基于星载SAR数据的台风参数估计及风场构建

传统的星载SAR数据海面风场反演方法是利用海面风场与雷达后向散射系数之间的经验关系即CMOD5模式函数求解海面风场.但在台风条件下,由于降雨对雷达信号的影响及高风速条件下CMOD5模式函数的停滞效应,海面风场的反演精度迅速下降.针对降雨对雷达信号的影响,本文基于星载SAR卫星平台未搭载降雨测量载荷的特点,将多时次的静止气象卫星红外云图用于推导台风云系的运动矢量,并由该运动矢量及非同步观测降雨数据估算星载SAR数据过境时的降雨强度.最后,利用订正模型和降雨强度数据进行降雨订正.针对高风速条件下CMOD5模式函数的停滞效应,本文基于台风的SAR图像特征和改进的HOLLAND台风模型,提出了台风参数估计及风场构建方案.首先,利用基于小波分析的风向提取算法提取台风风场的海面风向信息,并通过地球物理模式函数和风向信息反演海面风速.然后,根据台风眼的SAR图像特征计算台风中心位置和最大风速半径,并将其代入改进的HOLLAND台风模型.最后,利用中低风速数据通过最小二乘法拟合台风中心气压和最大风速,并将台风风向、中心位置、最大风速半径、中心气压和最大风速等参量代入改进的HOLLAND模型构建台风海面风场.为了验证方案的精度,选择台风"艾利"、"卡努"和"奥菲利娅"的星载SAR数据进行试验,并利用美国联合台风预警中心和飓风研究中心的最佳路径数据和风场数据进行精度检验.结果表明,本文利用星载SAR数据估算的台风中心位置、中心气压、最大风速与最佳路径数据基本一致,构建的海面风场精度较高,其中,海面风速的均方差为1.4 m s-1,风向的均方差为2.1°,为台风监测提供了新的技术途径.     

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.     

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.     

台湾浅滩浅海水深SAR遥感探测实例研究

本文基于浅海地形SAR遥感成像机理,提出星载SAR图像浅海水深遥感探测新技术.利用该遥感探测新技术与浅海地形SAR遥感图像,在台湾浅滩海域进行了浅海水深SAR遥感探测实例研究.SAR遥感探测水深值与实测水深值的比较结果显示,SAR遥感探测水深值的均方根误差达到2.5 m,误差小于10%.表明SAR具有探测浅海水深的能力,本文提出的浅海水深SAR遥感探测技术是收敛与可行的.     

星载SAR海洋内波遥感研究进展

星载SAR已成为海洋内波研究的重要技术手段之一.本文回顾了SAR海洋内波遥感研究进展,特别是有关国内外SAR海洋内波的遥感成像机理研究、遥感成像仿真研究和遥感探测研究的发展,同时针对目前SAR海洋内波遥感研究存在的问题和今后有待研究的方向进行了探讨.     

利用全极化微波辐射计资料反演台风境内海面风场

作为一种新兴的被动遥感技术,全极化微波辐射计不仅可以提供海面风速产品,还可以提供海面风向产品.以往利用全极化微波辐射计观测亮温进行海面风场反演仅在晴空条件下进行,本文通过对观测亮温结合台风区域海面风场的分布特征进行分析,验证了全极化微波辐射计具有在台风等恶劣天气条件下进行海面风场观测的能力.基于敏感性分析实验,确定使用6.8 GHz和10.7 GHz等低频通道组合可进行台风区域内海面风场反演.其中,海面风速反演使用基于统计的多元线性回归算法,同时对海面温度、大气水汽含量、云中液态水含量及降水强度等物理量进行反演计算,为海面风向反演做准备.海面风向反演使用物理统计法进行,借鉴散射计风向反演使用的最大似然估计法.通过在全极化辐射传输前向模型中加入降水对大气透过率的影响、设计第三和第四Stokes通道亮温环境影响修正函数,在实现台风区域内海面风向反演的同时减小了反演误差.通过对“云娜”台风境内海面风场进行数值计算,验证了本文反演算法的可行性,并对反演误差的空间分布特征进行了分析.将2004年各台风过程的海面风场反演结果与散射计风场产品进行对比,海面风速和海面风向反演的均方根误差分别为1.64 m·s^-1和18.02°.     

一种用于微波辐射计遥感海表面盐度和温度的反演算法

海面的微波辐射除了与海表面温度和盐度有关外, 还受海面风的影响. 海面风的观测误差严重地影响了海表面温度和盐度的遥感精度. 通过研究海面风因子对海表面辐射影响, 建立了海面风(包括风速和风向)与海表面的微波亮温T以及风导致的亮温修正量DT之间的关系; 在此基础上, 提出了利用微波辐射计的单卫星、多角度观测数据反演海表面盐度和温度的算法. 在这个算法中, 风对海表面辐射影响已经被剔除, 风速和风向不再是反演算法的输入参数. 因此, 该算法不受制于海面风速和风向的影响导致的误差. 这样, 为利用单卫星、多角度微波辐射计遥感海表面盐度和温度提供了一个新途径.     

