不同地形环境下无人机航线规划及三维建模分析

针对不同地形环境下存在的飞行安全性低、数据冗余、构建三维模型质量和精度差等问题,本文以单镜头四旋翼小型无人机为试验设备,对平坦地形环境下的复杂单体建筑使用井字形交叉航线和环视航线;对复杂山地地形环境下的泥石流沟谷使用水平航线、井字形交叉航线及视频航线构建三维模型,并结合航线参数、三维模型质量和精度,探讨了不同地形环境下无人机航线规划方案对三维模型构建的影响。经评价分析可知:①使用环视航线能安全、快速地获取平坦地形下的复杂单体建筑影像,构建完整、质量好、精度高的三维模型;②使用井字形交叉航线能构建山地地形下泥石流沟谷的完整、质量好、精度高的三维模型,但飞行安全性、时效性较低;③使用视频航线,影像重叠度高,能构建完整、质量好的三维模型,模型精度并无明显差异。     

多源遥感数据支持下的区域性森林冠层高度估测

结合机载LiDAR数据,提出了一种改进的GLAS光斑点冠层高度地形校正模型,以校正后的GLAS光斑点作为输入样本,结合MODIS遥感影像,利用支持向量回归（SVR）的方法对研究区森林冠层高度进行分生态区估测,并利用野外调查数据和机载LiDAR冠层高度结果对估测结果进行验证。结果显示:研究区的坡度等级直接影响GLAS光斑点森林冠层高度估测精度,改进的地形校正模型可以较好的减小坡度对GLAS光斑点森林冠层高度估测的影响,模型精度RMSE稳定在3.25~3.48 m;不同生态分区的SVR模型估测精度较为稳定,其RMSE=6.41~7.56 m;与算数平均高相比,样地的Lorey's高与制图结果拟合最好,不同生态分区平均估测精度为80.3%。机载LiDAR冠层高度结果的验证平均精度为79.5%,和Lorey's高验证结果呈现较好的一致性。     

基于LiDAR的农田地形环境三维重建方法

为克服传统农田土地平整测量方法耗时费力的特点,提出采用LiDAR技术对农田地形进行重建的探索性研究。通过HDL-32E型激光雷达等搭建了系统的硬件平台,应用C++语言编写了系统数据的采集程序;在此基础上对激光雷达所采集数据进行了标定,研究了农田地形重建系统中不同坐标系的转换方法;同时基于最小值去噪法设计了更适用于农田地形点云去噪的均值限差去噪法。通过对比在农田起伏较大区域不同坡度范围内RTK与激光雷达所测单元个数,对系统精度进行了评价;最后实现了车载农田地形重建系统的界面显示、应用与精度评估。结果表明,在10°~15°、25°~30°大坡度范围内激光雷达所获农田地形更为丰富,精度更高。该方法重建的农田地形模型点云数据和原始农田地形点云数据投影面积逼近度可达93%,验证了本文研究方法应用于农田地形环境重建的可行性,同时为今后的土地精细平整工作提供了理论参考与依据。     

海洋自主航行器多海湾区域完全遍历路径规划

海洋自主航行器在对海底地形测绘和水文信息搜集过程中,简单锯齿形完全遍历路径规划算法对多海湾海底地形探测易出现重复区域和遗漏区域的问题。本文提出了遗漏海湾和重复海湾及其进入点、退出点和门户的路径规划环境表达概念,并将其应用在基于行为的锯齿形完全遍历路径规划改进算法中,有效地减少了海洋自主航行器全覆盖地形测绘的重复区域和遗漏区域。在网格化定常流场海域内,对某一阻力特性已知的自主水下机器人进行了完全遍历路径规划仿真,验证了基于重复和遗漏海湾搜索行为的完全遍历路径规划算法的遍历性和不重复性,并降低了区域全覆盖地形测绘任务的耗能。最终,通过小型无人艇湖试验证了算法在完全遍历路径规划中的节能性和实用性。     

复杂地形下地面观测资料同化I. 模式地形与观测站地形高度差异对地面资料同化的影响研究

中国地形复杂，模式地形与实际观测地形存在一定高度差异，因此设计合理的复杂地形下地面观测资料的同化方案有利于使我国目前仅用作探测手段的地面观测资料（常规地面观测站和地面自动站）在中尺度数值模式中得到充分利用。作者在MM5_3DVAR同化系统中利用近地层相似理论将地面观测资料进行直接三维变分同化分析，并对地面资料同化方案设计中是否需要考虑模式与实际观测站地形高度差异进行探讨研究。研究结果表明：通过近地层相似理论将地面观测资料同化到数值模式能起到一定的作用，并且地面观测资料（温度、 湿度、 风场、 地面气压）中各物理量同化到数值模式都能影响24小时降水数值结果，但各物理量起的作用大小不一样，其中影响最大的是温度，其次为湿度；地面观测资料同化方案设计有必要考虑模式地形与实际观测站地形高度差异，适当考虑这种高度差异能取得较好的结果。     

