星载合成孔径雷达海洋遥感与大数据

星载合成孔径雷达以其全天候、全天时、不受云雨影响的工作特性在空间对海观测中起到了重要作用,又以其高空间分辨率、多极化、多成像模式的特点展示了其在海洋动力要素反演和海洋多尺度动力过程研究中独特的魅力.起步于20世纪70年代末的星载合成孔径雷达技术,迎来了发展的"黄金时期",大数据和机器学习又赋予了星载合成孔径雷达海洋遥感更强大的生命力.本文首先阐述了星载合成孔径雷达大数据的5"V"特性,进而以高分辨率海面风场反演、海洋内波中尺度动力过程观测两类典型案例,阐述了大数据、机器学习等现代信息科学技术与卫星海洋遥感结合,实现海洋环境参数高精度反演和海洋动力过程科学深层次认知的研究.最后,展望了星载合成孔径雷达海洋遥感与大数据的发展前景.     

星载SAR测量海洋流场研究进展

多普勒信息是合成孔径雷达(SAR)进行海洋动力遥感的一个重要参数,自从20世纪80年代末就已经开始利用该参数反演海表面动力过程的相关研究.本文重点论述了星载SAR多普勒信息反演海表面流及其应用研究,主要包括SAR干涉测量方法获取海洋流场信息的主要技术手段及研究进展;多普勒频移方法反演表层海洋流场的发展历程及在上层海洋现象(包括地转流、准地转流以及中小尺度过程)中的应用研究;相关的国外重要数据融合计划和研发计划.目前国内在海洋流场的遥感方面还处于起步阶段,重点关注于反演理论和方法,而将反演信息应用于上层海洋动力的研究,还十分缺乏.希望通过本文的综述,为后续在该方向的研究提供借鉴.     

GNSS-R海洋遥感原始数据采集系统研究与实现

利用全球导航卫星系统反射信号(GNSS-R)实现海面风场探测,是一种新型的微波遥感技术.获得表征海面粗糙度等信息的原始数据是实现导航卫星反射信号对海面风场探测的关键技术之一,对导航卫星反射信号软件接收机的研究,其原始数据获取更为重要.该文在分析GPS海面风场探测前向散射机理基础上,结合GPS直射信号接收理论,设计完成了基于FPGA实现的双射频前端海洋遥感原始数据采集系统;阐述了系统组成原理及关键模块设计过程,给出了机载试验及试验数据分析结果;得到卫星直射信号和对应反射信号镜面反射点路径延迟的试验结果与理论计算值基本一致,误差为0.28%.能正确表征镜面反射点等海面粗糙度信息,试验结果符合海洋遥感参数反演的精度要求.     

基于人工智能算法的CYGNSS数据土壤水分反演

利用CYGNSS数据估计地表土壤水分(SM)近年来获得了极大的关注, 但效率和精度有待进一步提升.本文提出了一种预分类策略, 结合人工智能算法(AI), 利用CYGNSS数据预测土壤水分.此策略能够在人工智能算法的基础上进一步提高土壤水分预测的精确度, 具有较好的普适性和易用性.本文使用了2018年全年中国地区的实地土壤水分数据作为地面真实参考数据进行建模以及预测.结果证实预测土壤水分与参考真实数据具有良好的一致性.基于CYGNSS数据预测的土壤水分与实地土壤水分参考数据比对, 其相关系数高达0.8, 平均均方根误差(RMSE)和平均无偏均方根误差(ubRMSE)分别为0.059 cm³/cm³和0.050 cm³/cm³.研究结果表明, 预分类策略的人工智能算法可明显提高CYGNSS预测土壤水分的精确度, 其简单易操作性也使其可广泛应用于其他回归和预测研究领域, 具有较好的泛化性和拓展性.     

使用FLUXNET数据验证GLASS地表反照率

GLASS(Global Land Surface Satellite)数据是基于多源遥感数据开发的面向全球变化与地球系统科学研究的参数产品,地表反照率是其中的一个重要产品.为评估GLASS地表反照率的精度和不确定性,文章使用全球通量观测网络(FLUXNET)站点的地表实测数据验证了不同地表覆盖类型的GLASS地表反照率.选择了北美和中国区域的共4个FLUXNET站点,与GLASS地表反照率进行了对比.结果表明:在均一地表的覆盖区域的精度较高,达到了0.056,而在地表类型较为复杂的地区,验证精度较低,均方根误差达到0.16.     

