中法海洋卫星微波散射计真实性检验技术体系构建

中法海洋卫星(China-France Oceanography SATellite,CFOSAT)是国际首次用于联合探测海面风场和波浪谱的科学观测卫星,搭载的微波散射计(CFOSAT SCATterometer,CSCAT)是国际上首次采用扇形波束旋转扫描体制的星载微波散射计,相比笔形波束旋转扫描体制,这种新体制可以实现海表同一面元的多入射角观测,观测样本数相比笔形波束体制更多,因而具备更高精度海面风场的观测能力。基于CSCAT产品业务化真实性检验相关工作的总结基础,结合卫星管理部门对卫星遥感产品检验体系的认识,针对CSCAT的载荷特性,提出一种卫星管理部门、数据用户、科研学者三方相互协作的、业务化评估和科学评估相结合的风场产品真实性检验技术体系,有助于卫星遥感产品的质量提升和观测技术及检验技术的发展。此外,面向业务化的检验技术体系有助于全面地、系统性地评价与监测CSCAT载荷的测量性能,支撑载荷性能优化以及反演算法改进;同时也可以帮助CSCAT产品用户更全面地了解其海面风场产品的精度特性,促进CSCAT海面风场产品的定量化应用。

中法海洋卫星的系统设计与技术特点

中法海洋卫星(China-France Oceanography SATellite,CFOSAT)是中国和法国联合研制的海洋动力探测遥感卫星。它是世界上第一颗具备全球海面波浪谱和海面风场联合同步观测能力的卫星,同时也是中国首次在系统层面与世界先进宇航机构开展全方位、全流程合作的航天工程项目。文中介绍了中法海洋卫星的系统设计和研制历程等内容,展示了中法海洋卫星高度的技术先进性以及鲜明的技术特点,同时回顾了项目国际合作中的主要工作与成就。

考虑速度聚束效应的SAR海浪成像仿真方法

针对合成孔径雷达(SAR)海浪成像仿真技术对于速度聚束效应的考虑不充分,仿真数据无法准确反映实际SAR数据的问题,建立一种充分考虑速度聚束效应的SAR海浪成像仿真方法并进行了实验验证。计算了SAR图像强度的概率密度分布的仿真结果与理论结果之间的均方误差(MSE),在风速分别为5、10和15 m/s时,考虑速度聚束效应前、后比对结果的MSE分别为0.1012、0.1576、0.0556与0.0179、0.0314、0.0088。仿真结果表明,所提SAR海浪成像仿真方法有效提高了仿真数据的准确性,对SAR海浪成像的应用具有一定实用价值。

中法海洋卫星产品体系及风浪数据精度综述

中法海洋卫星(China-France Oceanography SATellite,CFOSAT)由中国和法国联合研制,于2018年发射并已在轨运行5年多,星上的载荷包括SWIM(Surface Waves Investigation and Monitoring)波谱仪和扇形波束旋转扫描微波散射计(CFOSAT SCATterometer,CSCAT),提供了全球海面风场和海浪谱的大面积联合遥感观测资料。中法海洋卫星1—4级数据产品包括后向散射系数、沿轨海面风场和海浪谱、全球网格化风场和海浪谱、宽刈幅海浪、极地海冰、多星融合风场和有效波高等,为海洋环境预报、海洋灾害监测、全球气候变化研究等提供了新的数据源。文中具体介绍了中法海洋卫星产品体系以及国内外学者和机构对海风、海浪数据精度的评估结果。

联合相干性特征的短时序双极化SAR冬小麦提取

针对在多云多雨多雾地区光学遥感难以有效监测冬小麦的问题,构建了一种联合相干性特征的短时序双极化SAR冬小麦种植面积自动提取方法。该方法在HV/VV双极化SAR平均后向散射系数基础上,引入InSAR相干性特征,然后基于随机森林分类器获取冬小麦空间分布专题图,较好地解决乡间小道等被误分为冬小麦的问题。以山东省济宁市梁山县为实验区,利用20景Sentinel-1A双极化SAR数据,获取了梁山县2022年的冬小麦种植面积及空间分布。结果表明:文章构建的基于短时序双极化SAR数据的冬小麦提取方法,总体精度为92.799%,Kappa系数为0.912,与未引入相干性特征相比,总体精度提升6.279%,Kappa系数提高0.096;可以利用抽穗期或开花乳熟期的短时序SAR数据代替完整生长期的时序SAR数据,总体精度相差分别为3.008%和3.341%。

