北疆地区不同雪粒径光谱特征观测及反演研究

雪粒径反演是冰冻圈遥感的重要研究内容之一。本研究通过设计不同雪粒径观测方案,在我国北疆地区利用SVC HR-1024野外便携式光谱仪观测了不同雪粒径的光谱特征;同时利用可拍照显微镜测量了雪粒径的大小和形状,并通过DSPP方法计算其等效粒径;最后,基于渐进式积雪辐射传输模型(ART)对反演波段和积雪形状因子进行优化,反演并验证雪粒径。研究表明DSPP方法获取积雪等效粒径是可行的,但由于同层积雪中样本选择存在较大差异,在样本选择方面需要进一步改进;近红外波段还是区分雪粒径的有效波段,在研究区积雪是干雪的条件下,基于ART优化反演波段和积雪形状因子优化方法反演雪粒径是可行的,根据试验获取在该地区雪粒径反演最佳波段为1.20μm,最佳积雪形状因子b值为3.62。

304不锈钢固溶产物晶粒尺寸的超声无损表征研究

304不锈钢在1080℃下分别固溶1,2h,水淬后进行超声检测,以探讨无损评价304不锈钢固溶产物晶粒尺寸的可行性与表征参数。研究表明:固溶处理后,超声波速度逐渐降低,衰减系数明显增大;延长固溶时间,声速缓慢降低,衰减系数继续增大。频谱分析表明:固溶处理后,峰值频率明显降低,峰值幅度不断增大。分析认为:上述现象的产生与固溶处理对材料晶粒尺寸的作用以及晶粒尺寸对超声波传播的影响作用相关。基于最小二乘法拟合得到:横波声速vt、纵波声速vl与平均晶粒尺寸d线性相关:vt=-0.49254d+3188.40138,vl=-0.07632d+5772.88964;衰减系数与晶粒尺寸符合如下规律:α=1.2605×10-15 d6.5012+0.0995。

激光诱导击穿光谱的高铁车轮钢晶粒度等级研究

我国高速铁路运行距离长,服役环境多变,对车轮钢的性能要求较高。车轮钢的晶粒尺寸直接影响着车轮钢的力学性能,且晶粒的特征和测量对材料科学有着重要的作用,因此为了保证高速列车的安全运行,对高铁车轮的晶粒度等级进行检测是十分必要的。利用激光诱导击穿光谱(LIBS)实验平台对5个不同晶粒度等级的ER8高速列车车轮钢样品(经过不同热处理得到不同晶粒度等级)进行击穿获取光谱信息,比较了基体元素Fe和合金元素(Cr, Mo, Co)的谱线强度与5个不同晶粒度等级的样品之间的相关性,发现均与样品晶粒度等级存在不同程度的相关性。利用此关系建立以谱线强度为变量的偏最小二乘判别分析(PLS-DA)模型,在建立模型前分别采用标准正态变量变换(SNV)、多元散射校正(MSC)和Savitzky-Golay卷积平滑方法进行预处理。通过比较各种预处理方法,得出采用SNV预处理后建立的模型效果最佳,建模集误判个数为4个,准确率为95.7%,预测集误判个数为3个,准确率为90%。在SNV预处理方法的基础上,分别选择竞争性自适应重加权算法(CARS)、连续投影算法(SPA)和CARS-SPA三种波长筛选方法进行波长筛选,比较基于不同特征波长筛选的模型效果,结果表明,使用CARS进行波段筛选后建立的模型效果最佳,建模集误判个数为2个,准确率为97.9%,预测集的误判个数为1个,准确率为96.7%,模型的准确率均高于90%,可以将不同晶粒度等级的样品进行分类。综合分析以上判别分析模型结果,发现结合SNV预处理和CARS波段筛选后的PLS-DA模型的准确率最高。研究表明,采用激光诱导击穿光谱技术结合偏最小二乘判别分析高铁车轮钢晶粒度等级具有一定可行性,可将其用于评估车轮钢表面晶粒度等级,同时也为LIBS技术应用于不同晶粒度等级的高铁车轮钢研究提供了一定的基础依据。

