新一代海洋科学卫星的思考与展望

卫星遥感技术因其在海洋科学发展中的重要地位,已成为各国海洋研究的重要方向。本文以已实施的卫星计划为切入点,阐明了海洋科学卫星对海洋科学发展的重大推动作用,指出海洋遥感已进入科学卫星时代。针对当前海洋亚中尺度和近温跃层遥感观测的科学前沿需求,介绍了目前国际上正在实施的新一代科学卫星计划。重点围绕新一代海洋科学卫星的两大代表性载荷——干涉成像高度计和海洋激光雷达,回顾了测高技术和激光雷达技术的发展历程,展望了这两大载荷在亚中尺度海洋学、海洋跃层动力学和大数据海洋学领域的未来潜在应用,对中国海洋科学卫星未来的发展提供有益借鉴。

海洋水体光学性质测量技术研究进展

海洋水体光学性质测量是海洋光学理论发展的基础,水体光学性质测量技术的提高,也大大带动了其它海洋光学技术及其应用的发展。回顾历史,光电技术和光谱技术是水体光学测量技术的主要推动力,海洋光辐射传输理论的发展及水色遥感是水体光学测量技术的主要牵引力。论文重点对水体光学性质中基础量的测量原理、方法及主要产品做了系统的介绍,其中包括光谱辐亮度和光谱辐照度的测量方法、水体光谱吸收的测量方法以及光谱散射性的测量方法等。最后,给出了水体光学性质测量技术未来的发展方向,为从事水体光学性质仪器开发、相关海洋光技术开发和用户等提供参考。

浅析三维海洋数字动漫关键技术

本文从动漫的发展入手,对三维海洋数字动漫的特点、研究内容以及应用意义进行了分析。进而引出对其关键技术:海洋场景虚拟仿真技术、海洋特效实时渲染技术以及海洋生命仿真技术的研究,详细介绍了三类技术在三维海洋数字动漫中的实现方式及发展现状。最后以动漫系列剧《小海龟漫游海底》为例,验证了三类技术对实践的指导意义,并对三维海洋数字动漫未来的发展方向做出了展望。

CALIPSO星载激光在全球海洋上空的穿透性统计

利用CALIPSO卫星2006年6月至2010年5月四年的5 km二级云产品数据对CALIPSO星载激光在全球海洋上空的穿透性进行统计分析,分别讨论了穿透概率随年度变化、季节变化、昼夜变化及地理位置的变动情况,同时分析了产品版本因素对分析结果造成的影响。分析表明,海洋上空的数据中探测到云层的约占72.2%,其中不透明云层约占有云数据的61.4%,即可穿透云层获得海面信息的数据约占有云数据的38.6%,加上未探测到云层的激光,总共约有占总数据量55.6%左右的激光数据可以用来探测海面信息。使用不同的版本数据分析穿透率结果约有9%的变化.

基于MODIS和CALIOP卫星遥感数据的气溶胶光学厚度与海洋初级生产力相关性

利用2003~2014年的MODIS和2009~2014年的CALIOP卫星遥感数据产品,分析了我国华北地区(32°N^42°N,112°E^121°E)气溶胶光学厚度和西北太平洋部分海域(40°N^50°N,150°E^180°E)海洋初级生产力的时空分布,并研究了二者之间的相关性.结果表明:我国华北地区气溶胶光学厚度具有年季周期性,在每年的6、7月达到峰值;西北太平洋初级生产力同样具有年季周期性,在每年的8、9月达到峰值;从华北地区到西北太平洋,在5、6月可以发现比较明显的气溶胶传输通道,高空风场也与之对应;通过对长时间序列数据进行时滞相关性分析,发现华北地区气溶胶光学厚度与滞后其1~2个月的西北太平洋初级生产力有较高相关性,相关系数在0.7-0.8(通过a=0.05的显著性检验)之间.但其中存在滞后时间短相关系数低的海域,可能是受到洋流输送的影响.

星载激光雷达观测东中国海气溶胶时空分布的统计特征

基于2006年6月至2016年12月期间CALIPSO星载激光雷达卫星观测资料,分析了东中国海的渤海、黄海和东海海域的气溶胶时空分布特征。结果表明:(1)三个海域的主要气溶胶构成都是清洁海洋型、沙尘型和污染大陆型三种类型气溶胶,三者百分比之和均达到目标海域气溶胶成分的90%,而具体占比最大、起主导作用的气溶胶类型在不同海域并不相同;(2)三个海域随着高度升高气溶胶整体均为指数衰减趋势,其中4 km高度以下各气溶胶类型变化显著,4 km以上区域均只剩下沙尘型、污染沙尘型和煤烟型的气溶胶存在;(3)几乎所有气溶胶类型都会随着月份和季节上的更替变化而变化,春季各海域都是沙尘型气溶胶占比最大,夏季清洁海洋型气溶胶影响最明显,秋季和冬季期间东海地区以清洁海洋型气溶胶为主,而渤海和黄海均是沙尘型气溶胶为主。

