,并据此确定SAR原始数据在多普勒域的位置来将其扩展到大斜侧视逆Omega-K算法,并通过时域Stokes漂流公式到频域内离散化Stokes漂流公式的推导来加入Stokes漂流,以及根据Bragg散射机制加入了Bragg相速度。仿真结果表明,经过聚焦成像后的SAR图像很好的体现了真实海面波浪场的形状,同时能够很好地反演出设定的雷达径向流场速度,且流速精度误差控制在6%以内。最后也证明了Bragg相速度以及Stokes漂流对于海面流场的影响不可忽视。     

基于理论的气旋条件下双极化C波段合成孔径雷达波参数检测

Theoretical-based ocean wave retrieval algorithms are applied by inverting a synthetic aperture radar(SAR)intensity spectrum into a wave spectrum, that has been developed based on a SAR wave mapping mechanism. In our previous studies, it was shown that the wave retrieval algorithm, named the parameterized first-guess spectrum method(PFSM), works for C-band and X-band SAR at low to moderate sea states. In this work, we investigate the performance of the PFSM algorithm when it is applied for dual-polarization c-band sentinel-1(S-1) SAR acquired in extra wide-swath(EW) and interferometric wide-swath(IW) mode under cyclonic conditions.Strong winds are retrieved from six vertical-horizontal(VH) polarization S-1 SAR images using the c-band crosspolarization coupled-parameters ocean(C-3 PO) model and then wave parameters are obtained from the image at the vertical-vertical(VV) polarization channel. significant wave height(SWH) and mean wave period(MWP) are compared with simulations from the WAVEWATCH-III(WW3) model. The validation shows a 0.69 m root mean square error(RMSE) of SWH with a –0.01 m bias and a 0.62 s RMSE of MWP with a –0.17 s bias. Although the PFSM algorithm relies on a good quality SAR spectrum, this study confirms the applicability for wave retrieval from an S-1 SAR image. Moreover, it is found that the retrieved results have less accuracy on the right sector of cyclone eyes where swell directly affects strong wind-sea, while the PFSM algorithm works well on the left and rear sectors of cyclone eyes where the interaction of wind-sea and swell is relatively poor.     

基于显著性分析的SAR溢油图像中暗斑区域检测方法研究

为了提高合成孔径雷达(synthetic aperture radar,SAR)图像中海上溢油的检测精度,设计了一种图像显著性和均值偏移分割相结合的暗斑检测方法,验证了该方法在SAR溢油图像暗斑识别中的有效性,为溢油区域的准确检测奠定了基础.针对SAR溢油图像中暗斑区域在人类视觉中属于感兴趣区域的特性,利用图像显著性检...     

Digital processing considerations for extraction of ocean wave image spectra from raw synthetic aperture radar data

The digital processing requirements of several algorithms for extracting the spectrum of a detected synthetic aperture radar (SAR) image from the raw SAR data are described and compared. The most efficient algorithms for image spectrum extraction from raw SAR data appear to be those containing an intermediate image formation step. It is shown that a recently developed compact formulation of the image spectrum in terms of the raw data is computationally inefficient when evaluated directly, in comparison with the classical method where matched-filter image formation is an intermediate result. It is also shown that a proposed indirect procedure for digitally implementing the same compact formulation is somewhat more efficient than the classical matched-filtering approach. However, this indirect procedure includes the image formation process as part of the total algorithm. Indeed, the computational savings afforded by the indirect implementation are identical to those obtained in SAR image formation processing when the matched-filtering algorithm is replaced by the well-known "dechirp-Fourier transform" technique. Furthermore, corrections to account for slant-to-ground range conversion, spherical earth, etc., are often best implemented in the image domain, making intermediate image formation a valuable processing feature.     

雷达图像模拟方法分析

目前最常用的雷达图像模拟方法有两种：以信号为基础的模拟方法和以特征为基础的模拟方法。首先介绍了雷达图像模拟的重要性,然后分析了两种方法的原理和特点,给出了各自的模拟流程,最后根据某一场景的DEM数据实现了该场景雷达图像的模拟,讨论两种模拟方法的侧重点和应用范围。     

