模板匹配法在遥感海冰位移上的应用

我们运用模板匹配法即最大互相关方法(MCC)从相邻时间的海冰遥感图像跟踪海冰的表观漂移,得到了辽东湾海冰表观位移的空间分布.我们试验了计算机自动跟踪和人机交互式特征跟踪两种方法,并对模板匹配中的几个问题进行了讨论.     

基于FY-3C微波辐射计数据的极区海冰密集度反演方法研究

极区海冰影响大气和海洋环流,对全球气候变化起着重要的作用。海冰密集度是表征海冰时空变化特征的重要参数之一。本文研究了利用FY-3C微波扫描辐射计亮温数据反演极区海冰密集度的方法。经过时空匹配、线性回归,修正了FY-3C微波辐射计亮温数据。使用两种天气滤波器和海冰掩模滤除了大气影响所造成的开阔海域虚假海冰;使用最小密集度模板去除陆地污染效应。通过计算2016年、2017年极区海冰面积及范围两个参数,对得到的海冰密集度产品进行了验证,两年的海冰范围和面积趋势基本与NSIDC产品一致,平均差异小于3%。本研究结果为发布我国自主卫星的极区海冰密集度业务化产品奠定了基础,制作的产品可保障面临中断的40多年极区海冰记录的连续性。     

基于FY-3/MERSI数据的北冰洋流冰自动提取与跟踪方法

北冰洋航路是未来全球航运的重点开拓领域,海冰运动对北冰洋航路开发有重要影响。本文利用风云三号卫星中分辨率光谱成像仪(FY-3/MERSI)数据的特点和优势,研究北冰洋流冰自动提取和运动跟踪的方法。首先在分析流冰灰度分布特征的基础上,提出分区域阈值分割与梯度差分相结合的方法实现块状流冰提取,然后根据块状流冰的多种几何特征匹配同名流冰并计算其运动速度。应用这种方法跟踪2011年6月弗雷姆海峡流冰运动,跟踪结果与美国国家冰雪数据中心提供的极地网格化日均海冰运动矢量整体趋势一致,验证了方法的有效性。这种方法获取各块流冰实际运动速度,可以有效弥补网格化海冰运动平均速度场分布和细节的不足,为北冰洋航路开发提供更详细的流冰运动信息。     

灰度共生矩阵纹理特征对SAR海冰漂移监测的增强性能研究

海冰漂移监测对气候变化分析、船只航行、海上石油平台等海上活动安全作业具有重要意义。当前主流的SAR海冰漂移监测方法多是基于SAR灰度图开展的,其受噪声、环境等因素的影响较大,导致其在海冰漂移探测时,特征失配率高,匹配正确率低。针对这一问题,本文尝试利用SAR海冰纹理特征来增强海冰漂移探测性能。首先对比分析了8种纹理特征对海冰漂移探测中特征匹配的增强性能,筛选出能够有效增强特征匹配性能的最优纹理特征;其次进一步分析了海冰类型、入射角和分辨率对基于纹理特征的海冰漂移探测性能增强的影响。实验结果表明,均值是最优的纹理特征,与SAR强度图相比,特征匹配正确率提高了约7%。     

适用于Ku波段雷达高度计海冰干舷高度反演的积雪校正方法

工作在Ku波段的Cryo Sat-2和Sentinel-3A合成孔径雷达高度计是当前最先进的高度计。由于雷达回波信号的实际时间跟踪点较预设的时间跟踪点总发生偏移,而且Ku波段波长短,进行海冰探测时易受雪层干扰,造成雷达信号主散射面由海冰表面上移至雪层内,这两个因素都影响着海冰干舷高度的反演精度。针对这些问题,本文首先确定了Cryo Sat-2与Sentinel-3A雷达高度计反演北极海冰干舷高度的最优波形重跟踪阈值组合,然后分析了这两个Ku波段雷达信号的雪层穿透系数,发现Ku波段高度计的主散射面受雪层的影响显著,会高估海冰干舷高度。基于此,文中提出了一种改进的积雪校正方法,并以机载Operation Ice Bridge(OIB)为验证数据,将本文提出的方法与通用积雪校正法和欧洲空间局(European Space Agency,ESA)海冰干舷高度产品进行了对比验证。实验结果表明,本文提出的方法能够有效估计Ku波段电磁波穿透海冰表面积雪深度的比例系数,显著校正了通用积雪校正方法存在的高估海冰干舷高度的问题,提高了海冰干舷高度的估算精度。     

