基于EMD算法的海洋内波参数反演

利用合成孔径雷达(SAR)图像研究海洋内波具有其他遥感探测及实地海洋测量不可替代的优势,然而从SAR数据中提取内波参数的方法却往往由于人工选取的位置不同使得反演的内波参数产生不同的偏差,为了尽量避免人工操作带来的误差并有效反演内波参数,文中提出了一种SAR图像海洋内波波向与波长参数估计的新方法。通过人工选取内波前导线上的3个位置点,计算机自动地获取内波的位置和内波的波向,提取内波断面,在此基础上利用EMD算法反演内波波长,结合内波区域海水密度剖面数据,进一步反演内波振幅参数。通过对实测SAR图像数据进行处理的结果可知,采用该方法对内波SAR图像进行处理,能很好地定位内波位置并获得传播方向及内波波长参数,结合海水密度剖面,实现了内波振幅参数反演。人工干预选取3个位置点,自动计算内波前导线弯曲弧度并自动计算5个内波剖面,减少了由于人工干预操作不同形成的偏差。     

基于VMD对SAR海洋内波参数的自动反演

经验模态分解(empirical mode decomposition,简称EMD)是反演海洋内波参数的有效方法之一,但由于EMD存在模态混叠等问题,对海洋内波进行参数反演时会产生一定误差。相比较于EMD,变分模态分解(variational mode decomposition,简称VMD)能够有效地抑制模态混叠现象。为了更好地对海洋内波进行参数反演,提出了一种基于VMD对合成孔径雷达(synthetic aperture radar,简称SAR)遥感图像中的内波参数进行自动反演的方法。该方法先对SAR图像进行Canny处理,获取图像中的内波条纹信息,再根据内波传播方向自动选取灰度剖面;然后利用集合经验模态分解(ensemble empirical mode decomposition,简称EEMD)信号特征自适应分解模态函数的特点,再将分解得到的有效模态数作为VMD中参数K的参考值;最后利用VMD分解后的数据进行内波参数反演。试验结果表明:通过对Canny预处理后的条纹信息进行灰度剖面自动选取,解决了人为选取剖面所可能导致的误差;通过对剖面信号进行VMD处理不仅解决了EMD模态混叠的问题,成功地反演出内波的前导波振幅,而且所反演的结果与EEMD反演参数以及实测资料数据吻合得很好。     

合成孔径雷达图像中海洋内波的特征检测

海洋内波在合成孔径雷达(SAR)图像中具有特定纹理分布,因此可以根据海洋内波SAR图像的纹理分布特性,进行内波海面特征检测。利用功率谱对具有不同纹理特征的SAR图像进行分析,并对特征进行分类统计得出内波的功率谱特征。在海洋内波区域,利用多孔小波变换及多尺度融合提取海洋内波特征,在此基础上对波-流散射系数进行提取。提出了"内波特征的功率谱特征-多孔小波综合检测算法",为海洋内波参数反演奠定了基础。     

南海北部内孤立波SAR遥感反演的初步研究

应用海洋内孤立波2层流体模型的SAR遥感反演技术,对南海北部内孤立波SAR遥感反演进行了初步研究.对于不存在由同一波源生成的2个内孤立波波包的SAR遥感图像资料,可以利用Levitus等的月平均温盐资料确定跃层深度和约化重力加速度,进而确定内波波速并进行内波振幅的反演.这样能够充分利用宝贵的SAR图像资源.     

