基于SVM的海浪要素预测试验研究

采用支持向量机对海浪要素中的有效波高进行预测,采用风场和波浪场作为学习要素,对比不同特征向量对有效波高预测结果的准确度。取台湾岛东部海区作为实验区域,使用NCEP再分析的数值模式数据作为学习样本。选用支持向量分类机,建立了4组不同特征向量的模型进行海浪有效波高的预测,并对4种模型的结果进行比较和分析。实验表明,当输入的特征向量过多或过少时,会对模型的预测结果和计算效率产生不同的影响。当使用风场和波浪场共同作为特征向量进行学习时,在该区域预测结果与模式预报结果相比更接近,相关系数将近99%,均方根误差约0.2 m。     

北极海域海面风场和海浪遥感观测能力分析

卫星遥感是开展北极海域海面风场和海浪分布特征与变化规律研究的重要手段。本文基于在轨多源卫星遥感数据,从遥感观测空间覆盖、时间覆盖和多源卫星遥感数据融合等方面开展北极海域海面风场与海浪遥感观测能力分析,研究主要结果为:基于ASCAT和HY-2A散射计可实现北极海域海面风场遥感观测,通过多星联合观测可获取北极海域时空分辨率优于12 h和0.1°的海面风场遥感融合数据;基于HY-2A、CryoSat-2、SARAL和Sentinel-3高度计可实现北极海域海浪遥感观测,同样通过多星联合观测可获取北极海域时空分辨率优于1 d和0.25°的海浪有效波高遥感融合数据;基于2016年北极海面风场和海浪遥感融合数据,分析得出北极海域海面风场和海浪在2月处于极大值,然后逐渐减小,7月最小,随后开始逐渐增大。本研究表明,基于多源散射计和高度计遥感观测可实现北极海域海面风场和海浪的高时空分辨率遥感业务化监测。     

山东半岛东部沿海海浪预报方法初步探讨

本文采用麦夸特法（Levenberg—Marquardt）＋通用全局优化的拟合方法,依据山东半岛不同海区海浪和风的实况资料,确定不同海区拟合方程,拟合方程以WRF风场预报模式预报24小时风速为预报因子,以海浪浪高为预报量。根据拟合方程计算出的每个海区的浪高的值,对每个海区分别进行海浪的浪高预报,产品以GRADES图形的形式输出。     

星载合成孔径雷达图像反演海面风场方法综述

合成孔径雷达作为微波雷达,具有全天候、全天时、高分辨率对海面成像的能力,能实现多波段、多极化、多视角的观测海面,可以提供大范围、高精度的实时动态海面信息,对其进行深入研究有着重要的意义。基于合成孔径雷达图像,分别以风向和风速反演为主线,对国内外海面风场反演的工作进行了详细的总结。     

福清湾港口工程中海浪要素的分析研究

本课题对福清湾的海浪要素进行了较系统的研究，并在几个方面对海浪的极值估计问题进行了专门探讨。一是选用基于文氏海浪理论谱原理的波浪折绕射联合模型方法分析外海海浪在福清湾水域传播的衰减程度，其次是采用新订正的浅水风浪公式分析湾内有限风区的浅水风浪状况，同时也对这一海区的实测海浪特征进行综合分析，以便能够使港口工程规划和设计部门对福清湾的海浪影响程度有较全面的了解。     

MASNUM-WAM海浪模式集合Kalman滤波同化研究-I.风场扰动对海浪模拟影响

模式集合样本的代表性和观测信息的可靠性是制约数据同化效果的重要因素,而前者对海浪模式同化的影响尤为显著。由于海浪模式对初始场的敏感性较弱,来自大气的风输入源函数是海浪的重要能量输入,如何合理地对风输入进行扰动,构造海浪的集合模式运行,是实现和改进海浪模式集合Kalman滤波同化的关键问题。为了实现海浪模式集合运行,本文提出了风场的三种集合扰动方案,分别为：纯随机数、随机场和时间滞后的风场扰动方法。本研究利用2014年1月ECMWF全球风场,基于这三种风场扰动方法开展了集合海浪模式的集合运行实验,并统计分析了海浪特征要素（有效波高）和二维波数谱对风场扰动的响应。结果表明,随机场集合扰动方案所构造的风场集合效果最佳,所得海浪模拟结果的集合样本发散度适中,能够较为合理地反映背景误差的统计特征,可用于进一步的集合Kalman滤波海浪数据同化实验。     