基于遥感图像分析的极区海冰漂移研究

对极区的海冰运动进行观测具有重要的意义,卫星遥感技术是目前极区海冰监测的重要手段.星载多光谱仪器和合成孔径雷达(SAR)能够生产高分辨率、宽刈幅、连续的遥感图像,是开展海冰遥感监测的优选载荷.通过对极区遥感图像的分析,可以获取极区海冰漂移运动的资料信息.文中提供了可用于极区海冰漂移研究的遥感资料源,详细介绍了两种基于遥感图像的海冰运动分析方法:相关匹配法与光流算法,以及两种方法的对比;利用文中介绍的遥感资料和分析方法,在两极海区发现了明显的海冰中尺度运动特征.     

一种基于边缘信息的车辆检测和跟踪方法

针对智能交通系统中运动车辆的检测和跟踪问题,提出1种基于边缘信息车辆检测和跟踪方法。利用背景边缘提取模板提取当前帧的精确背景边缘,进而获得前景车辆边缘,用形态学方法对其进行修复,寻找车辆的外轮廓,确定跟踪区域;由于车辆运动的特殊性,以当前帧的车速作为下一帧车速的预测值,并结合跟踪区域的外形信息进行匹配。从实验效果来看,该算法简单有效,适合于实时的车辆检测和跟踪系统。     

基于雷达海冰图像互相关的冰漂流场测量

我国的渤海和黄海北部在每年冬季都出现不同程度的冰情,它直接影响结冰海区的石油平台、船舶以及港口等设施的正常作业,对海冰的观测与预报随着上述海区的开发利用越发显得重要,利用航海雷达连续准确地跟踪海冰漂移运动轨迹,是当今观测、调查、研究冰漂流移动规律的有效方法之一,我国的科研人员利用雷达成像技术对渤海的冰情进行了长期的雷达海冰观测、研究,在由雷达海冰图像对海冰的物理特征的识别、分类以及冰漂流场测量方面取得了一些进展[1-4]。     

基于SMAP卫星雷达资料的海冰检测技术

利用SMAP卫星雷达资料与美国国家冰雪数据中心(NSIDC)发布的近实时逐日极区网格化海冰密集度数据建立匹配数据集,分析了海冰和海水的L波段雷达后向散射特性差异,建立了基于线性判别分析算法的海冰检测算法。选择Sentinel-1A SAR极地地区的海冰影像对SMAP卫星雷达资料海冰检测产品进行实验验证,结果显示二者的海冰边缘线一致,说明SMAP海冰检测算法具有较高的精度。利用SMAP卫星雷达资料制作了北极和南极地区海冰覆盖图,计算了海冰覆盖面积,通过与美国国家冰雪数据中心(NSIDC)海冰覆盖面积比较发现,SMAP检测的北极地区海冰面积略大于NSIDC,相对偏差为3.3%,SMAP检测的南极地区海冰面积略小于NSIDC,相对偏差为1.8%,表明二者的覆盖面积基本一致,证实了SMAP海冰检测算法的精度。     

利用综合评分方法评估CMIP5模式对北极海冰的模拟能力

北极海冰冰盖自20世纪以来经历了前所未有的缩减,这使得北极海冰异常对大气环流的反馈作用日益显现。尽管目前的气候模式模拟北极海冰均为减少的趋势,但各模式间仍然存在较大的分散性。为了评估模式对于北极海冰变化及其气候效应的模拟能力,我们将海冰线性趋势和年际异常两者结合起来构造了一种合理的衡量指标。我们还强调巴伦支与卡拉海的重要性,因为前人研究证明此区域海冰异常是近年来影响大尺度大气环流变异的关键因子。根据我们设定的标准,CMIP5模式对海冰的模拟可被归为三种类型。这三组多模式集合平均之间存在巨大的差异,验证了这种分组方法的合理性。此外,我们还进一步探讨了造成模式海冰模拟能力差别的潜在物理因子。结果表明模式所采用的臭氧资料集对海冰模拟能力有显著的影响。     

