ERS散射计全球海面风场数据处理与ElNino海面风场异常观测

星载散射测量技术是获取全球海面风场的有效手段。该文研究了欧洲遥感卫星（ＥＲＳ） 散射计全球海面风场数据的处理分析技术。对１９９７ 年３ 月、６ 月和１２ 月的全球海面风场数据进行平均处理,并同时与１９９６ 年６ 月和１９９５ 年１０ 月的观测数据进行对比,利用遥感技术发现了赤道太平洋西部的风场异常,从遥感资料上分析了１９９７ 年Ｅｌ Ｎｉｎｏ 现象的海面风场（ 风速与风向） 异常变化特征。研究结果显示了星载微波散射计在全球变化监测中的重要作用。     

HY-2卫星微波散射计海面风场地球物理模式函数研究

地球物理模式函数GMF (Geophysical Model Function)在星载微波散射计海面风场反演中具有关键作用。本文以C波段MetOp/ASCAT散射计风场数据为参考数据,通过改进现有Ku波段NSCAT-4 GMF中后向散射系数对海面风速和风向的依赖关系,以及增加海表温度(SST)因子项,构建了适用于HY-2卫星微波散射计海面风场反演的NSCAT-5.HY-2 GMF。研究结果表明,相比NSCAT-4 GMF,采用NSCAT-5.HY-2 GMF反演得到的HY-2散射计海面风速与ASCAT散射计风速的一致性提高了约11%,特别是风速反演误差不再依赖于SST变化、不再呈现显著经向分布特点。本论文研究结果对进一步提升国内外其他Ku波段星载微波散射计数据的海面风场遥感应用具有重要参考价值。     

星载激光测风技术体制及其评估方法综述

星载激光测风雷达是探测全球风场的重要工具。目前由欧洲空间局研制的全球首颗星载激光测风卫星Aeolus已于2018年8月顺利升空部署,美国和日本也在积极论证和研制新的星载激光测风雷达技术体制,分别采用混合多普勒测风雷达HDWL（Hybrid Doppler Wind Lidar）和相干多普勒测风雷达CDWL（Coherent Doppler Wind Lidar）技术体制。本文简要介绍了Aeolus、HDWL和CDWL技术体制,并根据前人的研究成果,从数据获取率和获取量、风场探测精度以及对数值预报系统的改进作用对这3种技术体制进行了评估综述。研究结果表明以气溶胶和云滴粒子为示踪物进行的大气风场探测具有更高的探测精度,其测风精度约为0—2 m/s,其探测范围为边界层和对流层下层;以大气分子为示踪物的大气风场探测精度相对较低,其精度约为1—3 m/s,但其具有更大的探测范围。根据3种星载激光测风雷达技术体制,Aeolus和HDWL具备探测边界层和对流层的大气风场能力,CDWL只能获取边界层至对流层下层的风场数据,HDWL体制相比Aeolus和CDWL,能够获取更多的风场探测数据,且能够实现较高精度水平风场矢量探测数据。OSSE（Observing System Simulation Experiments）实验表明,将星载激光测风雷达风场探测资料同化到数值预报系统之后,预报结果得到明显的改善,在双星联合探测体制下,更大的风场探测范围相比径向风场的探测更有助于提升数值预报系统的精度,而径向风场的探测将更好地提升星下点的探测精度。HDWL体制相比Aeolus和CDWL,由于其探测范围更广,且可以实现径向风速的探测,故推测其对数值预报系统的精度的提升作用更明显。对这3种技术体制的分析评估可为发展中国的星载激光测风雷达技术体制提供参考。     

散射计资料的风场神经网络反演算法研究

建立一种神经网络反演海面风场的算法。该算法以ERS_1/2散射计数据和欧洲中期预报分析风场(ECM-WF)的配准点数据作为神经网络训练和检验数据集。研究表明,该算法具有运行速度快和精度高等特点,反演的风速和风向与C波段第4模型(COMD 4)和ECMWF吻合较好。     