南海北部非线性内波的特征研究及生成模拟

海洋内波由于其对海洋资源、海洋军事和工程的重要性而成为海洋学中的前沿课题。文中基于SAR遥感数据,结合KDV方程和Bragg散射机制反演内波波速、半振幅宽度、深度和振幅等动力学参数。对南海北部的非线性内波进行案例研究,由吕宋海峡传来的内波遇到东沙岛发生破裂,一部分继续向西传播,另一部分向西北沿等深线垂直方向传播。波向作为一个重要指标可以有效反映内波传播变化特征,文中以方向谱模型计算同一潮周期内内波传播的方向变化,并验证了180°方向模糊问题是可以解决的。同时内波传播将次表层海水和叶绿素从下层抬升,叶绿素浓度最高值达到0.35 mg/m~3,随着内波传播在0.08~0.35 mg/m~3范围内波动并逐渐趋于背景浓度值。研究使用海底地形与潮流数值合成的OTIS(Oregon State University Tidal Inversion Software)模型对南海北部大陆架区域的内波进行生成模拟,结果表明:当暖水流经吕宋海峡进入南海北部,body forcing1.5 m~2/s~2的海域能够激发内波的生成,其中兰屿岛和恒春半岛等海底山脊起到了关键作用。     

浅海内波及声场起伏数值研究

为探讨声学方法监测(反演)海洋内波的可行性,分析ASIAEX2001亚洲海海洋声学实验定点温度链实验数据,结果表明：实验期间存在M2内潮波、周期10～30min非线性内波现象,并观测到双温跃层同相传播“双非线性内波”。分别对垂直和平行于内波传播方向传播声场进行了数值计算分析。垂直于内波传播方向的声传播计算结果表明：简正波波数时间演化函数的频谱与内波引起的声速剖面变化频谱基本一致;简正波系数(模值)时间演化函数的频谱与内波引起的声源位置处的声速演化函数的频谱基本一致;高阶简正波波数差随时间的变化要比低阶简正波波数差小约1个量级。平行于内波传播方向的声传播计算结果表明：内潮波主要导致相邻简正波间耦合;非线性内波包能够导致跨号甚至垮多号简正波间耦合。讨论了2种海洋内波声学监测方法。     

一种基于小波变换的SAR海洋图像数据增强系统

提出了一种基于小波变换的SAR海洋图像数据增强系统,并进行了试验.本系统包括小波变换、Speckle及Pepper-Salt噪声抑制、船等目标提取、内波提取、目标数统计和图像图形显示放大等功能.该图像增强系统可以对含有常见的高斯噪声及Speckle和Pepper-Salt非高斯噪声的污染图像数据进行增强处理,可对SAR等微波成像传感器数据、光学成像传感器数据进行增强处理,具有广泛的应用前景     

基于X波段海洋雷达的南海西北部内波参数特征研究

中国南海是内波频发海域,卫星遥感在内波参数特征的统计分析中得到了广泛应用,但是卫星轨道的重复访问时间长,不能连续观测内波参数的变化特征。X波段海洋雷达具有高时间和空间分辨率,可以长期连续观测内波的变化,本文提出了利用X波段海洋雷达图像提取内波参数的方法,并利用连续观测的数据研究了各参数的分布特征。首先,对雷达图像进行预处理,包括平均处理及斜坡校正两步;利用二维快速傅里叶变换确定内波的传播方向,进而根据该方向上的径向廓线确定内波的相速度大小、波长及周期。最后,利用在南海石油平台上观测的X波段雷达图像对内波各参数进行提取和统计分析,结果表明,研究区域内波的传播方向多为西北向及西向传播,相速度多为0.6～0.8 m/s,波长一般为400～600 m,周期大部分不超过1000 s。     

基于实测资料的内波振幅修正参数

针对海洋内波参数反演的技术难点,本文从原始内波动力学方程组出发,提出了一套更容易实现的内波波长反演方法,通过加入与波长、水深相关的振幅修正系数,得到了改进的内波振幅反演方法,并与实测资料进行了对比验证。结果证明,加入参数修正后的内波振幅精度得到了较大提高。     

基于SAR图像数据的内波二维断面重构研究

针对传统内波重构是基于内波源基础,理论性限制太强,不适合实际应用。本文提出1种基于SAR图像反演内波参数并结合背景场密度剖面信息,对内波二维断面进行重构。在充分考虑到SAR图像反演的内波水平数据信息(数据信息均一化),垂向振幅以及垂向模态函数三者物理意义及相互关系后对内波二维断面重构,它具有物理意义清楚、实际可操作性强的特点。     

基于Korteweg-de Vries方程解析解的海洋内波模拟研究

主要是利用非线性发展方程丰富的解析解,基于含有散射项和微扰项的Korteweg-de Vries方程对台湾东北部东海海域内波的传播特性进行研究,并着重分析海洋内波在SAR图像上的信号特征,进而讨论耗散项和微扰项对海洋内波所引起的表层流速变化的影响.     