西北地区一次沙尘暴过程的诊断分析及地形影响的模拟试验

以实况资料作初始场,利用改进的MM4中尺度模式对西北地区2001年4月8~9日强沙尘暴天气过程的位势涡度、涡度、垂直速度、螺旋度等热、动力物理量的水平和垂直分布特征进行了分析,发现各物理量场在沙尘暴发展的不同时期有着很好的配置,物理量量值及其分布特征的变化与沙尘暴天气的形成、发展、消弱的不同时期有着很好的对应。通过改变秦岭及河西走廊地形进行数值模拟试验,发现秦岭地形对此次沙尘暴天气系统影响很弱,而河西走廊地形对沙尘暴天气系统影响较大,河西走廊狭窄的地形为沙尘暴形成提供了有利的地理环境。     

豫北“21·7”极端暴雨过程特征及成因分析

利用探空、地面自动站、多普勒雷达等观测资料及ERA5再分析产品,对2021年7月17—22日豫北地区的极端暴雨过程进行分析。结果表明,极端暴雨过程具有强降水持续时间长、降水强度极端及地形影响明显等特征。极端暴雨过程发生于稳定的大尺度天气形势下,在日本海高压西伸及台风烟花(2106号)、查帕卡(2107号)西北行背景下,黄淮低涡外围加强北上的东南急流/偏南急流为强降水的发生提供了异常充足的水汽、能量条件,对流层中低层暖湿平流强迫、叠加地形影响的强动力辐合抬升作用及低空弱冷空气扩散南下是形成强降水的重要条件,而大气“强-弱-强-弱”的对流不稳定层结特征转化说明强降水过程中存在着两种互补的物理机制。不同阶段极端短时强降水(小时降水量≥50 mm)对流系统的形态结构和发展演变特征不同,但从雷达回波的垂直分布来看,系统均具有“低质心”特征,质心强度≥55 dBz且≥50 dBz强回波垂直伸展至5～8 km、持续时间1 h以上。强降水对流系统在太行山前30 km左右范围内的后向发展特征明显,一方面与地面西行偏东风/东北风在太行山绕流作用下形成的地形辐合线不断南伸有关,另一方面也与强降水冷池效应促使...     

2005年7月27～30日大暴雨天气过程分析

本文综合应用天气图、静止卫星云图、物理量诊断场、新一代天气雷达资料,分析了2005年7月27～30日连续大暴雨、暴雨的强降水过程。通过对贝加尔湖高压、河套低压、鄂海低压、副热带高压、冷暖空气、地形等因素,对这次在罕见的连续暴雨的强降水过程进行了分析。总结了复杂天气背景下的中尺度重大灾害性天气过程,得出有预报意义的特征,在今后的暴雨预报中具有重要指导意义。     

台湾地形对台风Meranti(1010)经过海峡地区时迅速增强的影响研究

台风在趋近大陆过程中强度一般衰减, 但Meranti(1010)北上进入台湾海峡过程中却迅速加强, 且在登陆福建时达到最强。采用中国气象局台风资料、NCEP GFS 0.5°×0.5°再分析资料及台湾雷达资料, 结合中尺度数值模式WRF(The Weather Research and Forecasting Model)开展台湾地形敏感性试验, 研究Meranti进入台湾海峡过程中的结构变化及迅速加强机理。结果表明:台湾地形是Meranti迅速加强的一个重要影响因子。Meranti北上过程中, 一方面通过台湾岛地形分流作用及其背风坡效应在台湾海峡内诱生中尺度涡旋, 形成正负相间的涡度分布, 激发出与台风相关的扰动波列。地形强迫抬升及扰动波列可加强垂直运动和积云对流, 有利于台风对流发展。另一方面, 台湾地形还通过改变环境气流使台风高空辐散场加强, 环境风垂直切变减小, 形成有利于台风发展的环流背景。比较不同高度台湾地形试验中台风动能收支发现, 台湾地形激发的扰动波列和积云对流增强了次网格尺度系统与台风间能量的交换, 成为Meranti登陆前迅速加强的主要动能源。     

台风灿鸿造成浙江东北部大暴雨地形作用的数值模拟研究

利用中尺度非静力数值模式WRF V3.6.1对台风灿鸿(1509)进行了高分辨率数值模拟,模式较好地再现了台风灿鸿的发展演变过程和在浙江东北部产生的强降水。观测资料显示台风接近浙江期间,在东北气流下,浙东北地形的摩擦辐合及抬升作用使得大量的对流云团汇集在台风西北侧,对流系统活跃,是浙江东北部产生强降水的重要原因。控制试验也模拟出了在台风接近陆地时,内核区西北侧存在有组织的、切向分布的小尺度对流系统,由地形强迫产生的降雨量和地形走向一致,迎风坡降雨量增加。通过升降地形,改变土地类型和将杭州湾水体用陆地替换等敏感性试验发现:(1)地形的影响对台风降雨量的增幅最为明显。通过降低地形,台风西北侧小尺度雨带明显减弱,浙江东北地区降水也明显减少。可见地形会影响这些中小尺度系统的结构和演变,引起降水异常变化。(2)大暴雨期间,台风一直维持较强的对称性,具有典型的眼墙和暖心结构。