基于支持向量机的遥感大雾判识

提出了一种基于支持向量机的卫星遥感数据大雾判识方法:首先通过对风云1D卫星大雾区域的各通道辐射值出现频次进行概率统计,利用其阈值来粗判识大雾;然后在粗判识的基础上通过支持向量机的方法进行大雾细判识;最后利用腐蚀和膨胀的图像处理技术对判识后的图像进行优化处理。在对我国2006年9-12月的65条监测到大雾的风云1D轨道的探测数据进行分析之后,发现大雾判识结果与专家标记吻合。检验结果表明,利用1、2、4、6、7、10通道组合进行粗判识的结果最好,5交叉正确率为89.9849%,TS评分为74.04%。利用上述方法对个例的分析检验表明,基于支持向量机的遥感大雾判识方法是切实可行的。     

基于深度学习的天气雷达异常数据识别技术

天气雷达基数据中因观测设备故障或标定问题而产生的异常数据,直接影响天气雷达数据质量、定量估测降水及天气系统的分析和判断。目前在中国气象局气象探测中心实时业务中,通过人工勘误环节对异常数据进行处理。针对2020—2022年业务中勘误较多的、大面积故障异常和易与降水数据混合的局部电磁干扰或故障的两类异常数据,分别构建和训练R-ResNet和R-LinkNet两种模型,提取雷达硬件故障、电磁干扰等特征,实现异常数据的识别和处理。评估结果表明:两种模型在提取异常数据特征方面均具有很强的学习能力,R-ResNet在分类判识异常数据与正常数据的准确率超过99%,R-LinkNet在分离电磁干扰杂波和降水回波的准确率超过98%。两种模型可用于实时业务中监控和勘误电磁干扰、故障等异常数据,实现异常数据的自动勘误处理。     

视程障碍现象自动判识方法及其记录常见问题处理

为理清地面视程障碍现象自动判识原理,并进一步提高对判别记录存在问题的发现和处理能力,确保视程障碍现象记录质量,该文从视程障碍现象判别所需观测要素、参照判别标准和记录形成流程3个方面全面深入地介绍了地面视程障碍现象记录的自动判识方法。并对自动判识记录常见异常问题进行总结,将其归纳为现象多判别、少判别、错判别和霾特有问题4类,总结了每类问题的特点及成因,并结合地面气象观测记录处理规定提出应对处理意见,强调注意事项。     

利用SSM/I数据判识我国及周边地区雪盖

积雪参数是气候学和水文学研究中所需的重要物理量, 确保积雪参数测定的准确性与及时性对于气候学研究、水文应用以及防灾减灾都非常重要。利用微波数据可获取有云存在时的积雪覆盖图, 遥感雪深和雪水当量信息。采用微波数据判识雪盖并得到积雪状态 (干、湿) 信息, 不仅可以弥补利用光学遥感数据判识雪盖的不足之处, 而且也是利用微波数据反演雪深和雪水当量参数必需的先期工作。该文介绍利用SSM/I的多频双极化微波数据开展我国及周边地区积雪判识方法研究的结果。分析国外全球判识方法的雪盖判识结果指出, 国外算法易在青藏高原等地区将冻土误判为积雪, 造成雪盖面积的偏高估计。研究给出了在我国及周边地区 (17°~57°N, 65°~145°E) 利用SSM/I数据判识积雪的改进方法, 在完成积雪判识的同时还给出了雪深和积雪状态的定性信息, 与已有全球雪盖判识方法相比有较大改进, 大大减小了青藏高原等地区冻土对积雪判识的影响。     

山东国家级气象观测站综合判识观测项目评估分析

基于全国综合气象信息共享系统(CIMISS)数据库,以一致率(冻土深度用误差绝对值)作为检验指标。对山东国家级气象观测站15项自动综合判识数据,与同期台站观测结果做对比检验,并进行评估分析。结果表明:1)总云量判识一致率为65.8％,云量偏差绝对值为1的占比51.1％;大部分不一致的情况出现在实况为阴天到满云时,判识结果为无云或少云。云高分类后与人工观测的总体一致率为85.0％。各站云高一致率均高于云量。2)雾凇、雨凇、雾、轻雾、浮尘、扬沙、沙尘暴、积雪和结冰等9种现象综合判识结果与台站观测一致率达92.0％以上;霜、霾、露的一致率为75.0％以上。结冰、轻雾、雾与霜命中率较高;积雪、雨凇与扬沙漏判率较高;沙尘暴、雨凇、扬沙和雾凇空判率较高。3)雨凇、雾凇判识效果受单站样本大小的影响;评估期内国家级气象观测站无草温观测任务,是造成积雪现象漏判率高的主要原因。有降水天气现象时,同时出现的视程障碍类天气现象不判识,是其漏判率增大的原因之一。4)评估时段冻土数据绝对误差平均值为1.6 cm,判识与实测误差绝对值在1～10 cm之间的占82.8％,判识效果较好。通过评估分析可见,基于卫星、探空、自动气象站、雷达、闪电定位等多源数据,结合模式再分析产品,实现综合判识结果与台站观测数据一致性较好,能够更好地满足气象预报服务需求。     