基于模板匹配的航片框标定位法

针对数字化航空影像提出了一种新的基于影像匹配的框标定位方法。先通过内边缘检测搜索框标所在的匹配窗口,然后采用模板匹配的方式确定框标的概略位置,再依据所有的框标概略位置整体确定模板图像的旋转参数,进而对各框标进行精确的匹配定位。为简化算法,还提出了一种基于数学形态学的框标模板构建方法。实验证明,本算法自动化程度高、稳定、快速。     

渤海海冰卫星遥感监测业务系统

本文介绍了我们在微机图象处理系统上开发的海冰卫星遥感监测业务系统以及海冰多数提取的方法。核系统的功能包括卫星数字信号的实时采集、预处理、图象处理、定量数值处理以及形成多种形式的海冰遥感产品。三年来系统运行正常,获得了系统的海冰遥感资料,在海冰业务预报和数值预报试验中发挥了作用。     

基于SMAP卫星雷达资料的海冰密集度反演技术研究

SMAP是美国于2015年初发射的一颗卫星,搭载了L波段的雷达。它采用圆锥扫描方式,具有固定的入射角、较大的幅宽和千米级的分辨率,在海冰监测方面具有独特的优势。本文利用SMAP卫星雷达资料分别与德国Bremen大学海冰密集度产品和美国国家冰雪数据中心（NSIDC）海冰密集度产品建立3.125 km和25 km匹配数据集,分析了L波段雷达后向散射系数、极化比和归一化极化差与海冰密集度之间相关性,建立基于人工神经网络的海冰密集度反演算法。为了验证SMAP卫星雷达资料反演海冰密集度的精度,本文选择德国Bremen大学和美国冰雪数据中心发布的海冰密集度产品分别与SMAP海冰密集度产品进行对比分析,SMAP海冰密集度与Bremen海冰密集度的偏差为0.07、均方根误差为0.14;与NSIDC海冰密集度的偏差为0.04、均方根误差为0.18,这表明SMAP海冰密集度产品与现有业务化海冰密集度产品具有很好的一致性。     

结合纹理特征的SVM海冰分类方法研究

海冰分类是遥感监测领域中的重要应用之一,海冰分类的准确性对于评估海冰冰情、保证航海安全和开辟北极航道具有重要的意义。针对海冰分类问题,本文选用Sentinel-1遥感数据,结合纹理特征分析,提出了一种改进的SAR海冰分类方法。该方法选用灰度共生矩阵提取特征值,通过实验得到适宜用于海冰分类的多特征组合,在此基础上利用支持向量机开展SAR海冰类型的分类研究。实验结果表明,该方法可以实现对海冰SAR图像中一年冰、多年冰和海水3种类型识别,与传统的海冰分类方法神经网络和最大似然法相比较,使用SVM分类方法,结合纹理特征开展海冰类型监测是可行的,同时也表明多特征组合有利于提高SAR图像的分类精度,从而验证了本方法的有效性,为海冰分类提供了一种新思路。     

基于极化散射特征的极化合成孔径雷达海冰分类方法研究:以渤海海冰分类为例

海冰监视监测的关键是提取海冰类型,准确提取海冰类型对于评估海冰冰情、保证航海及海洋作业安全具有重要的意义。利全极化合成孔径雷达影像(SAR)的优势,提取海冰的极化散射特征;在此基础上结合二叉树分类思想,开展极化SAR海冰类型的分类算法研究,提高SAR海冰分类精度;与传统的海冰分类方法相比较,验证了本方法的有效性。     

海冰动力学的混合拉格朗日-欧拉数值方法

综合考虑欧拉坐标下有限差分法(FDM)在海冰动力学计算中的效率,以及拉格朗日坐标下光滑质点流体动力学方法(SPH)对海冰流变行为的精确模拟,本文发展了一种海冰动力学的混合拉格朗日-欧拉(HLE)数值方法。该方法首先在拉格朗日坐标下将海冰离散为若干个具有厚度、密集度的海冰质点,并由这些海冰质点通过Gauss函数对欧拉网格上的海冰参量进行积分插值;然后,在欧拉坐标下对海冰动量方程进行差分计算以确定各网格节点的海冰速度,并由此采用Gauss函数积分插值出拉格朗日坐标下各海冰质点的速度分布;最后,通过对海冰质点运动和分布的计算,确定出各海冰质点的位置、厚度和密集度等参量。采用该HLE方法对规则区域内的海冰堆积过程和涡动风场作用下的海冰动力演化趋势进行了数值试验;最后,采用该HLE方法对渤海海冰的动力过程进行了72h数值模拟,其计算结果与卫星遥感图像和现场观测资料吻合较好。以上计算结果均表明该HLE方法在海冰动力学数值模拟中具有较高的计算效率和模拟精度,可用于海冰动力过程的数值模拟。     