SAR浅海水下地形遥感探测技术综述

SAR已成为浅海水下地形探测的重要技术手段之一.与传统浅海水下地形探测技术相比,SAR浅海水下地形遥感探测技术具有明显的经济效益.该水深探测技术通过对浅海水下地形SAR图像仿真模型的反演求解,从SAR图像中提取水下地形信息.本文回顾了SAR浅海水下地形遥感探测技术的不同数值模型和应用实例,并针对目前SAR浅海水下地形遥感探测技术存在的问题和今后研究方向进行了探讨和总结.     

成像雷达海浪成像机制

从海浪平衡方程出发推导出一般情况下海浪高频谱的解析表达式和变化流场引起海浪谱变化的表达式.利用海面微波散射理论导出了真实孔径雷达(RAR)海面成像公式,并描述了海面风场、流场及其变化对RAR的调制.另外,从合成孔径雷达(SAR)工作原理出发,推导出了由于海浪运动引起的相位调制的一般表达式,并讨论了成像雷达测量海流和海底地形的可能性,为成像雷达探测海浪、海面风场、海面流场、海底地形以及内波等海洋现象提供了理论基础.     

合成孔径雷达风场反演变分方案评估

利用合成孔径雷达获取高空间分辨率的海面风场,对于研究沿岸海域大气海洋过程具有重要意义.应用CMOD地球物理模型直接反演风速受先验风向误差影响较大,30°的风向误差可导致高达40％的风速误差.变分方法考虑了雷达观测值及背景风场的不确定性,能够较好地降低先验风向对反演风速的影响.但不同的观测误差或地球物理模型选择会形成不同的变分方案,使得反演风场存在差异.本文基于Sentinel-1合成孔径雷达数据及NDBC浮标数据,对不同变分方案进行了系统评估.试验结果表明,当观测误差选取常值0.1 dB、地球物理模型选取CMOD7时,反演风速均方根误差为1.11 m·s-1,总体最小;但在特定风速区间内,其他变分方案能获得相对更好的反演精度;各变分方案反演风速精度均显著高于背景风速及CMOD直接反演风速精度,但反演风向相对背景风向没有明显改善.试验结果可为变分方法在不同应用需求下的选择提供参考依据.     

城镇建筑震害SAR遥感探测与评估研究综述

合成孔径雷达(SAR)遥感是城镇建筑震害监测的重要手段之一.随着SAR传感器技术的最新发展,利用高分辨率、多极化SAR图像对城镇建筑地震灾害损毁进行探测和评估成为当前的研究趋势和热点.文中首先分析了建筑物及其震害损毁SAR成像特点,并系统综述了近15年来国内外基于SAR图像进行城镇建筑震害损毁探测与评估技术方法的研究和应用现状,评述了各类方法的优缺点,最后针对当前SAR传感器高分辨率、全极化的发展趋势,对有待于进一步研究的问题和技术发展趋势进行了展望.     

基于卫星遥感资料的海洋表层流场反演与估算

为解决实际海流资料探测困难,难以大范围有效获取的问题,利用2000～2008年卫星高度计资料和QuikSCAT卫星遥感风场资料,开展了全球海表地转流和Ekman流的反演估算;针对不同纬度地区(赤道和赤道以外地区)地转效应和海洋运动差异,引入不同的运动学模型和反演估算方案,反演得到0.5°×0.5°的逐周全球表层流产品.对比分析表明,卫星资料反演估算的海洋表层流场能较为客观、准确地表现实际海表流场的基本特征,进而为海洋热量和海洋物质输送等研究提供了可用的海流数据信息.     

星载微波SSM/I对南中国海海面遥感的辐射特征及其风场反演

研究了星载微波DMSPSSM／I对南中国海海面遥感数据的定量辐射特征．与现有的经验性统计反演不同,本文用37GHz垂直和水平极化两个通道的辐射亮度温度,提出了物理意义明确,又易于计算和参数标定的海面风速反演公式．海面风速及演结果与现有的海面浮标风速观测记录作了很好的比较．这一方法应用于南中国海海面风速的反演,得到了南海海面风速在空间和时间尺度上的分布和变化．     