中法海洋卫星微波散射计青藏高原土壤水分反演研究

中法海洋卫星(China-France Oceanography SATellite,CFOSAT)搭载国际上首个扇形波束旋转扫描微波散射计(CFOSAT SCATterometer,CSCAT),其丰富的观测几何信息为青藏高原土壤水分遥感监测提供了新的机遇。此研究提出了一种有效的适用于CSCAT的土壤水分变化检测算法,不需要复杂机理模型和查找表的构建,利用后向散射系数的变化差值和植被经验函数构建土壤水分反演算法。将变化检测算法反演结果与地面实测结果比较,发现CFOSAT反演结果与实测结果有很好的一致性,表明本算法的精度较高,能够准确反映土壤水分的变化。同时,对青藏高原地区的土壤水分时空分布特征进行分析,发现青藏高原中北部土壤偏干,西部和东南部偏湿,局部区域存在复杂的空间特征,且具有显著的季节性变化。

星载太赫兹微波辐射计发展现状及应用展望

简要阐述了星载微波辐射计功能特点、主要指标、工作原理和典型系统组成,结合准光馈电系统和接收机等关键组成以及灵敏度等关键性能指标应用需求,重点介绍了目前国内外星载太赫兹频段极化栅网、频率选择表面、馈源喇叭、接收机前端等研制水平和应用现状;比对了关键指标的技术差距,分析了太赫兹频段产品设计、研制技术难点。针对我国后续星载微波辐射计研制需求,对关键太赫兹部组件发展趋势和应用需求进行了梳理和展望,为我国星载无源遥感发展提供借鉴。

OBE理念与课程思政融合的“微波遥感”课程考核

将OBE理念与课程思政融合渗透到高等教育课程建设与考核过程中,对提高人才质量和培养创新型人才至关重要。在测绘工程专业本科生“微波遥感”课程的教学实践中,通过挖掘思政元素、构建评价模块、引入实践案例、阅读科技文献、细化评分标准、完善试卷分析机制等办法。对课程考核体系进行扩充与改革,坚持以学生的学习成果为导向,坚持学术诚信与品格塑造相结合、知识考核与能力考核相结合、过程性考核与结果性考核相结合的原则,全面考查学生对“微波遥感”课程理论知识的掌握以及综合素养的培养情况,取得显著成效,对推进高校教育改革和提升学生综合素质具有一定的理论与实践意义。

基于微波辐射计AMSR2的雪密度定量判识模式研究

积雪颗粒及密度对积雪观测影响重大。针对目前气象台站的雪密度观测数据无法满足大尺度范围或无人区雪密度信息观测需求的情况,采用研究区域代表性的多个气象台站的雪密度实测数据,结合被动微波高频率双极化亮温,建立了研究区域的雪密度极化指数或散射指数模型。结果显示,极化指数P_(6h-36v)、P_(10h-36v)及散射指数S_(10h-36h)、S_(10v-36v)、S_(18h-36h)与雪密度强相关,且二者时间的变化趋势仍保有一致性;高频率散射指数S_(36h-89h)、S_(36v-89v)及极化指数P_(89h/89v)与积雪密度随时间变化表现出反相位趋势。模型的精度检验结果显示,模型复相关系数R为0.727,均方根误差RMSE为1.418 g/cm^(3),平均偏移量Bias为0.244 g/cm^(3)。从长时间序列来看,模拟结果与实测结果存在良好的一致性,尤其是隆冬时节(12月至次年2月),模拟值与实测值会更接近。

乳化油覆盖海面的后向电磁散射特性研究

本文利用几何光学近似法,结合改进的局部平衡抑制比模型,并根据简化的双层粗糙面的反射系数,建立了乳化油覆盖海面的后向散射模型。基于该散射模型,研究了小入射角下,乳化油覆盖海面的后向散射特征,讨论了不同含水率下,后向散射系数随频率和油膜厚度的变化关系,以及散射系数对含水率的敏感性。结果表明:在微波波段,和非乳化油类似,乳化油覆盖海面的后向散射系数对油厚不敏感。而太赫兹波段,低含水率条件下,散射系数随油膜厚度和频率变化而振荡,且当频率增大时,散射系数振荡幅度减小。而含水率增大时,散射系数随油厚和频率的振荡幅度也逐渐减小。在微波波段和太赫兹波段范围内,对于频率较高的太赫兹波而言,其散射系数只对低含水率的乳化油具有较高的含水率敏感性;而对于频率较低的微波,其散射系数对含水率较高的乳化油也有较高的含水率敏感性。