大西洋欧洲沿海的海浪特点

利用１９８０年－１９９０年中央气象船舶报资料,以２°×２°网络,对大西洋欧洲附近沿海包括地中海西口、欧洲近海、英吉利海峡西口的重要海域,进行了累年逐月的统计计算和分析研究,每个网格中,一个月所含有的样本数一般为１２２－１６２２次,其中最多的测次达１９４７次,最少的测次为４９次。文章介绍了该区的风、浪、涌分布特点和变化规律。     

热带气旋风场对海浪分布特征的影响

设计了一系列理想的数值实验,利用高分辨率的WAVEWATCHIII海浪模式定量分析热带气旋移动速度、强度、最大风速半径和热带气旋移动时的转向等风场细节因素对热带气旋下表面海浪分布特征的影响。实验结果表明,热带气旋移动速度、最大风速半径和热带气旋移动时的转向会影响海浪的空间非对称分布。最大风速半径增大会使最大有效波高的位置向后移动,而移动速度增大会使最大有效波高位置向前移动。移动速度增大会使右侧象限内的有效波高增大,左侧象限内有效波高减小。最大风速半径增大和强度增强使各象限内有效波高均增高。热带气旋的转向使各象限内有效波高增高,除了右后象限。这些风场特征对各个象限内海浪的平均波长、平均周期、平均波向、和波峰方向都有很重要的影响,尤其以左后象限最为显著。     

基于极化SAR数据的海浪信息反演

基于C波段极化AIRSAR数据,采用性能较好、计算简便的圆极化法提取极化方位角,利用极化SAR数据的反演算法反演海浪参数。将反演的海浪参数与NDBC浮标测得数据进行比对,结果显示两者反演海浪参数较为一致,精度符合海浪观测要求。同时,对海岸岬角在海浪传播过程中的折射作用进行了分析,发现海浪由开放水域向近岸浅水域传播过程中受到海岸岬角折射影响较大,结果符合近岸海浪传播特征。     

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。     

面向对象的无人机遥感影像海岸线提取方法研究

针对海岸线区域地形复杂和卫星遥感影像分辨率的不足,精度难以满足大比例尺成图要求,以及常规解译方法的局限性,选取青岛小岛湾海岸线为研究区,以无人机(UAV)遥感影像为基础数据,提出一种面向对象的海岸线提取方法,结合现场实测验证,开展了人工海岸线和砂质海岸线识别的应用实验。结果表明:人工海岸线和砂质海岸线概率边缘指数(PRI)分别为0.97和0.88,边缘定位误差(BDE)分别为4.33和2.84,提取的人工海岸线和砂质海岸线与实测海岸线结果整体上匹配较好,仅在局部细微处存在微小差异。本文提出的方法可快速有效地获取海岸线信息,其精度能够满足海岸线动态变化监测的需求,可在海岸线资源管理中推广应用。     

基于TerraSAR-X卫星数据的内孤立波参数和海表流速信息提取的探索研究

本文利用TerraSAR-X(TSX)卫星于2010年4月22日在南海东沙岛附近海域获取的数据进行海洋内孤立波动力要素和海表流速信息的提取研究。基于TSX数据的后向散射强度信息,利用经验模态分解法得到内孤立波半波宽度,再利用两层模型法和参数化法计算得到内孤立波振幅和相速度。反演结果显示,利用参数化方法得到的振幅(约21～39 m)和两层模型法得到的相速度(约1.07 m/s)与历史实测资料较为一致。进而利用TSX的顺轨干涉数据获取研究海域内的多普勒速度,再分别采用M4S模型法和直接分离法处理,进而提取海表流速。结果显示,两种方法得到的海表流速的全场平均值较为一致,均为1.10 m/s左右。M4S模型法对流速最大值的改变量较大而直接分离法对流速最小值的改变量较大。M4S模型对内孤立波波峰线区域海表流速的修正大于无内孤立波的海域。最后,基于KdV方程计算得到内孤立波引起的表面流的流速约为0.28 m/s,对反演出的海表流速贡献占比23%。     

Note on wave parameters from moored wave buoys

For decades, the accelerometer wave buoy has been a preferred choice for offshore wave measurements. Although these measurements are accurate and robust, there are some issues of practical character that need to be inspected before using such measurements for detailed time-series investigations. Here three potential sources of inaccuracies are outlined which can appear due to improper mooring, limited high-frequency resolution or overly simple procedures for attaching measurement times (time stamps) to the measurements. The last two of these apply to all types of single-point wave-measuring devices.