利用星载激光雷达研究中国海及其周边海域的云层分布

利用2007～2010年4年间的CALIPSO 5 km二级云数据对中国海及其周边海域层数不同的云的出现概率(COF)随年度、月份和区域的变化进行了统计分析,并将2007年、2008年的部分统计结果与MODIS数据的统计结果相比较。结果表明:在研究区域,不同年份层数相同的云的出现概率差别小于3%,且不同年份的出现概率区域分布相近,在靠近赤道的海域高于80%,在20°N附近海域低于50%,这与MODIS数据的统计结果相一致;同一年不同月份的出现概率差异明显,但是4年都是在6、7月出现最大值,层数相同的云的出现概率随纬度变化而明显变化。

基于World Wind的海洋数据可视化研究

以World Wind提供的类和接口为基础,设计、开发了栅格图面图元、矢量箭头和等值线生成算法,并进行了可视化实现。此外,还实现了基于三维地形的多层叠加图。不仅提高了可视化效率,还丰富了World Wind的海洋数据可视化表现形式。研究开发的海洋数据可视化算法,能够满足实际应用需求,并已成功应用到南海海洋信息服务系统中。

基于图像处理技术的油管识别系统的设计与实现

针对油管分拣自动化系统的需求,设计制作了油管标识,并采用Java实现了基于图像处理技术的油管识别系统。通过对高精度仪器所拍摄的油管标识图进行图像处理,成功地输出与油管标识对应的编码值。

蓝绿光星载海洋激光雷达全球探测深度估算

为了评估和分析激光雷达探测全球海洋光学参数的性能,根据激光雷达方程和给定的激光雷达参数,使用MODIS Level 3全球年平均的海水吸收系数a(λ)和后向散射系数bb(λ)数据作为海水光学参数的参考值,对蓝绿光星载海洋激光雷达在全球海洋的探测深度进行了估算和分析。研究结果表明:星载海洋激光雷达探测深度的分布主要依赖于探测波长和水体光学性质,清洁大洋水的最优探测波长在460 nm左右,白天和夜间的最大探测深度分别为～110 m和～120 m;沿岸浑浊水的最优探测波长多在500 nm以上,最大探测深度只能达到20 m或更浅。探测波长为470～480 nm时,星载海洋激光雷达在全球范围内的平均探测能力最佳。

星载海洋激光雷达叶绿素剖面探测能力估算

为了评估和分析星载海洋激光雷达探测全球海洋光学参数的性能,依据激光雷达方程和蒙特卡罗模型结果模拟计算激光传输信号,开发了星载海洋激光雷达仿真模拟系统。仿真模拟系统由正向模拟、数据反演与误差分析三部分组成,能够模拟激光发射、传输和探测的全过程。根据给定的激光雷达参数,模拟了443 nm、486.1 nm和532 nm波长在地中海、印度洋、南大洋与太平洋四个典型海区的探测信号。研究结果表明,443 nm和486 nm波长的探测深度在各个海区均比较接近,并且均比532 nm更深。在给定的激光雷达参数情况下,486.1 nm波长在太平洋和南大洋的探测深度分别为120 m和70 m,在地中海和印度洋的探测深度均为约100 m。叶绿素a浓度在以上海区的探测深度分别约为80 m、50 m和70 m。

高精度海表皮温红外辐射测量系统

海表温度是重要的环境特征指标。为了实时高精度测量海表皮温,中国海洋大学研制了一台海表测温辐射测量系统(The First Infrared Radiometer for measurements of Skin SST made by Ocean University of China,OUCFIRST,简称FIRST系统)。FIRST系统使用热释电辐射传感器,测量海表、天空和内部标准黑体的辐射量,对测量的海表辐射进行实时校正,得到精确的海表辐射值,通过反演计算,得到高精度海表皮温。FIRST系统内部使用了可溯源的测温仪,可测量标准黑体温度,该系统采用了自容式设计,测温精度高且部署容易。FIRST系统参加了2016年在英国国家物理实验室(National Physical Laboratory)NPL进行的联合观测实验,在实验室测量了标准黑体,在室外湖面进行了实测,测量结果优于33mK,测量准确度位列各参测仪器的第二名。实验结果表明,FIRST系统具有较好的测量精度,可用于海表皮温的高精度测量。

