基于鲁棒光流算法的海表流场遥感观测研究

海洋表面流场是海洋科学研究中需要着重考虑的环境参数,近实时的海洋表面流场精细化测量对海洋学研究有着重要意义,但是目前大多数海洋表面流场观测技术难以同步实现大范围近实时的海洋表面流场观测。文中在简要对比各类海洋表面流场测量方法的基础上,重点介绍了基于水色遥感图像观测反演海洋表面流场的鲁棒光流算法,该算法在流场计算过程中,能很好地保留流场细节信息。为直观验证本文测量方法的可靠性,文中提供了海洋表面流场的分析实例,同时给出了美国国家航空航天局(NASA)提供的OSCAR流场数据,对文中算法的可靠性进行了验证。     

基于ENVISAT ASAR数据的龙目海峡海表流场反演

基于2003年5月至10月ENVISAT ASAR宽幅模式（Wide Swath Mode, WSM）数据和2003年11月至2004年5月ENVISAT ASAR单视复数模式（Image Mode SLC, IMS）数据,利用多普勒质心偏移法获取了海面运动引起的多普勒质心异常,通过去除风和Bragg波引起的多普勒频移,最终获得龙目海峡海表径向流速。利用AVISO(Archiving, Validation and Interpretation of Satellite Oceanographic Data)流场数据对结果进行了精度验证,并分析了龙目海峡海表流速变化。结果表明：本文反演得到的海表面流速与AVISO流场匹配度较好,其中由WSM数据反演得到的流速与AVISO流场均方根误差为0.28 m/s,IMS数据反演得到的流速与AVISO流速均方根误差为0.37 m/s。在研究区范围内,2003年5月至9月海流流速较大（-2.56～2.51 m/s）,10月流速减小（-0.79～0.72 m/s）,11月至12月流速逐月增大（-1.64～1.25 m/s）,2004年3月流速达到最低值...     

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%。     

黄海潮波系统下的GOCI反演及OSU模式海表流场数据适用性研究

黄海呈现独有的地形条件,且该海域的潮波运动独具特征。本文利用静止海洋水色成像仪（Geostationary Ocean Color Imager, GOCI）遥感反演和俄勒冈州立大学（Oregon State University,OSU）潮流模式分别获取了黄海海域的海表流场,基于该海域独特的潮波系统提出并识别潮波干涉区,进而对GOCI反演的流场做潮流提取,并对两种潮流数据作分区可用性评价,通过实测的漂流浮标数据验证评估。结果表明：利用GOCI反演和OSU潮流模式获取的海表流场具有一定程度的可靠性,GOCI反演的海表流场的流速平均相对大小误差值为0.77,OSU潮流模式获取的海表流场流速平均相对大小误差值为0.49;在靠近潮波干涉区的黄海中部海域,GOCI潮流数据与实测数据在方向上的一致性要优于OSU潮流数据,两者平均角度误差值分别为48.45°和63.10°;在远离潮波干涉区的黄海近岸海域,OSU潮流数据与实测数据在速度大小和方向上的一致性要优于GOCI潮流数据。     

基于模拟退火算法的饲料配方设计

本文在饲料配方设计中首次引入新颖、高效的组合优化算法--模拟退火算法，并获得理想的数值结果，说明了在传统的饲料配方设计中高技术的应用可以获得更高的效益.     

基于ICP和模拟退火遗传算法的DEM无控匹配

为对DEM进行分析、管理和应用,有必要对DEM匹配技术进行研究。为此,提出一种基于ICP和模拟退火遗传算法的多源DEM无控匹配方法,利用扫描线生成DEM的点云并利用ICP进行粗匹配,并利用模拟退火遗传算法对参数精求解。实验结果表明,算法可以完成多源DEM的无控制匹配,运行效率优于遗传算法,求解精度优于ICP算法。     

基于SAR子孔径分解的海表面二维流场反演

对Radarsat-2和Sentinel-1A分别观测的两个海域的单景SAR图像进行子孔径分解,各自得到不同方位角上的两幅SAR子孔径图像。使用多普勒质心频移法分别对不同方位角的两幅SAR图像进行海流反演,并进行海流矢量合成,采用经过时空匹配的HYCOM模式数据对反演结果进行检验,结果表明：Radarsat-2观测的SAR图像分解的两幅子孔径SAR图像矢量合成后的海流与HYCOM模式数据相比,速度均方根值为0.09 m/s,相关系数为0.64;方向均方根值为10.49°,相关系数为0.78。Sentinel-1A观测的SAR图像分解的两幅子孔径SAR图像矢量合成后的海流与HYCOM模式数据相比,速度均方根值为0.06 m/s,相关系数为0.82;方向均方根值为2.85°,相关系数为0.86。由此可见,基于单景SAR分解的两幅子孔径SAR图像可以有效反演二维海流。其反演精度与雷达视向和真实海流矢量的方向有关,二者的角度越小,反演海流矢量的精度越高。     