An example of a wave-height series is given, in which part of the observed variation seems to be induced by the mooring. It is argued that unexpected semi-tidal modulations in measured wave-height can be an indication of a mooring that is too rigid. By truncating observed wave spectra from a deep-water location, it is demonstrated how the high-frequency cut-off limit of a wave measurement influences the most commonly used wave parameters. It is observed that the accuracy of common wave parameters remains acceptable up to a cut-off limit in the range of 0.30–0.35 Hz if the spectra above the cut-off frequency are replaced by a prognostic f⁻⁵ tail. Finally it is noted that the procedure of connecting time stamps to wave measurements can in some cases introduce an artificial time-lag compared to the real-time sea state.     

一种联合单波束测深的侧扫声呐海底线提取方法

论述了侧扫声呐的成像原理,针对目前常用侧扫声呐系统数据采集的相关特性,结合实际工程应用,提出了一种联合单波束测深的侧扫声呐海底线提取新方法,以便在数据后处理时进行快速准确地斜距改正。利用实测数据验证了该方法的有效性,并与成熟商用软件的提取结果和阈值法提取结果进行对比分析,结果表明该方法具有一定的可行性和优势。     

Optical flow-based method to estimate internal wave parameters from X-band marine radar images

The velocity and direction of internal waves (IWs) are important parameters of the ocean, however, traditional observation methods can only obtain the average parameters of IWs for a single location or large area. Herein, a new method based on optical flow is proposed to derive the phase velocity vectors of IWs from X-band marine radar images. First, the X-band marine radar image sequence is averaged, and ramp correction is used to reduce the attenuation of gray values with increasing radial range. Second, the average propagation direction of the IWs is determined using the two-dimensional Fourier transform of the radar images; two radial profiles along this direction are selected from two adjacent radar images; and then, the average phase velocity of the IWs is estimated from these radial profiles. Third, the averaged radar images are processed via histogram equalization and binarization to reduce the influence of noise on the radar images. Fourth, a weighting factor is determined using the average phase velocity of a reference point; the phase velocities on the wave crest of the IWs are subsequently estimated via the optical flow method. Finally, the proposed method is validated using X-band marine radar image sequences observed on an oil platform in the South China Sea, and the error of the phase velocity is calculated to be 0.000 3–0.073 8 m/s. The application conditions of the proposed method are also discussed using two different types of IW packets.     

降雨条件下的导航X波段雷达海浪参数反演算法研究

X波段的电磁波受降雨影响容易产生衰减,这导致导航X波段雷达在降雨时无法用于海浪观测。本文提出了一种新的降低降雨影响的算法来反演海浪参数。首先,对X波段雷达图像做主成分分析,获得波浪变化的主成分,利用一维傅里叶变换得到波数谱,对其滤波减小降雨对雷达图像的影响;然后,选取JONSWAP(Joint North Sea Wave Project)谱作为理论谱,建立以观测谱与理论谱的最小化差异为目标函数的模型,求解该模型估算海浪的有效波高。与浮标测量的有效波高相比,该方法反演的有效波高的均方根误差是0.23 m,证明了该方法的可行性。     

Research on extracting method of micro-scale remote sensing information combination and application in coastal zone

Due to the need of rapid and sustainable development in China’s coastal zones, the high-resolution information theory using data mining technology becomes an urgent research focus. However, the traditional pixel-based image analysis methods cannot meet the needs of this development trend. The paper attempts to present an information extraction approach in terms of image segmentation based on an object-oriented algorithm for high-resolution remote sensing images. An aim of the author’ research is to establis...     

Methods for retrieval of sea wave spectra from aerospace image spectra

An approach to the retrieval of sea wave spatial spectra based on satellite optical imagery in linear and nonlinear approximations is described. Physical mechanisms of the formation of disturbed sea surface brightness fields recorded by remote sensing equipment are analyzed. Wave spectra retrieval methods using brightness field formation models that consider linear and nonlinear dependencies on sea surface slopes are suggested. A method for the construction of operators that retrieve the spatial spectra of surface wave slopes and elevations from aerospace imagery and take into account nonlinear modulations of disturbed sea surface brightness fields is developed. This method is based on the numerical simulation of sea surface images and the construction of a retrieving operator with respect to a set of parameters determined by aerospace imaging conditions. Examples of the use of the developed methods are given.     

Ocean wave parameters retrieved directly from compact polarimetric SAR data

We aim to directly invert wave parameters by using the data of a compact polarimetric synthetic aperture radar(CP SAR) and validate the effectiveness of ocean wave parameter retrieval from the circular transmit/linear receive mode and π/4 compact polarimetric mode. Relevant data from the RADARSAT-2 fully polarimetric SAR on the C-band were used to obtain the compact polarimetric SAR images, and a polarimetric SAR wave retrieval algorithm was used to verify the sea surface wave measurements. Usin...