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基于波谱仪观测和再分析数据的热带气旋海浪有效波高数据重构研究

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热带海洋学报 2024年

作者：任宇恒高源王运华孙建中国海洋大学信息科学与工程学部中国海洋大学海洋与大气学院

有效波高数据是研究热带气旋海浪预测方法和反演技术的前提,本文利用中法海洋卫星波谱仪（surface waves investigation and monitoring, SWIM）高精度有效波高观测数据,校正ERA5再分析数据在高海况下低估有效波高的误差,为构建高精度... 详细信息

有效波高数据是研究热带气旋海浪预测方法和反演技术的前提,本文利用中法海洋卫星波谱仪（surface waves investigation and monitoring, SWIM）高精度有效波高观测数据,校正ERA5再分析数据在高海况下低估有效波高的误差,为构建高精度、大样本量的热带气旋海浪有效波高数据集提供了一种可靠方法。首先,由于ERA5与SWIM数据存在时空分辨率差异,本文利用经纬度变换和反距离加权法空间插值对两种数据进行时空匹配。然后,通过数据对比得到了ERA5误差随SWIM有效波高增大而增大的相关关系,进而使用线性回归方法构建了从ERA5到SWIM的有效波高重构方程。最后,使用两处NDBC浮标数据对重构方程进行了验证,结果表明,对于5m以上海浪, ERA5有效波高数据的均方根误差分别从重构前的1.65m和1.08m降低到重构后的1.18m和0.71m,证明了重构方程的有效性。

关键词：波谱仪 ERA5 有效波高热带气旋

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基于微透镜阵列的光谱成像系统设计与实现

光学学报 2024年

作者：李东睿刘金涛吴松华中国海洋大学信息科学与工程学部海洋技术学院中国海洋大学信息科学与工程学部电子工程学院崂山实验室

文章研制了基于微透镜阵列的快照式光谱成像系统，采用微透镜阵列对像平面进行分割与积分、楔形棱镜进行色散，从而实现在单次曝光时间内对二维空间的三维光谱成像；系统在二维空间范围内包含12000个通道，光谱维覆盖范围为450 nm—685... 详细信息

文章研制了基于微透镜阵列的快照式光谱成像系统，采用微透镜阵列对像平面进行分割与积分、楔形棱镜进行色散，从而实现在单次曝光时间内对二维空间的三维光谱成像；系统在二维空间范围内包含12000个通道，光谱维覆盖范围为450 nm—685 nm，理论最小分辨率为25 nm。通过对微透镜阵列积分的理论分析与光线追迹仿真，得出不同入射锥角对微透镜阵列在积分效果的影响；对准直与聚焦透镜焦距对系统光谱分辨能力的计算与光线追迹仿真，得出适当提升准直透镜焦距有助于提升系统光谱分辨能力，从而为系统成像镜头、准直以及聚焦镜头参数的选择提供了一定的理论依据。分别使用6种不同中心波长的带通滤色片对各波段下光斑中心位置进行定标，验证光线追迹结果；利用不同间距条纹进行系统空间分辨率测试，三维光谱图像和二维空间图像对30 m处目标可以分别提供1.2 mm和0.5 mm的空间分辨率。利用24色色板进行三维光谱成像测试，得到了不同波段下的光谱图像结果；验证了该系统能够满足设计要求，为对地三维光谱成像提供了一种可行性方案。

关键词：多光谱成像微透镜阵列成像光谱仪场积分式光谱成像快照式光谱成像

相干差分吸收二氧化碳激光雷达仿真与误差分析

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光学学报 2024年第6期44卷 145-156页

作者：李因营陈相成于翠荣戴光耀吴松华中国海洋大学信息科学与工程学部海洋技术学院山东青岛266100 青岛镭测创芯科技有限公司山东青岛266101 崂山实验室山东青岛266237 中国海洋大学海洋高等研究院山东青岛266100

阐述了相干差分吸收激光雷达(CDIAL)探测大气二氧化碳(CO_(2))的原理,设计了1.57μm波段微脉冲相干探测系统,并对系统的回波信号进行了仿真。通过仿真计算分别探究了温度、压力、波长等因素对差分光学厚度计算及CO_(2)体积分数的反演精... 详细信息