基于MODIS和HJ-1数据的宿鸭湖水库面积遥感监测研究

水体与植被、城市和土壤等地物在不同波段的光谱反射率的差异是利用遥感手段提取水体信息的基本原理。以宿鸭湖水库为例,在水体光谱特征分析的基础上,采用归一化植被指数（NDVI）方法提取2010年的MODIS和HJ-1遥感影像上的水体信息。首先将MODIS数据的第1和第2波段,以及HJ-1数据的第3和第4波段经过波段运算得到NDVI图像。将两种遥感图像中NDVI值为负的像元判识为水体,NDVI值为正的判识为水库周围的农田,经过计算像元数量得到水体面积信息。水体判识阈值在全年变化范围在-0．08和0．08之间。HJ-1数据具有较高的空间分辨率,水体判识的结果比MODIS数据更加精确。利用HJ—I数据水体监测结果对MODIS数据结果进行校正,使得到的监测结果同时具有较高的时间分辨率和空间分辨率。研究结果表明：利用HJ-1数据校正后的MODIS数据所测得的水域面积与实际观测得到的水库蓄水量之间的复相关系数为0．8603,显著提高了水体监测的精度,从而为大范围的水资源与水环境动态监测提供了迅速、可靠的依据。     

深度学习网络在降水相态判识和预报中的应用

利用1996—2015年中国的高空探测资料和地面观测数据,挑选发生降水的数十万个样本将其分为降雨和降雪两类事件,抽象为二分类问题,采用深度学习网络技术构建降水相态判识模型,并用2016—2017年的数据进行测试检验,针对2018年1月下旬中国一次大范围雨雪天气过程进行个例检验,在此基础上探讨了深度学习网络在降水相态判识和预报中的应用。主要结论如下:基于深度学习网络判识模型的判识准确率为98.2%,雨、雪的TS评分分别为97.4%和94.4%,相应空报率为1.7%和2.0%,漏报率为1.0%和3.7%,较传统指标阈值法的判识准确率有较大提高;个例检验显示,基于实况探空数据的模型判识结果与降水相态实况在全国基本保持一致,欧洲中期数值预报中心(ECMWF)的降水相态预报产品和模型的预报结果对全国的降水相态都表现出较好的预报能力,而对雨雪分界线的预报,模型的预报结果较ECMWF总体上更接近实况。测试结果表明,模型较好地提取了雨、雪降水相态的结构特征,深度学习网络在降水相态判识和预报中的应用具有可行性和一定的优势,可为降水相态的客观判识和预报提供重要技术支撑。     

EOS—MODIS卫星资料在北疆大雾监测中的应用分析

根据雾与云、积雪、裸地等地表物在可见光、长波红外和中红外波段的反射及辐射特性差异,利用MODIS卫星多通道多光谱探测数据,采用最佳波段组合法和量化判识指标法,对2006年3月8日到10日北疆大雾天气进行判识检验试验和动态监测分析。结果:发现较利于雾与背景(地物、云、雪)分离的最佳波段是可见光B0.65μm和近红外B0.85μm、短红外B1.64μm、中红外B3.7μm、热红外B11μm,综合判识就可以将云、雾、雪、裸地有效的区分;雾在夜间的有效温度在中红外波段比热红外波段低,可采用中红外和热红外波段的组合方法,根据两通道的亮温差进行雾的监测。     

白天和夜间通用的卫星遥感沙尘判识算法构建与验证分析

Himawari-8是日本发射的新一代静止气象卫星,与前一代的MTSAT-2相比,在时间、空间分辨率上都有了很大提升,特别是红外通道数量从4个增至10个,为红外遥感沙尘提供了新的观测数据。本研究利用Himawari-8的红外观测数据,发展了仅用红外通道的沙尘全天候判识算法,可以实现对白天和夜间的连续监测。算法在前人基础上去除了可见光通道,同时引入更多红外通道来进行云检测和沙尘判识。由于一日之中,地表温度发生变化,因此针对白天和夜间设置了两套不同的判别阈值,来保证算法的全天适用性。最后通过两次沙尘事件对沙尘判别结果的分析和检验表明,遥感判识结果与地面气象站和PM_(10)观测较为一致,说明了只用红外通道全天候判识沙尘的可行性。     

