GPU加速的水体辐射传输Monte Carlo模拟模型研究

水体辐射传输方程是复杂的微积分方程,只能利用数值方法求解,如Monte Carlo光线追踪法、不变嵌入法、离散坐标法等,其中,Monte Carlo方法是目前解决水体水下光场三维问题的唯一有效方法.根据辐射传输理论,开发了水下光场的Monte Carlo模拟模型,主要包含大气、水-气界面、层化水体和水底边界4个模块.实现了模拟任意太阳角度、不同水体固有光学属性和任意深度条件下,考虑大气、粗糙水面和水底边界的水下光场,能够获取辐亮度、辐照度等辐射量的空间分布.该模型暂不考虑Raman散射、偏振、内部光源的影响.实现了GPU加速水下光场Monte Carlo模拟,并用Mobley等提出的海洋光学标准问题中的问题1~6进行验证.在两种计算环境下,通过对不同边界条件下的CPU、GPU运行时间及加速比的对比,发现GPU计算可以达到几百至上千倍的加速比.

甘肃饮用水源地水体辐射环境在线自动监测系统总体设计

以甘肃省辐射监测网络建设为契机,在我国首次建立了覆盖全省重要饮用水源地的在线监测系统,对水中总α、总β、^(3)H及^(90)Sr进行实时监测预警。系统通过创新水体在线辐射监测技术和应用理念,配合合理的站点布局、网络规划和软件设计,实现了对甘肃全省水体辐射安全数据的全面掌握,保障饮用水安全,为未来水体辐射安全监管能力建设提供可参考的新模式。

基于Hydrolight模型的太湖SDGSAT-1卫星悬浮物浓度反演研究

利用卫星遥感反演水体中的悬浮物浓度对水质监测和保护具有重要意义,在悬浮物浓度反演过程中,如何避免或最大程度降低水体中叶绿素a、有色可溶性有机物(Colored Dissolved Organic Matter,CDOM)的干扰是当前的技术难点。文章针对可持续发展科学卫星1号(SDGSAT-1)MII传感器,利用Hydrolight辐射传输模型,从理论上挖掘只与悬浮物强相关的反演因子,以此构建适用于MII影像的太湖悬浮物浓度反演模型,通过水体的实测数据和遥感数据对模型应用效果进行验证。结果表明:反演因子R′(B_5/B_3)与悬浮物浓度为强相关,同时与叶绿素a、CDOM浓度弱相关;利用R′(B_5/B_3)作为反演因子构建的幂函数模型为最优反演模型;将幂函数模型分别应用于实测数据和2022年5月4日的太湖SDGSAT-1 MII数据,两次验证试验显示反演结果和现场测量结果具有较强一致性,模型适用性较好。该研究可为SDGSAT-1卫星在湖泊水体悬浮物浓度监测、水资源评估与保护等提供一些技术参考。

井灌水稻区晒水池升温机理的初步研究

针对井灌区井水灌溉水温低的特点 ,为防止井灌水稻冷水害的发生 ,通过太阳辐射 -水体 -土壤这一连续体模型 ,利用数学知识解微分方程的方法 ,建立了静水情况下晒水池平衡水温的数学模型 ,并结合实例说明了各参数的数值算法 ;建立了晒水池内任意时刻各点水温的预测模型 ,并利用实测水温加以验证 ,其最大相对误差在9.6 %以内 ,预测精度符合要求。

非弹性散射对水体遥感反射率影响的数值模拟

基于矩阵算法建立了一个可用于模拟水体非弹性散射过程的水体辐射传输数值模型。该模型采用单个均匀介质层中辐射能量随深度增大而呈指数衰减的假设,将非弹性散射作为源矩阵算子引入到矩阵算法当中进行解算。通过Mobley水体辐射传输标准问题7的验证以及与Hydrolight 5.0结果的比较,说明该模型对多次散射和非弹性散射的处理是正确的,是一个适合于全面模拟水体各种辐射传输过程的数值计算模型。同时在该模型的基础上利用三分量模型,模拟分析了水体各成分对水体非弹性散射的影响以及非弹性散射在遥感反射率中所占的比重。分析结果表明拉曼散射只在清洁水体中对遥感反射率的贡献较大。而随着水体中黄色物质浓度和叶绿素浓度的提高,相应波段的遥感反射率中非弹性散射所占的比重不断提高,但是叶绿素和黄色物质彼此之间却是相互抑制对方的非弹性散射作用。另外悬浮泥沙对非弹性散射作用的削弱非常明显,在高浓度悬浮泥沙水体中非弹性散射过程甚至可以忽略。

千岛湖水体表层温度遥感估算方法对比

湖泊水体表层温度是气候和环境变化的重要指示因子,遥感技术是水体表层温度监测的重要手段。温度反演算法在不同湖库水体的适用性各异,针对清洁型深水湖库的水体表层温度反演算法适用性仍有待进一步研究。本研究以千岛湖为研究区,利用Landsat 8卫星数据,对比了基于辐射传输方程的算法(RTE)、单窗算法(MWA)、普适性单通道算法(GSCA)、实用单通道算法(PSCA)、劈窗算法(SWA_D和SWA_G)和Landsat 8Collection 2 Level-2(C2L2)温度产品的精度,探究了各算法中相关参数的适用性和敏感性,刻画了千岛湖2013年—2021年水体表层温度时空分布特征。研究结果表明:(1)针对Landsat 8数据的第10和11波段,千岛湖最适宜的水体比辐射率分别为0.9926和0.9877;(2)整体上,劈窗算法的精度优于单通道算法,Landsat温度产品的估算精度适中。其中,劈窗算法SWA_G精度最优,平均相对误差(MAPE)为7.61%,均方根误差(RMSE)为2.0℃;(3)千岛湖水体表层温度具有显著的时空分异特征。季节上,千岛湖水体表层温度冬季最低(14.2±0.6℃),夏季最高(31.0±0.5℃)。空间上,西北库区(23.0±0.3℃)和西南库区(22.8±0.2℃)水体表层温度最高,东北库区(22.2±0.3℃)水体表层温度最低。本研究验证了不同温度反演算法在清洁型深水湖库的适用性,为清洁型深水湖库水体表层温度反演提供了经验借鉴。