基于模拟退火优化的海马齿生长参数确定

为确定海马齿生长的相关参数,对海马齿进行了室内水培实验,连续监测海马齿生长及生态因子状况。考虑营养盐循环,基于一级衰减模式构建海马齿生长模型。使用基于单纯形实验设计的Morris法进行全局定性灵敏度分析发现,对所有状态变量均敏感的参数为氨氮硝化率和有机氮矿化常数,表明所构建模型主要由氮的循环系统所支配;最适光照是对海马齿生长最为灵敏的参数,光照是影响海马齿生长的最主要生态因子。以各状态变量的最大均方误差为代价函数,使用模拟退火算法对模型参数进行优化及确定,选取多指标对模型进行评估。结果表明,模拟值可以很好地拟合实测值,最大平均绝对百分误差为5.023%;对参数分析发现,海马齿对硝酸盐氮的吸收具有一定的偏向性,对磷具有较高的耐受性;海马齿生长速率较快,具有一定的开发前景。     

基于海面多普勒谱模型的海浪反演精度分析

Microwave remote sensing is one of the most useful methods for observing the ocean parameters. The Doppler frequency or interferometric phase of the radar echoes can be used for an ocean surface current speed retrieval,which is widely used in spaceborne and airborne radars. While the effect of the ocean currents and waves is interactional. It is impossible to retrieve the ocean surface current speed from Doppler frequency shift directly. In order to study the relationship between the ocean surface current speed and the Doppler frequency shift, a numerical ocean surface Doppler spectrum model is established and validated with a reference. The input parameters of ocean Doppler spectrum include an ocean wave elevation model, a directional distribution function, and wind speed and direction. The suitable ocean wave elevation spectrum and the directional distribution function are selected by comparing the ocean Doppler spectrum in C band with an empirical geophysical model function(CDOP). What is more, the error sensitivities of ocean surface current speed to the wind speed and direction are analyzed. All these simulations are in Ku band. The simulation results show that the ocean surface current speed error is sensitive to the wind speed and direction errors. With VV polarization, the ocean surface current speed error is about 0.15 m/s when the wind speed error is 2 m/s, and the ocean surface current speed error is smaller than 0.3 m/s when the wind direction error is within 20° in the cross wind direction.     

基于CatBoost和XGBoost组合模型的水深反演

为获取高精度的水深信息以满足海洋研究各领域的需要,提出一种CatBoost和XGBoost模型组合的水深反演模型。选取Sentinel-2A卫星遥感数据,以瓦胡岛为研究区域,引入CatBoost和XGBoost模型,对二者进行线性组合,构建CatBoost-XGBoost组合模型。实验结果表明：组合模型的决定系数、均方根误差、平均绝对误差以及平均相对误差分别为95.32%、1.29 m、0.86 m、20.51%,与单一模型相比,组合模型的水深反演精度有一定提高。     

基于SAR多普勒质心频移的海面流场迭代反演算法

为了克服SAR多普勒质心频移法反演海面流场时风场贡献去除困难的难题,本文提出了基于M4S模型的弦截下山法,利用其迭代计算局部区域的海面流场;然后估算整幅SAR图像中风场对多普勒速度的风贡献因子$\gamma $;最后去除风场对多普勒速度的贡献。将该算法用于Radarsat-2数据反演海面径向流速,并利用匹配的实测数据验证反演精度。研究结果表明,本文提出的弦截下山法具有良好的收敛性和较高的收敛速度,而且对本文中使用的两景SAR数据,反演的海面径向流速偏差分别为0.04 m/s和0.15 m/s。     

基于多波长激光吸收光谱技术的气体浓度与温度二维分布遗传模拟退火重建研究

利用可调谐半导体激光吸收光谱技术实现气体浓度温度二维分布重建.设计了气体浓度温度二维分布重建测量系统,采用四路波分复用技术以减少投影光路布置数量和增加气体吸收测量信息.针对于图像重建过程中建立的非线性投影方程组,将遗传算法与模拟退火算法相结合进行求解,在实现全局最优搜索基础上提高算法搜索效率.建立燃烧环境下H₂O浓度温度二维分布模型,借助于近红外波段1.3—1.5 μm范围内4条H₂O气体吸收谱线,利用数值模拟计算方法进行了气体分布重建,重建结果与模型符合得很好     

台风背景下海浪对海表流场和海表温度的影响

海浪作为海-气界面中重要的物理过程,对海洋上混合层的近表面分布具有重要作用。本文以台风"威马逊"和"麦德姆"为背景,基于FVCOM耦合模式模拟了台风浪及上层海洋的响应过程,探讨了海浪对海表流场和海表温度的影响。结果表明耦合模式能够较准确地模拟出有效波高,台风过境后海表流场在海浪的作用下反映出与台风相对应的气旋性特性,改变的流场量级可达0.4 m/s;海表温度出现不同程度的下降,最大降温约4℃,最大降温中心与流场变化区域相对应,且降温区相对台风路径呈显著的"右偏性"。最大降温滞后台风中心过境2 d左右,恢复时间一般超过10 d,与实况相吻合。     