多波段海洋内波SAR图像特征分析

利用 SIR-C/X-SAR 南海海域多波段数据,分析了海洋内波 SAR 图像特征与雷达波段的关系.对上升型和下降型的海洋内波 SAR 图像,内波图像特征在 X 波段最为明显,C 波段次之,L 波段最弱.利用布拉格共振散射理论分析了内波图像特征在不同波段存在差异的原因.基于 M4S 海面微波成像仿真软件,模拟分析了不同波段的海洋内波 SAR 图像特征,模拟分析结果与数据分析结果吻合较好.     

利用GF-1和MODIS准同步光学遥感图像反演内波参数的研究

高分一号(GF-1)光学遥感卫星的发射为海洋内波的研究提供了精细的观测资料,利用其图像高空间分辨率的优势,结合高时间分辨率的中分辨率成像光谱仪(MODIS)的匹配数据,能够对南中国海东沙岛附近的内波开展特征参量的反演。本文处理了GF-1和MODIS的准同步图像,选取东沙岛附近的相邻时刻的同一条内波进行分析,提取其空间位移,计算出内孤立波传播的群速度。分析GF-1和MODIS图像上同一条内波的灰度剖面,计算了明暗条纹间距,结合当地水深和温盐数据,应用非线性薛定谔方程反演内孤立波的振幅,探究大陆架附近内孤立波的振幅演变。研究结果表明:内孤立波的群速度在东沙岛附近向西传播过程中逐渐变小;在相似的温盐条件下,遥感图像中内波的明暗条纹间距和振幅呈现负相关,在深海区水深和振幅呈现正相关关系,在浅海区由于非线性作用增强会出现振幅随水深变小反而增大的现象。     

背景流与地形对海洋内波影响初探

采用Boussinesq近似,研制了准三维、非线性、非静力的斜压数值模式。利用该模式做了背景流与海底地形对高频海洋内波影响的数值试验。本文得到的主要结论有:各数值试验初始1小时内,有适应过程,并最终形成垂直方向为单圈环流的海洋内波波包;以后进入海洋内波的演变过程,并在非线性作用下形成椭圆余弦波波包,并向孤立内波演变。当无背景流时,地形会激发出两支传播方向相反的海洋内波波包,水深大处波包传播较慢。当存在定常背景流时,在其与地形共同作用下,在地形处会激发出较强的内波波包,若地形足够陡峭,则内波波包截陷于该陡峭处,造成该处强烈的垂直运动。背景流随时间的变化会对在台阶地形跃阶处的内波波包产生不同的影响。     

经验模态与小波分解在光学遥感内波参数提取中的应用

内波遥感参数提取是利用遥感影像研究海洋内波的重要手段,通过提取内波的基本参数可以对海洋内波的生成与传播机制进行进一步的研究。提出了利用经验模态分解、小波分解与高阶多项式拟合从光学影像中提取内波半波宽度的方法。经验模态分解与小波分解对内波剖面数据进行尺度分解,根据归一化方差最大来提取内波分量;多项式拟合基于内波剖面的亮暗条纹变化完全由内波调制的假设,对数据进行拟合,并根据一阶导数来提取半波宽度。用南海北部东沙岛附近2004年7月10日的中-巴资源卫星(China-Brazil Earth Resources Satellite,CBERS)影像对方法进行了验证。结果表明,3种方法能较好地提取所需参数,获取的内波半波宽度具有较好的一致性;上述方法在处理非平稳及非线性遥感数据上,具有非常明显的优势。基于一维非线性内波理论,通过提取的内波半波宽度,辅以水深和混合层深度数据,反演了内波的振幅。     

