应用卷积神经网络VGG16的星载GNSS-R海冰检测

针对全球卫星导航系统反射计(global navigation satellite system-reflection,GNSS-R)海冰检测中延迟-多普勒图(delay-Doppler map,DDM)数据噪声大、消融期精度低等问题,提出将VGG16卷积神经网络模型应用于海冰检测。通过深层的网络结构提取DDM多层次特征进行海冰海水分类,以提高海冰检测的精度和稳定性。实验结果表明,与美国国家海洋和大气管理局地表类型数据对比,所提出的基于VGG16海冰检测方法检测准确率为98.02%,有效提升了海冰检测的准确率和稳定性。

基于相位补偿核的GNSS-SAR改进后向投影成像算法

在利用全球导航卫星系统反射信号(GNSS-R)的无源合成孔径雷达体制中,目前常采用后向投影算法进行成像处理,但该算法逐点精确聚焦的处理过程使得算法的运算量大。针对上述问题,提出了一种数据分块和构造相位补偿核的改进后向投影算法。改进算法对回波矩阵进行分块,将目标区域成像网格点的最长延迟距离与最短延迟距离等间隔划分,建立相位补偿核,通过距离向搜索操作得到各网格点的相位补偿结果,在方位向相干叠加形成子图,递归合并得到最终图像。定量分析得出,改进算法可有效降低运算量,同时节省内存。仿真结果验证了所提算法的有效性。

辐射计辅助的地基GNSS-R土壤湿度反演方法研究

基于全球导航卫星系统反射信号(Global Navigation Satellite System-Reflection,GNSS-R)的土壤湿度监测弥补了传统测量方法的不足,是近年来遥感领域研究的热点。针对土壤粗糙度及植被含水量影响反演精度的问题,研究了利用辐射计数据辅助提升精度的方法。提出了一种基于非线性自回归模型的神经网络(NARX)的GNSS-R和辐射计数据融合的土壤湿度反演模型,通过信号处理的一般流程,进行现场实验,验证了该方法。结果表明,在测试集上所提出的反演方法相比于传统的GNSS-R方法,相关系数提高了77%,均方根误差下降了78%,与辐射计方法相比,相关系数提高了47%,均方根误差下降了68%,证明了该方法可以实现对固定区域土壤湿度的长期连续观测。

GNSS-R水位监测研究进展与其在我国水利行业应用展望

水位监测在水文学、水利工程、灾害防治等领域都具有非常重要的意义.传统的水位监测方法存在成本高、覆盖范围小等缺点,GNSS不仅具有导航、定位及授时的功能,还可以利用其反射信号获取反射面的特性信息并将其称为全球卫星导航系统反射测量(Global Navigation Satellite System-Reflectometry,GNSS-R).近年来,GNSS-R技术以低成本、全天候、高时空分辨率等优势为水位监测提供了一种新方法.本文对GNSS-R水位监测的研究现状、不同方法的影响因素以及当前应用过程中存在的问题进行了总结归纳提出了下一步的发展趋势,最后对其在我国水利行业的应用进行了展望.

云南地区GNSS应变率场异常识别方法及地震预测效能评估

利用1999-2020年云南及邻区近300个GNSS测站的观测数据解算获取的速度场为约束,采用克里金插值方法分时段估计了1999-2007年,2009-2014年,2015-2020年三期区域应变率场;通过回溯各个观测时段之后3年内M_(S)≥5.0地震事件,分析区域地壳形变特征与地震事件发生地点之间的相关性,结果表明,绝大部分地震都发生在面应变高梯度带的张压转换区和最大剪应变率沿断层方向的高值区或其边缘。基于上述应变率场异常特征,提出格网地震危险因子算法,建立地震危险区识别模型,通过估计格网最大剪应变率和面应变率风险区划因子,定量提取异常区地震危险指标,结果显示采用数值模型识别出的异常区与地震事件具有较好地对应关系;进一步采用R值评分的方式对应变率场异常区模型识别方法进行地震预测效能量化评估与分析,结果显示3期应变率场预测结果均通过R值评分检测。