基于高频地波雷达的多时间尺度海流研究

近海海流受多种动力过程及岸线岛屿的作用呈现空间和时间尺度上的复杂变化,而地波雷达由于其探测面积广、时间分辨率高的特点成为研究这些变化的有效手段。本文利用舟山海域多年高频地波雷达资料,通过潮流调和分析、低通滤波和相关性分析对该海域海流潮周期、极端事件、季节、年际尺度的动力过程进行了解译。研究表明,舟山海域属于正规半日潮,潮流运动形式以顺时针旋转流为主,流速大小在空间上为东北方向较大,往西南方向逐渐减小,并在近岸处得到增强。余流的年际变化并不显著,但存在着明显的季节变化,例如冬季为南向流,流速减小,空间分布上近岸较外海大,而夏季与之反向,为北向流,流速较大,空间分布较为均匀。进一步分析了风与余流之间的相关性,在大风期间,风与余流的速度相关系数在0.48～0.90之间,方向相关系数在0.55～0.68之间。极端事件发生时,速度、方向的相关系数分别高达0.92与0.91。总体而言,通过分析高频地波雷达数据能够较好地反映舟山海域海流的时空特征,为海洋灾害监测和污染物、藻华的输运研究提供依据。     

太平洋东南海域表层地转流场的季节及年际变化特征

利用1992~2001年Topex/Poseidon卫星高度计遥感资料分析了太平洋东南海域(5°~55°S,70°~120°W)表层流场的季节及年际变化特征。结果表明,南赤道流的季节变化主要体现在流速上,而秘鲁海流和西风漂流主要体现在流轴位置的移动上。表层流场的年际变化受El Nino影响,在El Nino期间,南赤道流和秘鲁海流均发生流向偏转现象,大部分海区流场被削弱(除低纬度海区外),而在其后的1998年La Nina期间,流场则重新被加强,西风漂流无明显的年际变化。     

基于LSTM的海洋表面短期风速预测研究

为实现对海面风速精确的短期预测,提出了一种基于长短期记忆(LSTM,longshort-termmemory)神经网络的短期风速预测模型,选取OceanSITES数据库中单个浮标站点采集的风速历史数据作为模型输入,经过训练设置最佳参数等步骤,实现了以LSTM方法,对该站点所在海区海面风速在各季节性代表月份海面风速的24 h短期预测。同时通过不同预测时长的实验以及与BP(back propagation)神经网络神经网络和径向基函数神经网络(radialbasisfunctionneuralnetwork,RBF)的预测效果对比实验,证明了LSTM预测方法相比上述两种神经网络预测方法,在海表面风速预测应用中的优越性。最后通过多个海域对应的站点风速数据预测实验,证明了LSTM神经网络模型的普遍适用性,由相关系数和预测误差的分析可知该方法具备应对急剧变化数据的预测稳定性,可以作为海洋表面风速短期预测的一种可靠方法。     

东海黑潮活跃区表层流场的半年内时间尺度变化研究

利用高时空分辨率的资料,对东海黑潮表层海流的半年内时间尺度变化特征进行了分析研究,得到主要以下结论:(1)东海黑潮表层海流在台湾东北海区和吐噶喇海峡附近海区存在着最为显著的变化;(2)那里的表层海流都存在半年内时间尺度的变化,其谱峰主要在50~70d及90~140d两个频段内,两个准周期变化的基本特征都是异常气旋涡和反气旋涡的准周期转换;(3)异常气旋涡和反气旋涡的活动都与东海黑潮在两个海区的流轴变化相联系,气旋涡与黑潮流轴在该海区的向东南退缩相伴,而反气旋涡与黑潮流轴在该海区的向西北推进相伴;(4)初步分析表明,在台湾东北海域导致50~70d变化的异常涡旋主要源于黑潮自身存在的中尺度过程,而90~140d的变化则主要受从台湾以东传来的中尺度涡影响。类似地,吐噶喇海峡附近的黑潮海流同样在50~70d及90~140d两个频段内存在显著的准周期变化,回归分析表明,导致50~70d变化主要源于上游黑潮海流的中尺度过程,而90~140d的变化则主要受琉球群岛以东传来的中尺度涡影响。     

基于S2000光谱仪的小型海面高光谱辐射计的研制

将普通的小巧型S2000光谱仪组装改造成用于海面测量的高光谱辐射计,安装在船只等移动平台上进行原位测量,可以获得向下辐照度和向上辐亮度的实验数据.阐述了整体设计思路,说明了其光路结构,光学采集单元分为光谱辐照度光学探头和光谱辐亮度光学探头.叙述了通过机械结构的调整来更准确地测量离水辐亮度,并给出了基于计算机进行显示和存储的编程软件.此系统获得的试验测量结果可以为海洋学研究提供充分的现场光学数据,有一定的实用价值.