双频共面合成孔径雷达海面风场反演

根据L/C双频共面SAR能够获取同一海域双波段电磁波后向散射系数,得到更多海洋目标特征信息的电磁散射特点,结合地球物理模型函数研究了一种新的SAR海面风场反演方法。利用L/C双频共面SAR的L和C两个波段的地球物理模型函数和后向散射系数等信息,通过地球物理模型函数联立以及构建和求解最小代价函数,直接从SAR数据本身获取海面风场信息,并借助辅助数据去除了风向的180°模糊,从而实现海面风场反演。仿真分析和海上机载同步飞行试验的研究结果表明,该方法可直接利用SAR数据本身获取精度较高的海面风速、风向;绝对辐射定标精度是决定海面风场反演精度的关键因素,海面风场反演误差随定标精度提高而减小;随着海面风速的增大,风速反演误差逐渐增大。论文提出的双频共面SAR海面风场反演方法解决了传统单波段单极化SAR海面风场反演存在的固有问题,机载同步飞行试验的海面风速和风向反演结果与调查船观测值的均方根误差分别为0.93 m/s和19.39°,可为星载SAR海面风场反演业务化和载荷研制提供支持。     

利用COSMIC掩星资料计算平流层大气风场方法分析

利用大气压强、温度、密度等与风场之间的关系,通过大气折射指数、高度及温度数据均可以推算出大气风场,选用2007年1、4、7和10月COSMIC掩星观测的压强和折射率、高度、温度等月平均数据,构建了三种推算大气风场的方法。从风场的纬度高度分布、经度纬度分布及纬圈平均纬向风在不同季节的特性等方面,将计算结果与ECMWF ERA-interim再分析风场结果进行对比,发现计算结果与模式风场基本一致,能够反映出中高纬度大气风场的变化规律,偏差随高度的增高而逐渐增大,1hPa等压面以下偏差在10m/s以内。采用不同掩星数据推算出的大气风场之间的彼此差别很小,折射率与温度资料推算的大气风场几乎相同,高度数据推算出的风场相对前两者偏差稍大,但一般不超过2m/s。     

北京市1993—2011年风速变化与下垫面粗糙特性关系研究

北京市近年来雾霾频发,大气污染物的扩散与风场环境及下垫面粗糙特性具有极大的相关性。本文首先利用1993—2011年的我国地面国际交换站气象观测资料对北京市地面风速风向年际变化特征进行了分析。结果表明,1993—2011年北京市平均风速呈现下降趋势,且自2006年来北京市风速下降尤为明显,北风出现频率明显下降。在此基础上,本文利用2007—2011年的ALOS PALSAR数据和夜晚灯光数据提取分析了北京市城镇用地扩展情况,进而结合下垫面粗糙特性的时空演变特征分析了北京市地区风速风向变化与下垫面粗糙特性的关系。分析结果表明,城市扩张造成的下垫面粗糙度的增加阻碍了北方来风,导致了北京市风场分布的变化及平均风速的减小。     

GIS在风暴潮灾害预报中的应用

对风暴潮多源数据(流场、水位、海温、波浪、风场等预报要素)的可视化进行了研究。针对动力场数据(流场、波向、风场等)数据量大,密集程度高,若不根据其要素特点进行处理则显示效果差、效率低的问题,设计了均匀离散算法,横向上对显示要素添加显示范围控制,纵向上对显示要素添加比例标定控制,实现了海洋动力场数据在不同比例尺下的无级缩放。由于风暴潮数据多为长时间序列数据,为了能更好地反映风暴潮随时间的变化趋势,设计了多种不同方案,分别从不同角度实现了预报要素在一定时间序列范围内的动态可视化表达。     

基于2.5维面的气象数据可视化技术——以风场数据显示为例

根据2.5维面的设计思想及曲面可视化的方法,结合部分气象数据信息具有相同的经纬度范围和海拔高度的特点,构造了基于温度和可降水量的2.5维面,并重点提出在2.5维面上进行风场流线可视化的方法。实践证明,应用2.5维面分析气象数据在一定程度上平衡了运算量和可视化结果之间的矛盾,对地理环境气象数据的分析和比较有帮助作用。     