顾及河流流向的GNSS-R流速反演

针对传统的河流流速测量方法存在价格昂贵、维护困难或不准确等问题,提出一种顾及河流流向的GNSS-R流速反演方法:指出河流流向和反射几何构型会对GNSS-R流速反演造成影响,并利用GNSS信号相对反射面运动产生的多普勒效应进行流速测量;然后引入声学多普勒流速剖面仪(ADCP)实测数据对反演结果进行验证,分析不同几何构型下,散射效应对于多普勒频移的影响,并完善GNSS-R河流流速反演方法。实验结果表明,后向构型时,反演的河流流速值一般大于前向构型;基于后向构型的多普勒频率差对河流流速进行反演的结果与实测流速值变化趋势相近,但由于多普勒频率难以准确捕获的原因,反演中误差较大。

GNSS-R土壤水分反演研究进展

土壤水分是陆地水循环中最活跃的部分,是影响水文、生物生态和生物地球化学过程的关键变量。全球导航卫星系统反射测量(GNSS-R)技术由于使用L波段的电磁波且具备高频观测的能力,是土壤水分监测的有效手段。北斗卫星导航系统(BDS)是我国自行研制的全球卫星导航系统,土壤水分监测也是其业务应用的重要组成部分。从观测平台、反演方法两方面对当前GNSS-R反演土壤水分的研究进行了总结分析,指出了不同反演方法的优势和劣势,并进一步阐明了BDS对GNSS-R土壤水分反演研究的主要贡献和优势。

星载GNSS-R融冰期海冰密集度反演研究

针对北极融冰期的海冰密集度反演,并改善全球导航卫星系统反射测量(GNSS-R)对海水的海冰密集度高估问题,本文提出一种利用机器学习算法生成高时空分辨率的融冰期海冰密集度估算方法,提取GNSS-R时延多普勒图(DDM)的特征参数,并结合海表温度数据建立LightGBM模型,将反演结果与参考海冰密集度值进行相关性分析和评估。本文的模型结果与OSI SAF的海冰密集度产品显示出较好的一致性,相关系数、平均绝对误差和均方根误差分别为0.965、0.061和0.090。该方法能够实现对北极海冰边缘区的海冰密集度高精度估计。

一种改进的星载GNSS-R森林生物量反演方法

基于Tau-Omega模型提出一种涉及地面土壤湿度修正的星载全球导航卫星系统反射测量(GNSS-R)森林地上生物量反演方法。选择SMAP卫星的土壤湿度作为辅助数据,运用Tau-Omega模型对旋风卫星导航系统(CYGNSS)反射率做出改正,提高建模参数的准确性。将SMAP卫星提供的植被光学深度(VOD)和地上植被生物量(AGB)地图作为生物量参考数据,比较了改正前后观测值与参考数据的相关性变化。结果表明,改正后相关系数提升明显,改正后参数较反射率与VOD的相关系数从0.54提升到了0.67,与AGB的相关系数从0.46提升到了0.56。随后通过人工神经网络分别基于改正后的参数和反射率建立GNSS-R VOD和AGB反演模型。结果表明,所提方法能够有效提高VOD和AGB的反演精度,且在生物量水平较低的地区改进效果更优。对于VOD反演,改进后相关系数从0.70提升到了0.83,RMES从0.21降低到了0.17;对于AGB反演,改进后相关系数从0.61提升到了0.71,RMES从74 t/hm^(2)降低到了65 t/hm^(2)。

基于北斗/GNSS-R的厘米级水位测量

水位变化监测是防洪抗旱的重点工作之一,全球导航卫星系统反射测量(Global Navigation Satellite System-Reflectome‐try,GNSS-R)技术已被证明可进行高精度、全天候、全天时的水位变化监测。我国北斗卫星导航系统(Beidou Navigation Satellite System,BDS)拥有丰富的频段数据,在GNSS-R遥感应用领域中具有广阔的应用前景。基于湖南省浏阳河流域建设的GNSS-R实验观测站数据,进一步研究了BDS在水位反演中的性能,分别采用频谱分析法和非线性拟合法对站点水位变化进行测量,并将实验结果与附近水文站的实测数据进行对比分析。结果表明,非线性拟合法相较于频谱分析法,水位测量精度大幅提升,均方根误差(RMSE)平均降低了66%,且多频数据融合后RMSE达到了1.8 cm,整体上BDS的水位反演性能与GPS相当。