海洋资料浮标结构关键问题研究

海洋资料浮标作为一种海洋观测平台,是人们认识、探究和开发利用海洋的必备工具。该文根据海洋浮标结构技术及其理论研究现状归纳了该领域研究热点和难点。在此基础上,提出综合运用有限元和多体动力学,融合多种仿真软件是未来研究海洋资料浮标结构的趋势。最后提出了几种验证仿真结果的可行实验方法。     

东印度洋天气和风暴潮预报系统的初步评估

东印度洋天气和风暴潮实时预报系统(EPMEF_EIO)由区域大气模式和区域风暴潮模型组成,每天实时运行4次.大气初边场来自美国国家环境预报中心(NCEP)的全球预测系统(GFS),通过区域嵌套得到印度洋-东印度洋-斯里兰卡区域的3 d预报结果.大气模式的10 m预报风场驱动风暴潮模式,得到东印度洋-斯里兰卡区域的潮汐和风暴潮3 d预报结果.通过与中国科学院南海海洋研究所斯里兰卡站气象塔观测数据、最优台风路径数据和科伦坡水位站数据对比,发现模式预报气温和相对湿度的日变化较观测值偏小,气温总体RMSE为1.26℃,相关系数为0.8,相对湿度的总体RMSE为7.0%,相关系数为0.7;模式预报风速以整体偏大为主,总体RMSE为2.3 m/s,相关系数为0.65;模式预报风向能把握主要的变化趋势,RMSE在20°~32°之间,相关系数约0.65;模式24、48和72 h路径预报平均误差分别为110.5、166.4和181.0 km.此外,模式水位预报的RMSE为0.035 m,占最大振幅约5%,与观测的相关系数达到0.996.这说明了模式可以用于预报潮汐和风暴潮过程.     

北斗卫星导航系统长距离网络RTK方法研究

研究了北斗卫星导航系统长距离网络实时动态定位(RTK)方法.利用长距离参考站北斗卫星导航系统(BDS)多频观测数据确定宽巷整周模糊度,通过顾及大气误差的载波相位整周模糊度解算模型,解算双差载波相位整周模糊度.考虑长距离参考站观测误差的特性不同,将观测误差进行分类处理,利用参考站观测误差和区域误差内插法分别计算流动站的电离层延迟误差和非色散性误差,并改正流动站载波相位观测值的观测误差.使用流动站多频载波相位整周模糊度解算方法确定载波相位整周模糊度,并进行位置参数的计算.使用长距离连续运行参考站(CORS)的实测数据进行算法实验,流动站定位结果与坐标已知值在E,N,U 3个坐标分量方向的偏差达到厘米级水平,3个坐标分量差值的RMS分别为10,14,35 mm.实验结果表明:提出的BDS长距离网络RTK方法可以有效消除流动站载波相位观测值的系统误差,实现流动站用户的厘米级定位.     

HYSPLIT模式轨迹计算误差分析

基于NCEP 1°×1°再分析资料GDAS和NCEP2.5°×2.5°再分析资料GBL,利用美国NOAA空气资源实验室ARL研发的一种用于计算和分析大气污染物输送、扩散轨迹的混合单粒子拉格朗日综合轨迹模式HYSPLIT,对2010年3月12日12时和田站距地100 m高度空气质点的3 d前向轨迹进行了模拟,分析了轨迹计算中的积分误差和分辨率误差.此次轨迹模拟试验中,积分误差对轨迹计算误差的贡献很小.随着积分时间的延长,积分误差略有增大.积分误差并未随着驱动数据分辨率的提高而减小.分辨率误差在积分的各个时刻并不相同,它与地形高度与天气系统有关.在轨迹模式中,轨迹计算基于风速在时间和空间上的线性插值,轨迹模拟的不确定性也与插值有关.使用不同分辨率的驱动数据对轨迹计算结果影响显著,分辨率误差对轨迹计算误差的贡献远大于积分过程中截断近似等带来的积分误差.     

NCEP再分析资料在大气环境预测中的应用

为了给大气环境预测中使用非常规气象资料提供参考依据,基于美国法规空气质量(AERMOD)模式,以2011年哈尔滨常规观测资料、美国国家环境预报中心(NCEP)再分析资料构建标准情景和NCEP气象情景,分析NCEP气象情景与标准情景大气污染物预测质量浓度的符合度指数和相对误差.结果表明:NCEP再分析高空资料、云量资料用于大气环境预测与标准情景相比误差小,可以替代同类常规观测数据;而NCEP再分析资料替代地面自动站资料进行大气环境预测误差偏大,不宜采用.     