基于升降轨SAR数据的连续箱梁桥精细变形

针对桥梁精细变形监测问题,提出一种考虑由温度引起的桥梁变形(简称温度变形)的升降轨合成孔径雷达(synthetic aperture radar,SAR)数据融合方法.首先,以连续箱梁桥为研究对象,分别使用升降轨SAR数据集,基于小基线子集干涉测量法(small baseline subsets interferometric SAR,SBAS-InSAR)提取视线向(line-of-sight,LOS)变形;然后,利用最小二乘法构建温度变形模型,分离周期性温度变形与长期性趋势变形;最后,结合桥梁结构特征,基于时空插值和奇异值分解方法实现升降轨数据融合,提取温度变形、纵桥向(即桥梁延伸方向)及垂直向趋势变形,分析桥梁变形机制及变形成因.结果表明,该方法可提取精确的桥梁温度变形及三维变形,为桥梁健康监测提供可靠的方法支撑.

基于DS-InSAR的蒲河煤矿采空区地表形变监测与开采参数反演

合成孔径雷达干涉测量(InSAR)技术在有植被覆盖的矿区难以识别到足够多的监测点目标,导致形变结果无法反映矿区真实形变特征.采用分布式散射体InSAR分析方法,能够有效提高植被密集区域雷达相干目标数量,从而准确描述矿区形变的时间演化规律和空间分布特征.矿区长期高强度开采会引发采空区的地表变形,严重威胁矿区基础设施建设和人员生命财产安全.基于沈阳蒲河煤矿采空区InSAR高精度监测数据,通过地球物理建模反演得到矿区地下关键开采参数,模拟的矿区形变场与InSAR监测结果较为一致,且反演开采参数符合真实开采情况.结合InSAR监测结果与Okada模型反演矿区参数,能够准确描述由采矿造成的采空区地表形变,为科学制定地下开采计划及矿区可持续开发提供重要信息.

一种基于并联卷积神经网络的InSAR相位滤波方法

为了提高InSAR干涉相位图的质量以及改善密集条纹区域的边缘信息保持效果,提出了一种基于并联卷积神经网络的InSAR相位滤波方法。该方法通过多个并联的卷积神经网络提取多尺度相位信息的特征层以及传统卷积神经网络结构的滤波层,将不连续跳变的干涉相位转换至连续的正、余弦分量,并送入到并联卷积网络中进行残差学习,最后输出相位残差并完成相位滤波。通过仿真实验与实测数据验证了该方法的有效性。分析结果表明,该方法的各项评价指标均优于Boxcar滤波、非局部均值滤波和Goldstein滤波,可用于实际的InSAR数据处理中,提高干涉相位质量。

粗糙面高分辨率SAR复图像方位向空间相关性分析

本文结合粗糙面电磁散射小斜率近似方法和合成孔径雷达(SAR,Synthetic Aperture Radar)图像仿真技术,针对粗糙面高分辨率SAR电磁散射回波的空间相关性进行了分析,结果显示:对于本文中所仿真粗糙面,当SAR空间分辨率达到分米级时,SAR图像相邻像素散射场存在较强的相关性,且相关系数的大小随粗糙面粗糙度以及空间分辨单元的增大而降低,同时,随着粗糙面相关长度的增大而增大。本文所得结论对高分辨率SAR在陆地和海洋遥感中的应用具有一定参考意义。

流场调制下的海面对全极化雷达双站散射的影响研究

从波作用量守恒方程出发,在积分方程模型的基础上,通过特征线法对守恒方程进行求解,推导建立了受波流调制的海面雷达双站散射模型,进行了受流场调制下的海面上半空间散射系数的仿真,分析了全极化下双站散射系数受流速变化的影响,以及风场与雷达参数(雷达波频率、雷达波入射角)对流场调制作用的影响。结果表明,随着流速的增大,海面后向散射空间半球区域的散射系数逐渐减小,在前向散射空间半球区域中,交叉极化下的散射系数变化较为明显。风速的增大和风向与流向的夹角增大会导致流场调制所引起的散射系数变化减弱。入射角变化会导致调制作用最明显区域的散射角度改变。随着频率的增大,流场调制作用增大。