一种快速非局部平均合成孔径雷达海洋图像斑点噪声抑制方法

合成孔径雷达在海洋环境监测和海洋研究中扮演着越来越重要的角色。受其成像机制的影响,合成孔径雷达图像总是受到斑点噪声的污染。斑点噪声的存在会增大目标识别、跟踪和分类的难度,也会降低雷达信号的信噪比。合成孔径雷达海洋图像具有一些特殊的性质：海洋现象在雷达图像中主要呈现为条带状或斑块状的结构。这些条带状或斑块状的结构呈现出高度的自相似性或信息冗余。非局部平均方法能够衡量图像中不同图像块之间纹理结构的相似性,并利用图像的自相似性对图像进行去噪。但非局部平均去燥方法存在计算量巨大、计算耗时长的缺点,这几乎限制了其实际应用。本文采用一种自适应方法将雷达图像中的像素点区分为纹理区像素点和平坦区像素点。对纹理区像素点,采用较大的相似窗和搜索窗,对平坦区像素点,采用较小的相似窗和搜索窗,从而提高计算速度。进一步,本文基于计算统一设备并行架构（CUDA）技术,利用计算机图形处理器（GPU）对前述算法进行并行加速。与经典非局部平均算法相比,加速后算法的计算效率提高了200倍。     

ASAR波模式数据反演参数误差与海浪条纹清晰度的相关性分析

欧洲环境卫星-高级合成孔径雷达(EnvironmentalSatellite-AdvancedSyntheticAperture Radar,Envisat-ASAR)波模式数据提供了全球风、浪要素信息,在海浪模式预报与同化方面有重要作用。该数据合成孔径雷达(SyntheticApertureRadar,SAR)图像普遍存在海浪条纹清晰度不同的现象,但是否影响数据精度尚无定论。本文通过比较2010年NODC (the National Oceanographic Date Center)浮标观测数据和波模式数据,发现经过官方修正后的海浪参数反而具有更大误差。进而通过对比不同条纹清晰度的SAR图像反演参数误差,揭示了ASAR产品海浪参数与浮标测量值之间的误差与海浪条纹清晰度的关系。结果表明:海浪条纹清晰的SAR图像的主波波长和主波周期的反演误差更小,而条纹不清晰SAR图像的有效波高和风速的反演误差更小。通过分析海浪参数对海浪条纹清晰度的敏感性,证实了有效波高和方位向截断波长对SAR图像条纹清晰度的响应最好,波陡次之,与卫星飞行方位角和入射角无关。因此,在反演和修正SAR波模式数据时,考虑图像的条纹清晰度,将会有效提高反演数据的精度。该研究可为高分三号等卫星的波模式数据波浪要素反演精度的提升提供有价值的参考。     

海岛礁光学和雷达影像基于改进非子采样小波变换的自动配准

Homologous feature point extraction is a key problem in the optical and synthetic aperture radar （SAR） image registration for islands. A new feature point extraction method using a threshold shrink operator and non-subsampled wavelet transform （TSO-NSWT） for optical and SAR image registration was proposed. Moreover, the matching for this proposed feature was different from the traditional feature matching strategies and was performed using a similarity measure computed from neighborhood circles in low-frequency bands. Then, a number of reliably matched couples with even distributions were obtained, which assured the accuracy of the registration. Application of the proposed algorithm to SPOT-5 （multi-spectral） and YG-1 （SAR） images showed that a large number of accurately matched couples could be identified. Additionally, both of the root mean square error （RMSE） patterns of the registration parameters computed based on the TSO-NSWT algorithm and traditional NSWT algorithm were analyzed and compared, which further demonstrated the effectiveness of the proposed algorithm. The algorithm can supply the crucial step for island image registration and island recognition.     

Modification of SAR spectra associated with surface wind fields in the sea off the Kii Peninsula: A case study

Using surface wave parameters and a high-resolution surface wind field derived from Synthetic Aperture Radar (SAR) image mode data, we have investigated the spatial modification of SAR spectra. We found a surface wind front, formed by sheltering effect of the Kii Mountains, separating high and low wind-speed regions in a sea area of an European Remote-Sensing Satellite (ERS) SAR image off the Kii Peninsula. A swell system propagating westward dominates in the whole sea area covered by the SAR image. The wavelength retrieved from the SAR spectra in the sheltered (non-sheltered) region is longer (shorter). Since the distributions of surface wave parameters and surface wind speed are so well correlated, it can be considered that the SAR spectra are modified differently by the sheltered/non-sheltered surface winds. In order to examine the phenomena observed on the SAR image we have estimated the wind-wave SAR spectrum using the SAR surface winds, a wind-wave spectrum model and a SAR wave imaging model. We assume that the SAR spectrum related to the swell is homogeneous in the area imaged by SAR, and that the SAR spectrum of the wind-wave components causes the observed SAR spectra modification. Differences between the observed SAR spectra and the estimated SAR spectra in the sheltered and non-sheltered regions agree well with each other. In the present case, it can be concluded that the observed SAR spectra can be regarded as a linear combination of the wind-wave SAR spectra and the swell SAR spectra.