基于FY-2D的新疆区域强对流云识别

利用2007—2013年新疆的10场强对流天气过程以及与之相应的FY-2D静止气象卫星数据,分析了强对流云红外一通道、红外二通道、水汽通道及通道差的光谱特征,提取强对流云团样本点,采用统计方法确定判识指标的阈值范围,构建多通道多阈值判识方法。利用三场天气过程的地面实测降水资料分别验证了单时次和整场天气过程强对流云判识的准确性,结果表明:单时次强对流云的识别区域与发生降雨台站一致的准确率为83%;在整个天气过程中,强对流频次分布与降水实况吻合度较高,说明随着对流云团的移动和发展,判识区域与地面降水区域保持一致,验证了判识方法有效,阈值选取合理。     

气象卫星资料处理软件再工程方法与实践

分析了现行气象卫星资料处理软件开发体制和模式的弊端,归纳并总结了卫星气象应用系统软件工程化在整体上的原则性要求,提出了风云二号气象卫星02批资料处理应用软件开发方法,对气象卫星资料应用科学研究人员、软件工程化人员和系统集成人员进行了任务界定,分析和总结了风云二号卫星02批资料处理软件再工程过程中的开发模式、准则和有关要求。最后按再分析、再编码、再测试3个阶段简要介绍了对风云二号卫星02批资料处理软件进行再工程改造的实施情况。     

风云二号02批气象卫星数据处理中心软件工程方法

数据处理中心是风云二号02批静止气象卫星地面应用系统的核心业务处理系统之一。该文描述了风云二号02批卫星的业务特征；对科研阶段研制的数据处理中心应用软件在稳定业务运行方面尚有的欠缺做出分析；根据软件工程的再工程理论，提出使用逆向工程方法，进行数据、代码、接口和文档的重构；对数据处理中心的业务流程进行构造，对业务系统进行逻辑层次的结构设计。     

软件再工程在FY-2(02)批地面数据处理系统建设中的应用

介绍了FY-2（02）批静止气象卫星应用系统工程建设项目工程化阶段针对DPC子系统建设的总体要求，运用软件再工程方法学原理，通过逆向工程、代码重构、数据重构、文档重构等一系列工程化过程，对FY-2（02）批预研阶段提交的资料和产品处理软件进行了面向产品和面向处理的流程再造，提取了公共服务，简化了处理流程，并形成了详尽的文档。软件再工程后的DPC资料和产品处理系统满足了FY-2（02）批地面应用系统的高可靠性、可维护性和实时性等要求。     

风云二号卫星地球观域修正算法

风云二号静止气象卫星在获取图像时, 必须使扫描辐射计的观域对准地球。卫星在轨道上受到各种摄动力的作用, 使轨道和姿态改变, 扫描辐射计的地球观域随之发生变化。卫星扫描辐射计对地球观域的偏差会影响图像定位的精度, 因此对准观域的工作是日常业务工作的一部分, 不仅在卫星定点之初启动观测时, 而且在业务运行的过程中, 都需要通过地面遥控指令进行修正。该文提出了一种风云二号静止气象卫星扫描辐射计地球观域修正量和调整方向的算法, 以替代人工目测卫星原始云图进行的卫星观域调整控制决策。这种算法的实施可以提高风云二号气象卫星云图获取作业的可靠性。     

FY-3C/VIRR海表温度产品及质量检验

国家卫星气象中心FY-3C/VIRR（visible and infrared radiometer,可见光红外扫描辐射计）海表温度产品在云检测产品的基础上,采用多通道MCSST（multichannel SST）算法进行晴空区海温反演。该文详细介绍了海表温度产品算法、产品设计、质量控制及质量检验方法。FY-3C/VIRR海表温度产品包括5 min段原始投影海温和5 km全球等经纬度投影海温。设计逐像元的海温质量标识,将海温像元分为优、良、差3个等级,用户可根据应用目标选择海温的质量等级。与日最优插值海温OISST（optimum interpolation SST）相比,FY-3C/VIRR 2015年1月—2019年12月的5 min段海温质量检验结果表明:质量等级为优的海温,白天和夜间的偏差分别为-0.18℃和-0.06℃,均方根误差分别为0.85℃和0.8℃;白天海温均方根误差有季节性波动,夏季有的月份均方根误差大于1℃（如2015年7月、2016年7月和2019年7月）;在海温回归系数不变的条件下,夜间海温偏差的季节性波动与星上黑体温度相关显著。从一级数据质量、定位、业务运行状况等方面讨论引起海表温度产品异常的原因,为FY-3C/VIRR历史数据定位、定标和产品重处理及用户应用提供重要的参考信息。     