基于遥感图像的南海北部内孤立波及相互作用研究

本文通过对卫星遥感图像中的内孤立波及相互作用现象进行统计分析,讨论了南海北部内孤立波及相互作用现象的时空分布特征,验证了利用卫星遥感图像反演内孤立波振幅和传播速度以及研究内波相互作用现象的可行性。统计结果表明,南海北部的内孤立波主要集中在东沙群岛以及海南岛南部,内波相互作用主要集中在东沙岛西北部以及海南岛南部。本文对此给出解释:内波传播至东沙岛附近发生绕射,绕射的内波分裂成两列后以不同的传播方向继续向西传播,相遇并发生相互作用;内波在海南岛浅滩处发生反射,与后续传来的内波发生相互作用。同时,本文利用Korteweg-de Vries (KdV)方程和Benjamin-One(BO)方程,结合观测数据,对内波振幅和传播速度进行了反演实验。反演所得的内波振幅和传播速度与南海北部实际内波振幅和传播速度相近。     

SAR极化特征图像与σ0图像的海洋内波可视性对比

利用ALOS PALSAR全极化SAR内波图像,对比分析了SAR海洋内波在11种极化特征与后向散射系数(σ⁰) 图像中的可视性。在提取的SAR极化特征图像中,Lambda值的内波特征最为明显,极化熵和极化角次之。与σ⁰图像相比,Lambda值的内波可视性优于同极化的σ⁰图像;对于极化熵和极化角,沿距离向传播的内波可视性优于同极化的σ⁰图像,沿方位向传播的内波可视性略差于同极化的σ⁰图像,两者均优于交叉极化的σ⁰图像。HH/VV极化比、归一化圆极化系数和Bata值的内波特征较弱;HH/HV极化比、VV/VH极化比、Gamma值、Delta值和各向异性指数的内波图像均不清晰,无法识别内波。     

基于同步风场的机载SAR海浪参数反演方法

针对机载合成孔径雷达(SAR)对海探测特点,采用多入射角法从SAR数据本身得到与海浪参数反演区域时空匹配的同步海面风速和风向,并结合线性变换关系,计算得到海浪初猜谱对应的仿真SAR图像谱,将仿真SAR图像谱和观测SAR图像谱输入代价函数中进行迭代运算,通过非线性方程的解算得到最适海浪谱;采用交叉谱法去除海浪传播180°方向模糊,最终得到海浪参数。论文提出的基于同步风场的机载SAR海浪参数反演方法,充分利用了机载SAR海洋环境探测的优势,解决了传统SAR海浪参数反演中初猜谱构造依赖外部风场的问题,机载同步飞行试验的海浪参数反演结果与浮标观测值的有效波高、波向的均方根误差分别为0.23 m和13.23°,验证了该方法的有效性,可为机载SAR海浪参数反演业务化提供支持。     

SAR海面溢油自动监测中傅里叶谱特征参数子集的作用

大多数研究者在卫星SAR(Synthetic Aperture Radar)海面溢油自动监测系统的特征参数集构成时主要考虑海面溢油的众多特征。本文从海面疑似溢油的特征分析出发,以海洋内波为例提出增加傅里叶谱特征参数子集,以减少海洋内波引入的虚警,降低自动监测系统的错检率。新提出的特征参数子集包括10个傅里叶谱特征。实验研究收集了富含海洋内波的53幅中国南海SAR图像数据集,利用自适应阈值图像分割及其后处理软件模块自动产生比例合理的SAR海面暗目标样本集,分别使用主要考虑海面溢油特征的77个特征参数和增加傅里叶谱特征参数子集的87个特征参数进行分类器训练和测试。结果表明,增加傅里叶谱特征参数子集后,系统的错检率从19.6%降至14%。     

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。