基于SVM模型的星载GNSS-R内陆水体识别方法研究

内陆水体探测是遥感领域中的重要研究方向之一,涵盖河流形态变化监测、实时洪水监测和地表水变化分析等领域。支持向量机(Support Vector Machine,SVM)在非线性分类问题上表现优秀并且能够得到较低的错误率。提出了一种基于SVM的全球导航卫星系统反射(GNSS-R)信号内陆水体识别方法,使用星载GNSS-R信噪比(Signal to Noise Ratio,SNR)作为像素构建遥感图像,并应用合成少数类过采样技术(Synthetic Minority Oversampling Technique,SMOTE)进行数据处理。在此基础上,通过SVM模型的方式实现水体信息提取,并在刚果盆地区域的旋风全球导航卫星系统(Cyclone Global Navigation Satellite System,CYGNSS)数据进行了验证。结果表明,未进行SMOTE算法处理的分类准确率是65.1%,其中水体分类准确率5.39%,而经过SVM模型和SMOTE算法处理后,数据分类准确率提高至96.49%,水体分类准确率提高至96.32%,准确率和水体查准率都得到了提高,显示了利用基于SVM的星载GNSS-R内陆水体识别方法的有效性。

基于卷积神经网络的GNSSGR海面风速反演方法研究

传统基于地球物理模型函数(geophysical model function,GMF)的全球导航卫星系统反射测量(global navigation satellite system reflectometry,GNSS-R)海面风速反演存在特征提取准确度低、模型复杂度高等问题。针对上述问题,提出了一种基于卷积神经网络的GNSS-R海面风速反演方法。通过构建卷积模块自动提取时延-多普勒映射图像(delay-Doppler map,DDM)中的观测特征,特征融合模块将提取的特征与辅助特征关联,全连接模块将上述特征向量逐级映射到海面风速。以“捕风一号”卫星观测数据为例验证了上述方法的有效性,较传统GMF方法,风速反演精度在均方根误差(root mean square error,RMSE)和平均偏差(mean bias error,MBE)上分别降低了0.51 m/s和0.19 m/s,反演效果分别提升了21%和16%。试验结果表明:该方法能够有针对性地自动提取DDM特征,有效提高特征提取的精度,同时显著降低模型的复杂度。本研究为同类卫星各种地表参数反演提供了新思路。

岸基条件下的星载GNSS-R干涉测高精度验证评估

星载GNSS-R干涉测高技术通过调制GNSS卫星信号的宽带混合码,可以实现高精度宽幅海面测高。为有效验证星载GNSS-R干涉测高性能,本文设计了基于岸基GNSS-R干涉测高结果,开展星载GNSS-R干涉测高精度等效评估的策略。评估结果表明,GNSS-R干涉测高与卫星导航系统信号体制及信号信噪比相关,星载GNSS-R干涉测高可实现分米级测高精度。本文的研究成果可为后续星载GNSS-R干涉测高工程实践提供技术参考和数据支持。

森林火灾期间GNSS-R信号反射率与PM_(10)的相关性研究

本研究以2019年澳大利亚野火事件为例,利用悉尼和布里斯班两地气象站于2019年7月18日至12月31日观测的大气颗粒物(PM)浓度数据和全球卫星导航系统反射测量(GNSS-R)反演的地表反射率数据,采用滑动平均和滑动标准差的分析方法,探究了两种数据之间的相关性。结果显示,火灾发生前,PM_(10)浓度与地表反射率的相关性低于30%;火灾后,该相关性显著增强,相关系数超过65%。从数据波动幅度角度分析,火灾前后两者的相关性分别在50%以上和80%以上,但存在明显的相位差异。本研究证明了PM_(10)浓度的变化对GNSS-R反演地表反射率有显著影响,尤其在PM_(10)浓度较高时。这一发现为火灾遥感监测提供了新的理论基础和实用方法,具有显著的创新意义。

