GB/T 41165-2021《海洋预报结果准确性检验评估方法》风暴潮部分研制方法

风暴潮警报涉及要素较多,检验评估有一定困难性,本文详述了GB/T 41165-2021《海洋预报结果准确性检验评估方法》风暴潮部分的制定过程。研制过程中基于风暴潮警报调研和历史灾情分类研究,设计了风暴潮警报质量的量化评价方式,并应用东海区警报结果和实况数据反复测试和验证,结合多轮意见征求与试用成果,修正了潮时和潮位评估的阈值,撤消了过程整体评分的固定模式,分别建立了警报等级、潮时和潮位的检验评估算法,首次为海洋预报机构风暴潮警报评价提供了统一量化检验评估标准。

常规海浪预报定量化检验评估方法研究

常规海浪预报内容是一段文字,无法直接应用实况数据进行预报质量的检验评估。在详细调研全国海洋预报机构发布的海浪预报产品的基础上,应用东海预报减灾中心预报结果和实况数据进行反复测试与验证,制定了常规预报产品的处理规则,设计了检验评估方法;通过对存在问题的研讨与论证,重点解决评估波高最小值设定、观测点与预报海域面之间的关系、同一海域多点实况资料选取等定量化检验评估中的关键技术难点,提升了检验评估规则的合理性和适用性。

常规海面风预报质量检验的实现

常规海面风预报内容是“文字加字符”形式,实况数据是间隔均匀的数据序列,所以常规海面风预报无法像数值预报一样直接应用实况数据进行预报质量的检验评估。本文在详细调研全国海洋预报机构发布的海面风预报产品基础上,针对不同的常规预报内容,制定了一套客观、合理、标准化的处理方法,成功实现了对常规海面风预报的检验,并应用东海区实况数据对常规海面风预报进行了检验测试,通过对存在的问题进行研讨与论证,完善了检验评估规则,提升了其实用性、合理性和适用性。

基于ConvLSTM-CNN预测太平洋长鳍金枪鱼时空分布趋势

海洋渔场的变动由空间与环境因子共同驱动,渔场时空演变信息的精准预测是海洋捕捞的关键。本研究利用1995-2018年太平洋海域长鳍金枪鱼(Thunnus alalunga)的渔业生产统计数据,结合同期海洋环境数据包括海表面温度(Sea Surface Temperature,SST)、海表面盐度(Sea Surface Salinity,SSS)、初级生产力(Primary Productivity,PP)和溶解氧浓度(Dissolved Oxygen Concentration,DO),提出了一种融合卷积长短期记忆网络(Convolutional Long Short-Term Memory Networks,ConvLSTM)和卷积神经网络(Convolutional Neural Networks,CNN)的渔场时空分布预测模型。该模型引入特征提取模块,对时空因子进行编码,提取时空特征信息,同时采用CNN提取海洋环境变量的抽象特征,采用ConvLSTM提取渔业数据的高层时空关联信息,最后融合多种特征对渔场时空演变趋势进行预测。结果表明,模型的均方根误差为0.1036,较随机森林、BP神经网络和长短期记忆网络(Long Short Term Memory,LSTM)等传统渔场预报模型的预测误差降低15%~40%,预测的高产渔区与实际作业的高渔获量区匹配度为89%。该研究构建的渔场时空预测模型能够准确地预测出太平洋长鳍金枪鱼的时空分布,为太平洋长鳍金枪鱼的延绳钓渔业提供科学参考依据。

河口海岸生态系统生态阈值及环境管理应用进展

河口海岸生态阈值是促使生态系统从相对稳定的动态平衡状态发生骤然转变的环境变量的值,对于研究河口海岸生态系统演变以及开展区域生态修复具有重要意义。本文梳理了部分盐沼、海草床、珊瑚礁、海带床等典型生态机制转换事件的阈值结果以及国内外生态阈值在河口海岸生态系统的应用管理情况,结合当前国内从环境保护转变到生态保护的环境管理需求,提出了生态阈值在环境管理中的思考和建议。阈值因子的选择既可以反映河口海岸的自然特征,又可以反映人类活动的某个方面;在气候变暖的大背景下,生态阈值的目标应该关注系统的完整性;须加强空间尺度、气候变化对生态阈值的影响,海陆自然条件与社会经济条件的耦合与机理过程研究。

江苏沿海海浪模拟研究和灾害特征分析

本研究利用2003-2022年江苏省的海浪灾害数据对灾害形势进行分析,并采用第三代海浪模型SWAN对江苏海域海浪特征进行模拟,收集江苏沿海苏北浅滩和盐城外浮标实测海浪数据对模型结果进行比对验证。对江苏海域海浪灾害特征的研究和分析结果表明:整个江苏沿海基本以东北和东南向浪为主,大浪占比较大出现在8-9月,江苏沿海海域多年一遇有效波高沿着岸线呈南北向带状分布,由北向南的梯度逐渐增大,致灾方面,台风浪对海洋经济的影响较大,而气旋浪和冷空气浪对人员伤亡的危险性更大。