基于梯度算子的高分三号SAR风场反演方法

鉴于高分三号（GF-3）合成孔径雷达（SAR）图像具有黑白相间条纹特征,提出一种基于梯度算子的风场反演方法。对SAR图像重新采样后,利用Sobel梯度算子求解海面风向值,接着使用扩展后的CMOD5散射模型推算出风速值。为了测试该方法,对GF-3 SAR图像进行风场反演实验,并使用欧洲中尺度天气预报中心（ECMWF）再分析风场数据和美国国家浮标中心（NDBC）浮标风矢量数据对反演得到的SAR风场质量进行评估。实验结果表明：GF-3 SAR风场相比于ECMWF再分析风场,风速、风向均方根误差分别为1.79 m/s和11.95°;相比于NDBC浮标数据,风速、风向绝对偏差分别为0.24 m/s和9.03°。因此,本文方法能有效地从GF-3 SAR图像中反演出较高精度的风场,研究结果可为GF-3 SAR风场反演技术提供参考。     

反射率因子和径向速度共同约束反演多普勒雷达风场

多普勒雷达可以提供降水回波区的风场信息。为了充分运用雷达资料分析中小尺度天气过程,本文假设反射率因子在短时间内的运动满足拉格朗日守恒,提出了采用连续两次的反射率因子回波和径向速度数据共同约束的方法来反演风场,在反演过程中避免了对径向速度的分布进行假设。针对连续两个时次之间反射率回波运动中产生的不同程度的误差做了模拟风场试验,结果表明,当回波运动随机误差不超过40%时,反演结果较为可靠。另外,本文还利用此风场反演方法进行两次中尺度天气过程的实例分析。结果表明,该方法反演的风场与实际风场结构相符,具有一定的应用价值。     

CO2倍增下遥感-光合作物产量响应模型的研究与应用

由于卫星散射计探视雷达回波的各向异性的双调和性质,同时由于散射物理模型函数的非线性及信号中存在噪声,使得常规点方式风场反演中风向有多至4 个解的多解存在。给出了一种改进的场方式反演方法,利用该方法从卫星散射计测量的后向散射强度的数据中唯一反演出大尺度海洋风场。通过数值模拟和实际算例计算表明反演结果在风向、风速上都与真解是吻合的。从结果可以看到,所采用的改进的场方式反演方法对模拟数据或真实散射计探测海面风场的反演是成功的。     

水稻微波后向散射系数的模拟分析

海洋雷达后向散射回波主要来自短重力波的Ｂｒａｇｇ 散射,这种散射与海面风场信息、边界层涡旋等密切相关。因此,可以从雷达散射截面反演风场信息。对１９９４ 年４ 月航天飞机成像雷达（ＳＩＲＣ／ＸＳＡＲ）获取的南中国海合成孔径雷达（ＳＡＲ） 图像进行了分析研究。利用ＳＩＲＣ 数据,从ＳＡＲ 图像谱提取了风向;根据ＣＭＯＤ４ 模型,从Ｃ波段雷达后向散射系数反演风速;利用双尺度散射模型对反演的风速进行了对比分析。结果表明,从ＳＩＲＣ雷达数据可以反演海面风矢量,星载ＳＡＲ是提取海面风场信息的有效技术手段之一。     

卫星遥感中风场对降雨飘移距离的影响及误差校正

首先利用海表面风速与高度的对数关系、风向与高度的关系,推算出高空的风速、风向及相应风力的大小。在此基础上根据降雨的形成高度,假定在海表面10 m处风速为10 m/s的情况下,得到单位质量为1的雨水在风场影响下的飘移距离在3—100 km之间,可以判定这个偏移距离即为在风场影响下卫星观测降雨的误差。利用上述方法对10组TRMM卫星降雨产品数据进行纠正,将纠正前后的TRMM数据与GPCP数据进行对比。结果显示,经过纠正的TRMM数据与GPCP数据更为一致,整体精度提高了12%左右,验证了方法的正确性。     