岷江上游典型流域林冠截持降雨遥感模型与反演

在对岷江上游典型流域研究区实地踏勘和定位观测的基础上,综合利用ETM和ASTER遥感数据、地面实测数据和常规观测数据等资料,结合森林水量平衡原理,建立了岷江上游典型流域林冠截持降雨遥感信息模型。以遥感图像中单个像元作为测算单位,对模型参数叶面最大持水度、覆盖度、叶面积指数(LAI)进行了计算,并对岷江上游毛儿盖地区林冠截留降雨量进行了反演。并利用研究区实测数据、生态环境本底遥感调查数据和水文气象数据对上述模型反演结果进行验证和精度分析。结果表明,模型反演结果精度较高,能较好反应研究区植被冠层截留量的实际状况。     

基于热带风暴“三巴”的台风浪数值模拟研究

利用第三代海浪模式WAVEWATCHⅢ构建二重嵌套台风浪模型,采用NCEP分析风场为驱动场,以热带风暴"三巴"为例将模式运用到中国近海台风浪模拟中,采用美国国家海洋和大气管理局(NOAA)再分析数据(有效波高)作为对比对象.验证结果表明,该模式能较好地反映中国近海海域台风浪过程,同时说明NCEP分析风场适用于该海域波浪数值研究.     

基于SWAN模式的黄渤海一次强冷空气研究

利用MICAPS、T639、日本传真图等资料,对2012年1月20日前后的一次强冷空气过程进行研究,并将各种预报产品和旅顺站预报经验相结合,对黄渤海的海表风场、海浪场进行预报和经验总结.此外,还利用NFS(Non-hydrostatic Forecast System)风场驱动SWAN(Simulating Waves Nearshore)模式,对此次冷空气所造成的大浪进行模拟,并将预报结果、模拟结果分别与观测资料进行对比,以提高预报能力和检验SWAN模式对发生在黄渤海的冷空气所致大浪的模拟能力.结果表明:以NFS风场为驱动场时,SWAN模式可以很好地对黄渤海海域的海浪场(含波高、波向)进行模拟,预报的风场、海浪场与观测资料基本一致;在高风速下,预报的波高与实测波高一致性较好,但在中低风速下,预报的波高略低于实测值.     

实测天文大气折射的基本原理

大气折射率的各向异性问题是目前空间大地测量技术中非常重要的课题．从天文观测的角度分析了长期以来不能直接测定天文大气折射值的几个主要障碍,介绍了现已具备排除这些障碍的条件．基于中国科学院云南天文台低纬子午环的特殊功能,以及新的仪器误差理论,给出了专用测量仪器的设计方案和实测天文大气折射值的基本原理．根据长期观测的数据表明,利用低纬子午环的测量原理测定瞬时大气折射值是可行的,可以建立随测站和随方位而异的大气折射实测模型．给出了云南天文台的东南西北4个方向的天文大气折射实测模型．     

北斗反射信号海风探测数据分析与检定

利用导航卫星反射信号(GNSS-R)进行海风海浪探测为海洋气象提供了一种新的观测手段,数据分析及有效性检定是确定系统探测能力的重要过程.在描述北斗GEO卫星进行海风探测机理的基础上,利用北斗反射信号的相关时间进行了海风的反演.同时针对国家北斗应用项目"基于北斗导航卫星的大气海洋和空间监测预警应用示范工程"在山东进行试验和试运行期间产生的风速观测数据进行分析,并通过与标准数据的对比,确定了该方法的有效性.     

陆地高光谱遥感数据的大气校正算法分析

针对大气散射、气溶胶散射和太阳反射等因素影响,使传感器接收到的数据与地表反射的数据不一致,造成遥感图像失真的问题,本文为了将高光谱成像数据用于陆地表面的定量遥感,必须消除大气影响,对所获得的信息进行大气校正。通过运用辐射传输模型法对遥感数据进行大气校正,并采用经验法与辐射传输模型法相结合的混合方法进行大气校正。研究结果表明,将ATREM和现场光谱测量相结合,可以在与校准点不同的海拔上改善大气校正,地面校准消除了与传感器伪影和辐射传输模型相关的残留误差。该研究可以使遥感图像准确地获得地表信息。     