一维镜像综合孔径的近场相位校正方法

镜像综合孔径微波辐射成像的原理基于远场条件推导,不适用于近场成像。为了解决近场条件下的镜像综合孔径成像问题,本文推导了近场双天线互相关表达式,发现近场双天线互相关可以表示为远场双天线互相关与近场相位因子的乘积。校正该相位因子后,即可使用反余弦变换进行近场亮温重建,从而解决了近场条件下的成像问题。本文提出了两种基于外部点源的近场相位校正方法,并分别对点源目标及展源目标进行了仿真,仿真结果表明:校正后的亮温重建误差较小,从而验证了这两种方法的有效性。

基于DS-InSAR的尾矿库变形监测与分析——以巴西Brumadinho矿为例

尾矿库是一种人造高重力势能的危险源,一旦发生溃坝将会严重污染环境,并威胁下游居民的生命财产安全。然而,现有的尾矿库形变监测方法存在费时、费力、成本高等问题,为此,提出了一种基于分布式目标干涉雷达测量(DS-InSAR)的尾矿库形变信息提取方法,有助于实现尾矿库的高效率、高精度形变监测。该方法利用基于参数假设检验的FaSHPS(Fast SHP Selection)方法选取同质像元,通过相干矩阵的特征值分解提取主导散射体相位以实现相位优化,进而联合永久散射体(PS)获取尾矿库的时序变形信息。以23幅Sentinel-1B影像为数据源,利用该方法获取了巴西Brumadinho尾矿库时间序列地表形变信息。结果表明:该方法获取的尾矿库监测点密度是PS-InSAR的2.2倍,两者获取的形变速率具有较强的相关性,并且,尾矿库的形变都呈现出由坝顶中部向外扩散的趋势。将降雨量与形变量进行关联分析表明,降雨对尾矿库的变形影响显著,总体上表现为旱季形变量较少、雨季则相反的态势。

星载被动微波遥感技术及其应用进展

星载被动微波遥感是指利用高灵敏度接收机通过接收场景和目标的自然微波辐射来提取目标信息的一种遥感手段。被动微波遥感又称微波辐射计遥感。人类利用微波辐射计从空间进行对地遥感已有50多年的历史。目前,星载微波辐射计已经成为气象和海洋卫星的主载荷,在数值天气预报、海洋环境监测和全球变化研究中发挥着越来越重要的作用。本文分析了国内外星载被动微波遥感技术与应用进展,以及被动微波遥感技术发展趋势及其关键技术问题,针对中国星载被动微波遥感的定量化应用,在数据与数据处理流程,算法标准化、亮温和反演参数的定标/检验标准化等方面提出了一些思考和建议,以期望被动微波遥感数据被越来越广泛地得到应用,最大限度地提升星载地球被动微波遥感技术的应用效能。

基于Freeman全极化分解的干雪识别指数模型构建

为了更好利用极化特征进行较准确的干雪识别,提出了一种面向干雪识别的合成孔径雷达(synthetic aperture radar,SAR)指数模型。以新疆玛纳斯河流域为研究区,选择干雪期Radarast-2全极化SAR数据进行Freeman极化分解,获取该时期的极化特征,并分析积雪覆盖区、非积雪覆盖区极化特征差异及极化特征的变化规律;在此基础上,提出一种新的面向干雪识别的指数模型,并进行Ostu阈值分割,识别干雪范围,并与最小距离、马氏距离、最大似然等监督分类方法的干雪识别结果进行对比分析。研究结果表明:基于Freeman极化分解构建的干雪识别指数模型,其总体分类精度达到85.83%,通过非监督的方式能够识别干雪覆盖范围。

基于PSInSAR技术的现代黄河三角洲地面沉降监测与分析

地面沉降是现代黄河三角洲地区主要的地质灾害之一,利用PSInSAR技术对覆盖现代黄河三角洲部分地区的10景ERS1/2数据进行处理,获得该研究区的地面沉降范围、沉降速率和形变时间序列情况。选取3个地面沉降范围和速率相对较大的区域进行重点分析,同时将监测结果与相应时间段的居民区分布图和油田分布图进行叠加分析,结果表明,地面沉降与石油开采、地表载荷增加具有较强的相关性。利用水准观测数据对获得的监测结果进行精度验证,结果显示PSInSAR监测结果与水准观测数据吻合,中误差达到mm级。