郑州邙山黄土剖面粒度和总有机碳的高光谱反演

黄土自身的发生和发展过程记录了丰富的历史信息,其粒度和总有机碳指标能较准确地反映出气候环境的演变.为探究高光谱遥感技术在获取黄土环境信息方面的应用,该研究以郑州邙山枣树沟村黄土剖面为研究对象,结合高光谱技术,通过对平滑处理后的原始光谱、一阶微分(FD)、二阶微分(SD)、去包络线(CR)和倒数对数(Log(1/R))与黄土剖面粒度和总有机碳开展相关性分析,选出相关系数R较大的波段作为特征波段建立基于PLSR(偏最小二乘回归)模型进行分析.研究发现:郑州邙山枣树沟黄土剖面中粒度和总有机碳变化指示了研究区全新世中期约5400 a.BP至今经历了冷干—暖湿—冷干的气候旋回;黄土不同地层单元的反射光谱特征虽在整体上曲线趋势相似,但其光谱反射率表现为黄土层L_(0-2)>黄土层L_(0-1)>过渡层Lt>古土壤层S_(0-1)>表土层T_(S)的规律;反演模型中经FD变换后的光谱为自变量的PLSR模型是反演黄土剖面平均粒径最佳模型,SD光谱变换为自变量的PLSR模型为反演黄土剖面TOC最佳模型.

挖槽回淤物粒度变化对航道回淤的影响

根据吕四海域地形、水文、泥沙和浅层柱状样观测资料的分析,研究航道浚深后回淤物的粒度变化过程及其对航道回淤的影响。研究表明,航道浚深后,航槽内底质呈明显粗化现象,底质中值粒径由浚前的0.045-0.071 mm增加至浚后的0.128-0.135 mm,0.005-0.062 mm的细颗粒组分由36.0%减小至8.9%,0.075-0.250 mm粗颗粒组分由37.9%增加至78.2%,疏浚船舶的水力分选是泥沙组分变化的主要因素。吕四海域航道泥沙回淤形式为悬沙沉降和底沙推移共同作用的结果,夏季7—8月试挖槽内回淤强度较大,回淤泥沙颗粒较细,冬季10—12月回淤强度较小,回淤泥沙颗粒较粗。根据粒度谱计算结果,正常天条件下悬沙沉降对航道回淤的贡献率约为15%,夏季贡献率高于冬季,大风天可增至30%-40%。回淤贡献率的计算方法可为类似工程的回淤研究提供借鉴和参考。

莱州湾潮滩地物光谱特征研究

对莱州湾潮间带地貌及潮滩表层沉积物粒径的光谱测试结果作了分析,得出潮间带地貌的光谱反射特征及潮滩表层沉积物的中值粒径与其光谱反射率的相关关系式。

基于自回归(AR)谱估计的高精度超声晶粒尺寸估计技术的研究

由于ＤＦＴ（离散Ｆｏｕｒｉｅｒ变换）谱估计方法的谱“泄漏”，导致基于这种谱分析的超声晶粒尺寸估计结果误差较大。本文采用自回归（ＡＲ）谱估计方法，克服了传统ＤＦＴ方法的缺点，精确地重构材料特征函数功率谱，提高了晶粒尺寸估计精度，尤其在材料晶粒局部特性定量评价方面，本文方法具有很高的实用价值。

连云港海域悬沙和表层沉积物交换研究

采用粒度谱计算方法分析连云港及邻近海域悬沙和表层沉积物交换特征,为徐圩防波堤口门布置和连云港港航道回淤研究提供理论支撑。连云港港主航道和徐圩航道5 m等深线以外的区域悬沙和表层沉积物交换率为0.1~0.2,表明航道回淤强度将处于较低水平,对今后航道维护有利;5 m等深线以内区域的交换率为0.3~0.4,悬沙落淤对航道回淤有一定贡献,表明该航道段回淤量相对较大,计算结果与实测航道回淤强度分布特征基本一致。灌河口沙嘴正常天气条件下交换率小于0.2,说明悬沙落淤对沙嘴的影响较小;5 m等深线以内破波带水域交换率大于0.5,表明悬沙和表层沉积物交换频繁。连云港港及邻近海域悬沙和表层沉积物交换主要为粒径小于62μm的细颗粒组分。分析结果表明,为减少泥沙回淤对徐圩港区港池正常运行的影响,兴建防浪挡沙堤并将堤头布置在破波带之外十分必要。