基于卫星和Argo观测的阿拉伯海中北部海表盐度季节和年际变化（英文）

基于美国国家航天局(NASA)发射的水瓶座(Aquarius/SAC-D)卫星和欧洲航天局(ERA)发射的土壤湿度与海洋盐度(SMOS)卫星的观测资料,以及Argo海表盐度资料,重点分析了阿拉伯海中北部海表盐度的季节和年际变化.年平均情况下,Argo、Aquarius和SMOS表现出相似的海表盐度分布形态,均表现了阿拉伯海中北部高达36.5 psu的高盐特征.阿拉伯海中北部海表盐度在2—3月出现最低值,在4月之后快速升高,并在夏季西南季风的成熟阶段达到最高.阿拉伯海中北部海表盐度显著的季节变化与季风风场引起的大量蒸发和平流输送相关.夏季风期间,Ras al Hadd急流将来自阿曼湾的高盐水向东向南输送到阿拉伯海中北部海域,使海表盐度升高并达到最高值;冬季风期间,冬季风环流系统在印度半岛西侧海域形成向北的低盐水输送,造成阿拉伯海中北部海表盐度降低.该低盐水平流在冬季风后期能够影响到阿曼海.阿拉伯海中北部海表盐度年际变化主要与季风驱动的季风环流系统的变化相关,尤其是冬季风期间向北流动的印度西侧沿岸流的强弱与该区域海表盐度年际变化关系密切.     

单次散射条件下大气偏振中性点的特性研究

为了消除大气散射辐射对地物识别的影响,提高地物遥感偏振识别的精度,从平面分层大气中的辐射传输方程入手,推导单次散射时天空散射光的偏振度及偏振中性点的大小与分布,利用全天空遥感偏振测量装置对天空偏振现象进行了观测实验.测量结果表明,天空散射光的偏振度分布与单位体积空气散射光偏振度的分布是一致的;大气偏振中性点在距反日点角距约15°~25°的范围内变化;偏振度围绕偏振中性点有规律的分布.     

基于ETM+的滇东南石漠化区域植被指数与叶面积指数反演关系研究

为了建立遥感数据获取的植被指数与石漠化区域叶面积指数之间的关系,以此来反演遥感光谱信息与石漠化程度之间的定量关系,本研究选择云南省石漠化最严重的滇东南地区作为研究区域,以ETM+为研究对象,采用仪器野外实测数据内插生成叶面积指数图,经过大气地形校正后的遥感影像数据生成植被指数图,找出两者之间的规律.考虑到高原山地地区特殊的大气地形条件,为提高校正的精度,减低遥感信号和陆地表面参数反演的影响,本研究在原有的类型匹配法的基础上进行改进,综合考虑湿度、能见度后进行地表反射率反演、气溶胶光学厚度估计以及临近效应的纠正,再结合阴影函数运算法,同时进行大气地形的校正.研究表明,经过大气地形校正后不同土地利用类型的植被指数NDVI与叶面积指数LAI的相关系数很高,且与LAI呈非线性函数关系.采用一阶关系式,复相关系数达到0.712;二阶复相关系数达到0.765.     

基于Hydrolight模拟的内陆水体光场的二向性

为了进一步完善内陆水体光场的二向性研究,以水体固有光学量和水质参数为输入,采用Hydrolight辐射传输模型模拟了内陆水体光场的二向性分布,获得了二向性因子Q、f/Q随观测方向、波段的变化规律以及Q、f/Q受驱动要素的影响规律.结果表明:f/Q随波段的变化大于随观测天顶角和观测方位角的变化,f/Q随观测天顶角变化大于随观测方位角的变化;观测方向对蓝光和近红波段f/Q的影响大于对绿光和红光f/Q的影响.Q、f/Q的驱动要素中太阳天顶角、悬浮物质量浓度、叶绿素a质量浓度、悬浮物后向散射概率及云量属于主导要素,在反演浑浊类水体水质参数时需要慎重对待;aCDOM、叶绿素后向散射概率、漫总比、风速等要素对光场二向性的影响可以忽略.总体而言,仅考虑二向性影响时,水质参数遥感反演时应尽量选用绿光和红光波段、观测天顶角在40°范围内、观测方位角在0°~150°和210°~360°内的遥感反射率数据,可以适当降低方向性观测引入的误差,提高水质参数反演精度.