利用GPS反射信号遥感Michael飓风海面风场研究

对GPS反射信号的功率波形以及GPS信号在海面的散射区域进行了阐述，并对海面风场反演的原理和方法作了具体的介绍。处理了NASA在Michael飓风中机栽实验的数据，反演得到的风速精度为2m／s左右，从而验证了通过GPS反射信号反演海面风场在理论和实践上的可行性。     

顾及地理矢量场空间变化特征的多分辨率纹理可视化方法

网络环境下海量、高维、动态、多尺度地理空间矢量场数据的在线高效可视化,一直是大规模密集矢量场数据集成与综合应用分析亟须解决的关键问题。地理矢量场数据蕴含大量非规则、多尺度、时空异质的变化特征与结构,传统矢量场纹理可视化方法,受全局统一采样密度的限制,存在典型的稠密遮挡、特征模糊的问题。针对上述问题,本文提出了一种顾及地理矢量场空间变化特征的多分辨率纹理可视化方法,引入复合信息熵定量显式描述矢量场的空间变化,以此驱动图像空间内多频噪声纹理生成、矢量场多分辨率纹理的构建与增强表达,有效克服传统纹理可视化方法的技术瓶颈。最后采用风场数据进行试验,验证了本文方法的可靠性与有效性。     

多层次地理视频语义模型

针对公共安全应急响应中支持推理、挖掘和关联分析的地理视频建模难题,提出了一种显式表达视频变化的多层次地理视频语义模型,并用UML图进行描述。该模型的特点是:改变了传统视频流整体语义描述方法,通过面向变化的三域(特征域-行为过程域-事件域)定义地理视频语义的层次结构和数据的层次表达;在各层次语义描述中将地理环境语义与视频内容语义有机结合,支持多地理视频数据的关联表示。以公共安全事件监控视频为例阐明了模型的实用性和有效性。     

线划图像的矢量化表示

对线划图像进行矢量化表示能够有效地减少数据量，提高系统的处理能力，可以硫分利用矢量数据的特点实现更高级的功能，可以充分利用矢量数据的特点实现更高级的功能，本文提出了种利用骨架线和相应的线宽信息进行矢量化表示的新方法，实验证明该方法对线划图像非常有效。     

星载大气探测激光雷达发展与展望

从最早的星载激光雷达空间技术实验LITE出发,回顾了已成功发射的多颗星载激光雷达发展历程。详细阐述了LITE、CALIPSO等星载激光雷达在大气遥感领域,特别是气候环境变化和数值预报模式研究上所取得的成就。主要从全球气溶胶垂直结构及其辐射强迫、全球云垂直结构和特征、气溶胶-云-降水相互作用和气溶胶数据在雾-霾和沙尘天气预报中的应用等4个方面进行展开说明,并且深入分析了未来星载激光雷达在大气风场和大气成分探测方面所面临的需求和挑战。在大气风场探测需求方面,结合星载激光雷达探测优势从提高热带地区的天气预报准确率、提高非地转条件下中小尺度短时临近预报水平和填补卫星高/低空急流监测技术空白等3个方面进行详细论述。在大气成分探测需求方面,与传统被动探测仪器相比较,突出激光雷达在信噪比、CO2垂直结构和夜间探测上的明显优势。最后,指出全球风场和大气成分探测将成为未来星载激光雷达的重要发展方向。     

论土地利用与覆盖变化遥感信息提取技术框架

利用遥感技术提取土地利用和覆盖变化信息是一个多因素交织的复杂过程,为提高遥感信息提取的自动化和定量化水平,本文针对变化信息本身的内涵(容)将这一复杂过程分解为变化位置发现、变化区域提取、变化类型确认以及变化信息表示等过程,构建了基于遥感技术的土地利用与覆盖变化信息提取技术流程,并对流程中的关键技术和方法进行了论述和探讨。本文的技术方法能有效应用于多时相遥感数据或已有土地利用与覆盖数据支持下的单一时相遥感数据情况下的变化信息提取。