FY-3A/MWHS冷空测值受月球影响分析及修正

为解决月球对风云三号卫星微波湿度计在轨实时辐射定标的影响问题,该文根据风云三号卫星微波湿度计在轨实时观测数据分析,通过多项式拟合分析技术,建立修正模型,消除月球影响,得到合理的辐射定标结果。风云三号卫星微波湿度计在轨实测数据分析表明:月球对风云三号卫星微波湿度计在轨辐射定标结果影响最严重时一天内可干扰4~5条轨道,每条轨道有近100个扫描周期受到污染。月球影响致使冷空定标观测数据跳升1000个计数值,如果不进行污染滤除会造成对地观测亮温下降约20 K,导致辐射资料无法同化进入数值天气预报模式。通过与同类载荷的交叉比对分析,修正月球影响后,风云三号卫星微波湿度计在轨实时辐射定标结果精度与在轨测试结果相当。     

风云三号气象卫星数据传输体制分析

风云三号气象卫星 (FY-3) 是我国的新一代太阳同步轨道气象卫星, 其星-地数据传输体制采用了国际空间数据系统咨询委员会 (CCSDS) 推荐使用的先进在轨系统 (AOS) 规约和数据结构, 采用R-S编码和卷积编码级联的编码方式, 使用了L波段和X波段同时广播的方式。该文分析了FY-3星地数据传输体制, 将FY-3的传输体制与国外同类卫星传输体制进行了比较分析, 给出了FY-3的传输体制与风云一号 (FY-1) 的差别, 在此基础上提出了我国下一代气象卫星地面站建设的基本策略。     

广域网加速在FY-3气象卫星数据传输中的应用

风云三号 (FY-3) 极轨气象卫星数据传输系统需通过广域网链路,将海量卫星观测数据从卫星接收站快速传送到资料处理中心。该文研究广域网加速技术,解决广域网链路中传输气象卫星海量观测数据延迟高、带宽利用低等难题。文中针对FY-3气象卫星观测数据传输量大、时效要求高的特点,分别分析了数据压缩、数据缓存和协议优化3种不同加速技术对卫星数据的传输优化效果,并根据分析结果提出了一种适用于气象卫星数据的广域网传输加速架构。该架构结合3种不同加速技术设计了TCP代理模块、数据段索引模块和HS-TCP传输模块以及相应算法分别实现了数据压缩与缓存和协议优化等功能。通过测试和实际运行表明:在该加速架构下卫星数据广域网传输速率提高了50%~243%。     

FY-3A微波资料在“莫拉克”台风预报中的同化试验

我国新一代极轨气象卫星FY-3A于2008年5月26日发射成功,携带的微波垂直探测仪与NOAA系列卫星的ATOVS性能相似。为研究微波垂直探测仪资料在台风数值预报中的作用,实现我国FY-3A卫星的微波探测资料的直接同化,达到改进台风预报的目的,利用FY-3A微波探测资料,以WRF-3DVar系统为基础,针对2009年第8号台风"莫拉克"路径和强度预报,开展数值预报直接同化技术研究。试验结果表明,直接同化FY-3A微波资料对数值模式初始场改进要优于仅仅同化常规观测资料,对缺乏观测资料的海洋上改进尤为明显,模式初始场更加合理地反映海上台风环流形势以及温湿条件,海上台风的模式初始位置也得到了校正;经过FY-3A微波资料三维变分直接同化后,区域中尺度模式对台风路径预报效果具有积极的改善作用。     

MICAPS卫星云图在线浏览关键技术研究

为了做好政府的公共气象服务,改善当前服务产品形式单一的局面,作者重点研究了MICAPS软件下的风云卫星云图实现在线浏览和定量分析的关键技术。首先结合ArcGIS Engine完成了该类云图向多波段栅格img格式的转换,生成了自带颜色和投影坐标的栅格云图。然后采用ArcGIS Server构建了栅格云图的网络发布平台,实现了云图在Web环境下的发布、查询和浏览,并采用GIS统计分析方法,提出并实现了云图的定量统计与分析。经测试,该平台可高效地运行于当前Web环境,完全能够适应当前带宽传输及满足主流电脑浏览和分析的需要。该平台应用到包头市公共气象服务系统中,使当地气象局在公共气象服务平台的建设方面迈进了一大步,为公众了解气象和预报员制作气象预警预报提供了一个气象信息辅助决策平台。