海水吸收光谱测量方法比较—定量滤膜技术和现场测量方法

本文对水体吸收光谱的2种测量方法进行了比较,这2种方法分别为基于分光光度计的定量滤膜技术和吸收衰减仪的现场测量方法。为了检验和比较这2种测量方法的不同,同时对两类不同类型水体的吸收系数进行了测量。其中一类水体为实验室培养的单种藻类水体,共有36个样本,包括4大类,分属16个种;另一类水体为黄海水域的水体,包括49个站位数据,基本覆盖了南黄海水域,440 nm的吸收系数在0.05～2.0 m-1之间。结果表明,不同波段实验室培养的单种藻类水体两者测量吸收系数的相关系数平方在0.96～0.98之间,相对均方根误差为14%～16%之间;对于黄海水体的测量,相关系数的平方在0.90～0.94之间,相对均方根误差在14%～27%之间。2种测量方法对这两类水体吸收系数的测量均具有很高的一致性,其中实验室培养的单种藻类水体的测量结果的一致性好于黄海水体的测量结果。

基于WebGIS的路径导航系统的研究与实现

通过对WebGIS系统的研究与实现,以及对路径导航中的最短路径问题的探索解决,并从图的拓扑结构设计、数据存储入手,实现了一种迪杰斯特拉算法的高效率实现方法。并以青岛市路网数据为例,实现了一套基于WebGIS的路径导航系统,实验结果表明,达到了系统期望的效果。

基于激光雷达观测的呼伦贝尔一次沙尘过程分析

基于测风激光雷达和地面常规观测资料,借助机器学习算法以及HYSPLIT(Hybrid Single-Particle LagrangianIntegrated Trajectory)模型分析了发生在呼伦贝尔的一次典型的沙尘天气过程。研究表明,本次沙尘起始时南风突增,风向转西南偏南风后风速降低,传输减弱,当风向转西风时,沙尘传输增强,在西风降低后沙尘传输结束。沙尘传输期间,湍流运动偏弱,混合层高度抬升受限。借助机器学习分粒径计算发现,沙尘前期传输以粗颗粒为主,后期粗、细颗粒物均有明显增长。不同传输时期粒径的不同,暗示沙尘的源可能发生变化,后向轨迹揭示沙尘传输前期来自蒙古国西北部,经过我国锡林郭勒后北上到达呼伦贝尔;而后期沙尘是从俄罗斯南部直接进入呼伦贝尔。最后研究发现,沙尘前至起始时刻,总传输通量对沙尘的响应早于地面颗粒物浓度变化,且沙尘期间总传输通量值显著高于沙尘前和沙尘后。因此,总传输通量变化以及阈值设定可为沙尘预警的新参考指标。

风力发电机振动的多普勒激光雷达遥测技术

为了实现对风力发电机振动的遥测,提出了一种新的风力发电机状态监测方式。利用相干多普勒激光雷达探测风力发电机的低频振动,并对遥测方法、测振频谱数据处理方法以及试验中出现的现象进行试验研究。试验分为风力发电机实测试验和固定目标实测试验两部分首先在距离风力发电机约675 m使用多普勒激光雷达对其塔筒顶部进行扫描,记录频谱数据,利用基于离散频谱校正技术的测振频谱数据处理方法,提取风力发电机的振动状态参数;然后进行固定目标实测试验,使用相同的数据处理方式对回波信号进行处理,对激光雷达的实际误差进行评估。试验结果表明相干多普勒激光雷达对风力发电机频率为0~2.5 Hz、振动速度为0.1~3 m/s的低频振动探测效果明显,具备探测风力发电机低频振动的能力。

智能地图无线终端实时定位系统的设计与实现

GPS实时定位系统在实际中有着广阔的应用前景,而基于WebGIS的实时定位系统则更是应用的需求热点。通过有效集成无线移动通信技术、计算机通信与网络技术、GPS卫星定位技术和WebGIS技术等,实现对空间目标准确快捷的定位、跟踪和调派,并利用B/S架构实现监控系统网络化,迅速提高了工作效率,推进了WebGIS的应用。

基于电子政务的三维电子景观地图技术

三维电子景观地图是地图发展过程中一种全新的地图模式。以建立上海市奉贤区三维电子景观地图为例,阐述了三维电子地图的设计、栅格地图的实现方式、WebGIS的集成技术等关键技术,提出了一种为政府电子政务服务的新型三维电子景观地图模式。

油管图像识别系统的设计与实现

针对难以提取已刻码油管特征而导致的识别率低的问题,设计开发了一套用于识别油管身份标识的系统。该系统利用线阵CCD扫描相机采集油管图像,并参考相关计算机图像处理算法,实现了对油管刻码标识的准确识别。实验数据表明,该系统采用的算法识别率高,已在Windows平台下用Java语言实现,具有较好的鲁棒性。

基于MSP430和OLED通用显示系统设计

针对自容式和手持式的现场仪器,提出了基于有机发光显示屏(OLED)的通用全彩色显示系统设计。分析了OLED显示驱动芯片SSD1332的工作原理,给出了SSD1332芯片SPI通信模式与MSP430单片机的硬件接口,并详细讨论了软件设计。