基于超像素块聚类与低秩特性的高光谱图像降噪

高光谱图像通常受到高斯噪声、脉冲噪声、死线和条纹等干扰,因此去噪必不可少。现有基于低秩特性的降噪方法通过引入空间信息改善了降噪效果,但由于其只利用了局部相似性或非局部自相似性,而对在光谱维度存在一定结构信息的稀疏噪声去除效果较差。本文提出了基于超像素块聚类与低秩特性的高光谱图像降噪方法,实现了分块的自适应划分与聚类,在较好地保留了局部细节的同时又充分利用了非局部空间自相似性,且实验表明聚类后的超像素块组成的同物分块具有良好的空-谱双重低秩属性。该方法首先对高光谱图像进行超像素分割,再对超像素块进行聚类,得到同物分块;然后对其建立低秩矩阵恢复模型并求解,最终得到降噪后图像。本文分别在模拟数据和真实数据上进行实验,并与其他基于低秩特性的方法进行比较,结果表明:本文方法对混合噪声,尤其是具有一定结构信息的稀疏噪声具有较好的降噪性能。

融合密集特征金字塔的改进R^(2)CNN海洋涡旋自动检测

海洋涡旋演变过程认识的不足是制约当前物理海洋研究水平的关键因素,海洋涡旋自动检测是掌握其产生、发展、变异过程机理及其与多尺度海洋过程相互作用的基础。然而,由于海洋涡旋尺度多样性、形状不规则、分布密集的特点,现有水平检测方法导致检测区域存在显著的冗余、重叠与嵌套。为解决上述问题,提出多尺度旋转密集特征金字塔网络。具体地,通过密集连接(dense feature pyramid network,DFPN)改进特征金字塔网络实现多尺度高层语义特征提取与融合,增强特征传播与特征重用;此外,针对海洋涡旋密集分布的特点,改进旋转区域卷积神经网络(rotational region convolutional neural network,R^(2)CNN),提出多尺度RoI Align机制,实现特征的语义保持和空间信息的完整性,提升模型检测性能。最后,采用海平面异常值数据构建海洋涡旋数据集,并预处理成VOC格式进行训练,调整相应参数得到检测模型。实验结果表明,提出的检测模型最优检测精度可达96.4%,并对太平洋、大西洋海域的海洋涡旋进行自动检测,验证了模型具有较好的泛化能力。

基于准实时传输潜标的国产温盐深仪对比分析

高精度的温盐深测量仪(Conductivity-Temperature-Depth,CTD)是实现海洋动力环境背景要素长期连续观测的最重要的海洋观测设备之一。尽管国产CTD的研制已经取得了一系列应用成果,但是基于深海潜标平台的多深度的CTD比测工作仍然较少。本文基于“十三五”期间国家重点研发项目研发的准实时传输潜标平台所搭载的三组国产CTD与进口的CTD所获取的数据进行了详细的比对分析。在潜标系统较为稳定的时刻,两者的平均温度差最小为0.001℃,平均盐度差最小为0.001 psu。比测结果表明:国产CTD在复杂的深海海洋环境下所测得的温盐深数据具有较高的稳定性与可靠性。国产高精度CTD的研制与应用对提高我国海洋现场连续和长期的观测能力,促进海洋基础科学研究的发展具有重要作用。

洋山港拟建码头波浪影响下作业天数统计分析

码头的作业天数统计是码头设计的重要指标。针对洋山港北侧拟建防波堤,采用海浪数值计算模型SWAN,建立了波浪数学模型,对港区内的波浪要素进行了模拟计算,结合波浪观测站点的频率分析,对波浪影响码头的作业天数进行了统计计算。根据计算结果,防波堤可以有效阻挡对码头影响较大的E、N、NE和NW方向的波浪,西侧码头受波浪影响较大,不可作业天数较多。同时还讨论了防波堤的不同设计方案对码头作业天数的影响,可为防波堤前期设计提供参考依据。

基于卫星遥感的海洋工程环境监测及影响评价方法初探

为弥补常规海洋环境监测手段在大区域、长时序方面的不足,本文初步探究了用可见光水色遥感监测海水水动力现象的方法。以杭州湾跨海大桥典型工程为例,运用卫星遥感可见光方法,监测海水大面积水色变化,结合数值计算,综合分析大桥对附近海域流场变化的影响。分析结果表明,大桥中间段迎水面和背水面两侧海域的水色存在明显差异,桥墩局部区域的流场发生显著改变,在大桥东西两侧均出现了流速较小区域,大潮时期平均减小0.3 m/s,小潮时期平均减小0.1 m/s;对比大桥建成前后,南段大桥两侧水色发生显著变异,西面的流速减小区最为显著,平均减小0.26 m/s。