GNSS-R测量地表土壤湿度的地基实验

应用地基GNSS-R测量土壤湿度,相比空基而言,反射信号接收天线安装位置低,反射区面积小,反射区域内土壤构成成分一致,可以克服空基实验带来的反射区面积大、反射区内土壤地貌复杂的因素,有利于提高反演的精度.本文介绍了地基GNSS-R反演土壤湿度的原理和方法.首先通过归一化处理消除电离层和中性大气对信号强度的影响,然后利用光滑地表散射模型和土壤介电常数模型反演土壤湿度.为验证GNSS-R反演结果的精度,利用配置右旋天线和左旋天线的GNSS-R接收机在武汉华中农业大学试验田开展地基GNSS-R测量土壤湿度实验,用土壤湿度计(TDR)与GNSS-R一起进行了联合观测,对实测数据进行分析和统计,在低洼区和平整区观测的对比结果表明,利用多颗高仰角卫星进行联合反演,减小了单颗星反演的误差.实验证明地基实验对于GNSS-R土壤湿度的定量反演研究具有重要作用,其也为利用GNSS-R技术构建大范围的土壤湿度监测网提供了可能性.

GNSS-R研究进展及其关键技术

全面评述了GNSS-R技术的研究进展,主要包括海面测高、海面风场遥感、土壤湿度探测以及星载实验等几个主要方面,从软件接收机和反演模型两个方面分析了GNSS-R的关键技术,并指出了存在的问题和发展方向。

利用GNSS-R信号反演海浪波高

分析了利用GNSS-R观测资料反演海浪波高的原理,讨论了干涉复数场及其相关时间。对Oceanpal观测数据滤波,计算其自相关函数,用三次多项式插值法估计相关时间,得到了新的海浪波高反演经验公式。反演结果与声学波浪仪观测数据比对,两者是比较一致的。

GNSS-R海洋遥感监测技术综述

介绍了GNSS-R海洋遥感的发展过程、技术原理和理论模型,进一步研究了GNSS-R在海洋遥感各应用领域的主要研究内容,探讨了GNSS-R海洋测风、测高、海冰监测、溢油检测和移动目标探测的技术途径,概述了GNSS-R海洋遥感监测技术所涉及的反演理论和信息提取方法,并根据现有研究成果和海洋遥感的应用需要,提出今后需解决的关键技术和未来的发展方向。

我国GNSS-R遥感技术的研究现状与未来发展趋势

全球导航卫星系统(GNSS)不仅能够为空间信息用户提供全球共享的导航定位信息、测速、授时等功能,还可以提供长期稳定、高时间和高空间分辨率的L波段微波信号源。近年来利用其作为外辐射源的遥感探测技术,形成了一门新的全球导航卫星系统气象学(GNSS/MET),其中GNSS-R反射信号遥感技术的兴起和发展格外引人注目。这是一种介于被动遥感与主动遥感之间的新型遥感探测技术,可以看作为是一个非合作人工辐射源、收发分置多发单收的多基地L波段雷达系统,从而兼有主动遥感和被动遥感两者的优点,越来越受到人们的关注和青睐,先后开展了许多利用GNSS系统进行大气海洋陆面遥感等领域研究工作。该文系统介绍了GNSS-R遥感技术的研究现状和发展趋势,并针对该技术给出了一个新的概念"外源助动遥感(Exogenous-Aided Remote Sensing,EARS)"。

基于GNSS-R的海面风速探测技术研究

该文利用数值仿真手段分析了全球导航卫星系统海面反射(GNSS-R)信号的时延相关功率曲线特征,讨论了风速、风向、GNSS卫星高度角、接收机平台高度和速度等因素对海面散射信号相关功率的影响,给出了GNSS-R海面风速的反演方法和技术流程,并进行了试验验证。结果表明,在中低风速条件(<20 m/s)下,GNSS-R测量的海面风速与实测风速的基本一致,说明GNSS-R探测海面风速的可行性以及该文给出的海面风速反演方法的正确性。当风速超过20 m/s时,由于受海浪谱模型的限制,其反演的结果明显低于实测风速。最后,根据试验结果,初步给出了GNSS-R测量海面风速的修正模型。