基于浮油膜双光束干涉模型的油膜厚度遥感反演理论

海面浮油膜是海洋石油污染监测与海洋油气资源勘探的共同关注对象,其厚度的遥感定量反演是研究难点之一.随着油膜厚度的变化,入射光在浮油膜中的辐射传输有所不同,是海面浮油膜厚度光学遥感反演的理论依据.本研究将均匀分布的浮油膜视为一个平行平板,分析其可见光范围内的辐射传输过程,探讨油膜反射光的双光束干涉,构建以油膜厚度及其光谱反射率为变量的油膜厚度遥感定量反演模型,并结合菲涅耳公式进行模型参数的物理意义分析,揭示油膜厚度遥感定量反演的关键在于油膜的消光特性.利用油膜光谱响应实验数据,开展理论模型的分析与验证,结果表明：油膜厚度遥感定量反演的理论模型不仅具有明确的光学物理意义,同时也具有较好的模拟精度;浮油膜光谱反射率随厚度变化响应的主要因素是油膜对入射光的分子散射作用,该散射作用与入射光波长具有显著的关系,因此油膜光学遥感散射特性研究将有助于油膜种类识别与厚度的遥感定量反演;模型参数的理论意义与数据分析表明,建立典型油种油膜的模型参数查找表,将有效提高海面浮油膜厚度遥感定量反演的效率.     

热带西太平洋和南印度洋近20年来的海面高度变化及其动力联系

利用卫星遥感和现场观测资料,结合线性Rossby波诊断解,研究了近20年热带太平洋和印度洋暖池区海面高度的快速升高趋势.结果表明,两大洋热带区域同步的海面上升趋势通过印度尼西亚海的海洋波导通道联系在一起,其动力关联主要发生在温跃层深度,表现为热带太平洋的海面高度低频波动信号通过印度尼西亚海传至印度洋,并影响到南印度洋的东部海区,而南印度洋西部的海面变化主要受印度洋内区局地风场的调制.超前-滞后相关分析的结果表明,东南印度洋海面高度的年际和年代际变化信号分别源自太平洋赤道和近赤道海区,分别受到了太平洋赤道风应力异常和近赤道风应力旋度异常的调控,并且分别与ENSO的年际过程和PDO的年代际过程密切相关.     

SAR图像中目标的检测和识别研究进展

SAR图像以其独有的全天时、全天候观测能力、形态探测能力和对地表的穿透性,在地学应用中比光学遥感更具优势.本文结合SAR图像检测和识别应用技术的发展过程,综述了SAR图像在噪声抑制、线状特征和纹理特征提取、图像分割和目标检测等方面的研究进展;介绍SAR图像检测和识别的最新研究情况;最后分析当今国内外SAR图像检测和识别所面临的问题,并对未来发展进行展望.     

吉林查干湖水体叶绿素a含量高光谱模型研究

叶绿素a含量能够在一定程度上反映水质状况,高光谱遥感可有效反演叶绿素a含量.该研究通过分析水体叶绿素a浓度与其高光谱反射特征之间的相关关系,采用单波段相关分析、波段比值、微分光谱和神经网络模型等多种算法建立了叶绿素a高光谱定量模型.结果表明:叶绿素a与单波段光谱在蓝、绿波段相关系数较低,而在红光与近红外波段有明显提高,微分光谱也表现出同样的趋势;反射率比值算法模拟效果好于线性回归法;神经元网络模型可以大大提高实测光谱数据的反演能力,确定性系数高达0.95.这为今后利用星载高光谱传感器在查干湖进行叶绿素a浓度大面积遥感反演提供了研究基础.     

基于正则化方法的高频地波雷达海浪方向谱反演

提出了一种从高频地波雷达海面回波谱中提取海浪方向谱的新方法:基于高频电波海洋探测基本原理将线性化后的非线性积分方程离散为矩阵方程组,通过引入正则化数学模型将不适定方程转化为正规方程,然后采用奇异值分解法求解.对于正则化方法中正则化参数,采用L曲线法来确定.为了验证本文算法的有效性,分别在单部雷达和双部雷达探测下进行了不同噪声水平下的数值模拟,结果表明了该正则化反演方法的有效性.文中还给出了实测数据分析初步结果.该算法的工程性应用还需进一步研究.对于实际的地波雷达海浪反演具有良好的应用前景.     

散射计海面风场块状模糊的识别与去除

由于归一化后向散射截面积与相对风向的双调和关系及测量误差的存在, 散射计风场反演算法一般只能得到几个模糊解, 需要采用圆中数滤波法进行模糊去除以确定唯一的风矢量. 但是对于局部风场中伪解集中分布的情况, 圆中数滤波法往往失效而在滤波后风场中产生块状模糊, 从而降低反演精度. 针对此问题, 提出一种块状模糊的识别与去除方法, 用于反演滤波后风场的进一步优化处理, 实验证明该方法对大部分块状模糊能够有效识别与去除.