用AMSR数据极化比PSSM算法检测渤海海冰边缘线

利用高级微波扫描辐射计数据和冰间湖信号模拟算法探测渤海海冰,提取海冰外缘线信息。探测的海冰边缘线与Jason-1高度计海冰探测结果和ENVISAT ASAR海冰探测结果做比较,验证了该方法的有效性。     

北极中央区海冰密集度与云量相关性分析

本文使用海冰密集度以及低云、中云、高云的日平均数据,借助滑动相关分析方法,研究了北极中央区海冰密集度与云量之间的相关性,分析了海冰与云的相互作用机制。研究表明,在春季海冰融化季节(4、5月)、秋季海冰冻结季节(10、11月),低云与海冰密集度之间表现为较好的负相关,表明在这段时间内冰区海面蒸发强烈,对低云的形成有重要贡献。在10月和11月,中云与海冰密集度也有很好的负相关,表明秋季低云可以通过抬升形成中云。高云与海冰密集度之间并没有明显的相关性,可能原因:一方面海冰的空间分布对高云无影响,另一方面,高云主要影响到达的短波辐射,从而影响海冰的融化和冻结速度,与海冰厚度有直接显著的关系,而与海冰密集度的关系不明显。此外,在海冰密集度与低云存在较好负相关的情况下会出现某些年份相关性不好的情况,我们的研究发现这是北极中央区与周边海区发生了海冰交换或云交换的结果。     

基于油气平台的海冰雷达监测图像处理及冰速测量

对海冰的运动规律进行精确、连续和长周期的实时监测有助于海冰热力学和动力学的研究,也可保障冰区生产活动的安全进行。针对辽东湾海冰的运动特点和工程需求,在JZ20-2油气平台上建立了海冰雷达监测系统。采用数字图像处理技术对海冰雷达监测图像进行了分析和软件开发,可对海冰密集度、速度和冰块面积等海冰参数进行提取。采用该海冰雷达监测系统和数字图像处理软件,在2011-2012年冬季对该海域的海冰运动规律进行了全冰期的连续监测,在此基础上重点对海冰速度的雷达图像监测结果进行了分析,讨论了海冰速度场分布以及连续48 h的变化过程。以上结果为海冰的生消运移规律研究和油气作业区的海冰管理工作提供了可靠的现场监测数据。对海冰雷达现场监测及数字图像处理中的问题及改进方法进行了讨论。     

海冰动力过程的改进离散元模型及在渤海的应用

海冰的断裂、重叠和堆积等离散分布特性广泛地存在于极区和副极区的不同海域,并对海冰的生消、运移过程有着重要影响。针对海冰在不同尺度下的离散分布特点,发展海冰动力过程的离散元方法有助于完善海冰数值模式,提高海冰数值模拟的计算精度。为此,本文针对海冰生消运移过程中的非连续分布和形变特性,发展了适用于海冰动力过程的改进离散元模型(MDEM)。不同于传统离散元方法,该模型将海冰离散为具有一定厚度、尺寸和密集度的圆盘单元。海冰单元设为诸多浮冰块的集合体,其在运移和相互接触碰撞过程中,依照质量守恒发生单元尺寸、密集度和厚度的相应变化。基于海冰离散性和流变性的特点,该模型采用黏弹性接触本构模型计算单元间的作用力,并依据Mohr-Coulomb准则计算海冰法向作用下的塑性变形及切向摩擦力。为验证该模型的可靠性,本文对海冰在规则水域内的运移和堆积过程进行了分析,离散元计算结果与解析值相一致;此外,对旋转风场下海冰漂移规律的模拟进一步验证了本文方法的精确性。在此基础上,对渤海辽东湾的海冰动力过程进行了48h数值分析,计算结果与卫星遥感资料和油气作业区的海冰现场监测数据吻合良好。在下一步工作中将考虑海冰离散元模拟中的热力因素影响,发展具有冻结、断裂效应的海冰离散元模型,更精确地模拟海冰动力-热力耦合作用下的生消和运移过程。