【摘要】：海浪要素提取是物理海洋學(xué)重要的研究方向之一,隨著海洋衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展,尤其是合成孔徑雷達(dá)技術(shù)(Synthetic Aperture Radar,SAR)成功應(yīng)用于海洋,極大地豐富了海洋資料,為海浪研究提供了嶄新的平臺(tái)。SAR能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)海面的大范圍、長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)測(cè),在海面風(fēng)場(chǎng)以及海浪要素提取方面取得了突破進(jìn)展,對(duì)SAR圖像海浪的提取研究能夠幫助理解海洋動(dòng)力學(xué),也可以輔助港口工程設(shè)計(jì),因此具有重要的科學(xué)研究?jī)r(jià)值和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。自Sentinel-1衛(wèi)星成功升空以來(lái),其為全球研究者提供了豐富的SAR圖像,為SAR圖像反演海浪提供了穩(wěn)定的數(shù)據(jù)源。海浪要素的提取離不開(kāi)風(fēng)場(chǎng)這一附加信息。目前,地球物理模型是應(yīng)用于SAR圖像風(fēng)場(chǎng)遙感業(yè)務(wù)化應(yīng)用的代表模式之一,能夠提供相對(duì)準(zhǔn)確的風(fēng)速信息。而隨著對(duì)SAR海面成像機(jī)理的了解,通過(guò)SAR圖像獲得有效波高、平均波周期等也取得了成功。在本文的研究中,開(kāi)展了基于C波段Sentinel-1 SAR圖像的海浪要素提取研究。首先,采用新的風(fēng)場(chǎng)反演模式C-SARMOD適合提取VV極化Sentinel-1 SAR圖像風(fēng)場(chǎng),通過(guò)對(duì)浮標(biāo)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證,結(jié)果表明,風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差STD為1.6m/s,驗(yàn)證了C-SARMOD的有效性。在此基礎(chǔ)上,采用參數(shù)化初猜譜算法,將海浪結(jié)果與NDBC浮標(biāo)對(duì)比,有效波高的STD為0.54m、平均波周期的STD為2.14s。同時(shí),補(bǔ)充我國(guó)近海區(qū)域的IW模式SAR圖像,對(duì)比ECMWF的有效波高與平均波周期,STD分別為0.67m,2.21s。該結(jié)果表明,C-SARMOD風(fēng)場(chǎng)模式與參數(shù)化初猜譜海浪提取算法結(jié)合,適用于提取VV極化Sentinel-1 SAR圖像的海浪要素。此外,針對(duì)HH極化的Sentinel-1 SAR圖像,采用CMOD4模式與PR模型獲得海面風(fēng)場(chǎng),結(jié)合參數(shù)化初猜譜算法,獲得的有效波高與浮標(biāo)數(shù)據(jù)對(duì)比,STD分別為0.62m。該結(jié)果誤差在可接受范圍內(nèi),表明參數(shù)化初猜譜算法同樣適用于HH極化圖像。另外,通過(guò)200幅HH極化Sentinel-1 SAR圖像調(diào)制了三種基于經(jīng)驗(yàn)關(guān)系的有效波高提取算法,CSAR_WAVE_S、CSAR_WAVE_G以及CWAVE_SEN,將上述三種經(jīng)驗(yàn)算法分別應(yīng)用于HH極化SAR圖像的有效波高提取,與NDBC浮標(biāo)數(shù)據(jù)對(duì)比,得到有效波高STD分別為0.57m,0.59m,0.59m,進(jìn)而可以發(fā)現(xiàn),基于截?cái)嗖ㄩL(zhǎng)反演有效波高的CSAR_WAVE_S經(jīng)驗(yàn)算法能夠在不需要附加信息的情況下,獲得較高準(zhǔn)確度的有效波高。
【圖文】：

本文采用的數(shù)據(jù)包括歐洲太空局 ESA 提供的 Sentinel-1 SAR 圖像與歐洲中氣預(yù)報(bào)中心 ECMWF 提供的模式風(fēng)場(chǎng)、海浪數(shù)據(jù)以及美國(guó)國(guó)家數(shù)據(jù)浮標(biāo)中心（NaData Buoy Center, NDBC）的浮標(biāo)風(fēng)場(chǎng)、海浪數(shù)據(jù)。2014 年 4 月 3 日， 通過(guò)聯(lián)盟號(hào)火箭，Sentinel-1A 衛(wèi)星成功發(fā)射，該衛(wèi)星是航天局哥白尼對(duì)地觀測(cè)計(jì)劃的一部分，同年 9 月 23 日，數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)程序順過(guò)驗(yàn)收，并開(kāi)始向全球分發(fā)。兩年后，2016 年 4 月 25 日，Sentinel-1B 衛(wèi)星發(fā)射成同樣的，Sentinel-1B 攜帶的也是 C 波段合成孔徑雷達(dá)。C 波段的波長(zhǎng)范圍在 X與 L 波段之間，探測(cè)性能兼顧地物表面信息以及穿透性能，可以廣泛應(yīng)用于災(zāi)害方面[48]，特別在應(yīng)急管理中，C 波段表現(xiàn)突出。從 2016 年起，，Sentinel-1 衛(wèi)星構(gòu)座，將原有重訪周期 12 天縮短為原來(lái)的一半，目前 Sentinel-1 的重訪周期為 6 天大地提高了對(duì)地球上相同位置的觀測(cè)頻率[49]�，F(xiàn)階段，Sentinel-1 是唯一免費(fèi)對(duì)外開(kāi)放的數(shù)據(jù)源，世界各地的科研人員可到包括 VV-VH 極化或者 HH-HV 極化的 SAR 數(shù)據(jù)。圖 3-1 是 Sentinel-1 數(shù)據(jù)下站（https://scihub.copernicus.eu/dhus/#/home）示意圖。

共收集 95 幅 VV 極化 Sentinel-1 SAR 圖像，其中 45，每幅圖像至少對(duì)應(yīng)覆蓋一個(gè) NDBC 浮標(biāo)觀測(cè)點(diǎn)，浮標(biāo)點(diǎn)對(duì)應(yīng) SA浮標(biāo)的觀測(cè)時(shí)間與 SAR 成像時(shí)間相近，兩者時(shí)間相距不超過(guò) 30 分中，總共有 52 個(gè)匹配的浮標(biāo)觀測(cè)點(diǎn)，由于浮標(biāo)觀測(cè)的是海表 5 m，需要轉(zhuǎn)化成高度為 10 m 處的風(fēng)場(chǎng)。具體的轉(zhuǎn)換公式如下：201 0ln( / )ln( / )mUz zU z z 2 是高度在 z 處的風(fēng)速，1U 是已知高度在mz 處的風(fēng)速，也就是通過(guò)速，0z 是粗糙長(zhǎng)度，一般取常數(shù)[15,16]，0z 0.000152。到的浮標(biāo)風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)如圖 3-3 所示，收集到的風(fēng)速均低于 20 m/s，屬，在該風(fēng)速條件下，不會(huì)造成雷達(dá)后向散射信號(hào)的飽和，可以采用風(fēng)場(chǎng)反演。收集到的浮標(biāo)有效波高的范圍為 0～4 m，散射指數(shù)為 的范圍為 3～10 s，散射指數(shù)為 21.1%。具體的統(tǒng)計(jì)圖如圖 3-4 所示
【學(xué)位授予單位】：浙江海洋大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：P731.22

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本文編號(hào)：2661462