玛纳斯河流域山区积雪反射光谱特征分析

以新疆玛纳斯河流域为研究区,利用三次野外观测获取的山区积雪光谱数据（波段范围为350~2500nm）,分析研究区内的典型地物光谱曲线特征,以及新雪、污化雪、陈雪和风吹雪的反射特性,探讨污染物类型和浓度、雪层含水量、雪粒径、雪与枯草混合物对积雪反射特性的影响,为山区积雪识别提供依据.结果表明：受污染物、雪层含水量、雪粒径、雪与枯草混合物等因素影响,污化雪、陈雪、雪与枯草混合物的光谱曲线兼有积雪与非雪地物的反射特性;在可见光波段,污化雪、陈雪的反射率有不同程度的下降,但是依然高于非雪地物的反射率;在近红外波段,新雪、污化雪、陈雪、风吹雪、雪与枯草混合物的光谱曲线在1020nm、1250nm处均出现积雪特有的吸收谷,在1080nm、1320nm、2246nm波段均出现积雪特有的反射峰.另外,污染物在降低积雪反射率的同时,使得污化雪在可见光波段的光谱曲线呈现上升趋势,即呈现污染物自身的光谱曲线特征,与其它类型的积雪形成明显对比,是区分污化雪与其它类型积雪的关键所在.

Application of multi-phase particle swarm optimization technique to retrieve the particle size distribution

The multi-phase particle swarm optimization （MPPSO） technique is applied to retrieve the particle size distribution （PSD） under dependent model. Based on the Mie theory and the Lambert-Beer theory, three PSDs, i.e., the Rosin-Rammer （R-R） distribution, the normal distribution, and the logarithmic normal distribution, are estimated by MPPSO algorithm. The results confirm the potential of the proposed approach and show its effectiveness. It may provide a new technique to improve the accuracy and reliability of the PSD inverse calculation.

长江入海泥沙的交换和输移过程——兼论泥质区的“泥库”效应

采用粒度谱的计算方法分析高浊度河口混合环境下悬浮泥沙和表层沉积物的交换过程,研究悬浮泥沙在河口—陆架系统的输移和归宿问题。分析表明:(1)大约有47%的悬浮泥沙沉积在长江口拦门沙海域及水下三角洲前缘,超过50%的悬浮泥沙摆脱河口的"束缚"进入杭州湾以及向南沿浙闽海岸输运,122.5°～123°E是长江悬浮泥沙向东扩散的重要界限。本文提供的粒度谱计算方法可适用于多种潮汐环境的泥沙输运和沉积的定量计算。(2)长江口悬浮泥沙与表层沉积物高交换区(交换率>0.6)主要分布在南槽口外的泥质区和杭州湾附近海域,其中长江口外泥质区的交换率高达0.9以上,说明该区域悬浮泥沙大量参与供沙和造床过程。在10～100年尺度上,长江口南槽口外的泥质区和杭州湾存在着一个显著的沉积中心,其泥沙交换速率可高达2～3cm/a以上。(3)由于受沿岸流和台湾暖流的影响,从长江口输出的大部分悬浮泥沙首先沉积在长江口南槽口外的泥质区,随后在潮流的作用下向长江口、杭州湾和沿海岸向南输运,泥质区充当了长江口系统泥沙输运和入海泥沙向南输送的"泥库"。长江口泥质区既是长江入海泥沙向口外输送的泥沙"汇",也是涨潮输入长江河口和杭州湾、浙闽沿岸泥质带的泥沙"源"。(4)由于长江口外余流向南槽口外汇聚,南槽口外含沙量较高,而且长江口水下三角洲前缘潮滩仍处于缓慢淤涨状态,上述水动力和地貌的综合分析证实了长江口外泥质区的"泥库"效应。在长江入海泥沙减少的背景下,"泥库"对河口地貌发育的贡献明显;随着流域减沙的不可逆转,口门附近的"泥库"将发挥愈来愈重要的向河口系统供沙的功能。

一种考虑雪粒径变化的积雪面积反演算法

光谱混合分析能够提取亚像元信息,被广泛地应用于遥感影像目标探测之中。本文针对MODIS积雪遥感影像,基于光谱混合分析框架,利用渐进辐射传输模型建立不同粒径大小的雪反射率光谱库,提出了一种考虑端元变化及二次辐射的雪盖面积反演算法。此算法首先利用渐进辐射传输模型建立不同粒径大小积雪的反射率光谱库,然后使用序贯最大角凸锥方法获取植被、土壤与岩石、阴影的光谱库。在建立各种地物反射率光谱库之后,利用均方根误差最小的方法获取最优端元组合。在此基础上,考虑端元独立辐射以及积雪与其它地物的二次辐射过程,利用稀疏光谱混合模型获取积雪面积与雪粒径大小。实验结果表明:此方法能够同时反演雪粒径与积雪面积,反演的雪粒径相比单波段的渐进辐射传输模型小,反演的积雪面积相比MOD10A1产品精度略微提高。