基于Cressman优化算法的海洋矢量数据插值方法研究

随着海洋监测技术的发展,多源、异构、多维的海洋数据成指数激增。当前用于海洋数据的插值技术存在处理速度慢、读取效率低等问题,难以满足数据处理的需要。针对具有空间分布特性的海洋矢量数据,本文旨在研究一种高效的插值方法,首先基于Moran's I对矢量数据进行空间相关性分析,根据数据间的聚类程度对数据集进行冗余度处理,然后基于Cressman插值算法对处理后的矢量数据进行插值展示。最后,以某区域的流场数据进行仿真,验证了基于Cressman插值优化算法的合理性和可行性。

基于稀疏表示和学习图正则的高光谱图像特征提取

针对传统局部特征提取算法难以确定邻域参数,以及仅考虑数据间的单一结构而漏掉重要信息的问题,提出一种基于稀疏表示和学习图正则的局部判别与全局稀疏保持投影算法。该算法首先对稀疏表示模型施加基于学习的图正则器,用该改进的稀疏表示模型自适应揭示样本数据间的局部线性结构,通过局部判别模型全局集成算法来提取局部线性结构中的判别信息;利用基于学习图正则稀疏表示模型构建的新型稀疏图来揭示数据间的全局稀疏结构;使得数据的局部判别结构和全局稀疏结构在低维特征空间得以保持。通过1-近邻和支持向量机分类器对实验结果进行评估,在PaviaU和Indian Pines两个高光谱公共数据集上的实验显示,提出的局部判别与全局稀疏保持投影算法较对比算法取得了最好的性能,由于提取了全局和局部的判别信息,有效提升了高光谱图像的地物分类精度。

基于聚类的时空轨迹特征挖掘——以中尺度涡轨迹为例

采用密度聚类方法对中长生命周期中尺度涡轨迹进行聚类分析,分析比较了不同类簇中尺度涡的轨迹特征、时空分布以及生成和消亡的空间分布特征。结果表明:随着纬度的增加,不同轨迹类别的振幅增大,旋转速度和半径却呈现递减趋势,反气旋涡轨迹变化更快速,轨迹更易受地理位置影响。南海南部春冬季气旋涡较多,反气旋涡更易出现在夏秋季;南海中部中尺度涡向西移动;南海北部中尺度涡向西北移动。此外,位于越南东南部的中尺度涡轨迹表现出更活跃、更复杂的特性。

基于GF-3的不同极化方式SAR图像海面油膜识别的比较——以“桑吉”轮事故为例

基于我国自主研发的首颗分辨率达到1m的C频段多极化合成孔径雷达高分三号卫星(GF-3),通过典型溢油案例定性和定量地比较了双极化与单极化图像预处理性能,分析了不同的极化组合对海面油膜识别结果的影响。得出结论:同向极化与异向极化成像差异明显,VV极化明显比VH极化回波强度高,并且油膜识别度较高;相反,双极化VHVV方式与单极化VH方式图像效果区别不大,双极化方式并不能绝对性地提高地物识别度。

基于遥感和OpenCV的海域使用疑点疑区自动提取与变化检测方法研究

本文采用遥感解译与现场踏勘相结合的方法,研究探索适用于海域使用疑点疑区监管工作的自动提取与动态变化检测方法。通过选取覆盖典型海域疑点疑区解译标志的高分辨率影像,经过图像预处理,辅以栅格数据矢量化提取岸线边界,利用OpenCV视觉函数库和AdaptiveThreshold等函数自动提取轮廓边界;根据提取结果与现场踏勘情况,对提取精度进行评价,并分析其在业务应用中存在的问题。研究结果表明:通过利用OpenCV视觉函数库和MATLAB、VS等开发环境,设定自适应阈值,对基期和末期分别进行轮廓线提取,比较前后像素点色度差异并标记变化区域,可实现判断海岸线向海一侧至少50%的变化情况。为满足自然资源部“15天一覆盖”的高标准,需进一步开展高分辨率大比例尺自动提取精度分析研究,及时掌握海域资源、海域使用和海域管理等现状,为职能部门规划研究和海域管理提供有力的辅助手段。

基于相似阈值学习的台风路径分类方法

台风路径分类是分析台风特征的重要途径,同时也是判断台风影响区域和范围的重要方法。目前台风的分类研究主要采用主观识别和K-means聚类等方法,这些方法存在传统聚类算法产生的随机性问题和依赖人工经验设置模型参数的智能化问题,以及针对特定台风研究而导致的局限性问题。针对以上问题,本文提出一种基于相似阈值学习的台风路径分类方法,首先,提出基于密度质心的混合聚类算法,实现了热点区域挖掘,减少了传统方法的随机性;其次,提出基于fastDTW的自适应模体处理算法,实现了更为智能化的路径分类;最后,以登陆湛江的台风路径为例,展示并验证了混合聚类方法的分类效果。