阐述了相干差分吸收激光雷达(CDIAL)探测大气二氧化碳(CO_(2))的原理,设计了1.57μm波段微脉冲相干探测系统,并对系统的回波信号进行了仿真。通过仿真计算分别探究了温度、压力、波长等因素对差分光学厚度计算及CO_(2)体积分数的反演精度的影响。仿真结果显示:当波长漂移为0.5 pm、温度不确定度为1 K、压强不确定度为1 h Pa、水汽体积分数测量不确定度为10%时,这些参数引起的总体误差为0.45%;在大气中CO_(2)的体积分数为4×10^(-4)时,微脉冲相干激光雷达探测CO_(2)体积分数的测量误差约为1.8×10^(-6)。

关键词：大气光学二氧化碳体积分数相干差分吸收激光雷达仿真与性能评估

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中尺度涡调制下全球海洋遥感特征相关性分析

遥感学报 2024年第8期28卷 2002-2013页

作者：黄春铭陈笑炎王璇陈戈中国海洋大学信息科学与工程学部青岛266100 青岛海洋科学与技术国家实验室青岛266100 潍坊学院物理与光电学院潍坊261061

本文旨在探寻反气旋性涡旋(AE)、气旋性涡旋(CE)调制下海表特征的相关性分布及其与涡旋外部(OE)区域的差异,为进一步厘清中尺度涡对海气界面的调制机制,改进海洋数值模拟提供理论依据。本文利用2010年—2019年长时序遥感观测数据以及皮... 详细信息

本文旨在探寻反气旋性涡旋(AE)、气旋性涡旋(CE)调制下海表特征的相关性分布及其与涡旋外部(OE)区域的差异,为进一步厘清中尺度涡对海气界面的调制机制,改进海洋数值模拟提供理论依据。本文利用2010年—2019年长时序遥感观测数据以及皮尔逊积距相关系数、涡旋识别等方法,系统分析了全球中尺度涡调制下海表温度异常、海面高度异常、叶绿素浓度异常、风速异常4种参数相关性的时空分布特征及其差异。结果表明各参数之间相关性分布赤道太平洋地区相关性最强,印度洋地区以及北美洲西南岸相关性较为显著,其他地区相关性偏弱,且各参数分布呈现出较强的涡旋信号。此外,各参数的相关系数在OE中相比于CE以及AE内部降低0.2左右,相关系数分布的平滑程度约为AE与CE中相关系数分布的20倍,且相关性相反两区域之间存在明显的过渡区域。可以得出结论中尺度涡调制下各参数的相关性分布表现很强的地域特征,其差异主要表现在相关程度以及整体平滑性方面。

关键词：遥感观测中尺度涡耦合分析海表温度海面高度叶绿素浓度风速

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面向遥感视觉问答的尺度引导融合推理网络

软件学报 2024年第5期35卷 2133-2149页

作者：赵恩源宋宁聂婕王鑫郑程予魏志强中国海洋大学信息科学与工程学部山东青岛266100 清华大学计算机科学与技术系北京100084 青岛海洋科技中心山东青岛266061

遥感视觉问答(remote sensing visual question answering,RSVQA)旨在从遥感图像中抽取科学知识.近年来,为了弥合遥感视觉信息与自然语言之间的语义鸿沟,涌现出许多方法.但目前方法仅考虑多模态信息的对齐和融合,既忽略了对遥感图像目... 详细信息

遥感视觉问答(remote sensing visual question answering,RSVQA)旨在从遥感图像中抽取科学知识.近年来,为了弥合遥感视觉信息与自然语言之间的语义鸿沟,涌现出许多方法.但目前方法仅考虑多模态信息的对齐和融合,既忽略了对遥感图像目标中的多尺度特征及其空间位置信息的深度挖掘,又缺乏对尺度特征的建模和推理的研究,导致答案预测不够全面和准确.针对以上问题,提出一种多尺度引导的融合推理网络(multi-scale guided fusion inference network,MGFIN),旨在增强RSVQA系统的视觉空间推理能力.首先,设计基于Swin Transformer的多尺度视觉表征模块,对嵌入空间位置信息的多尺度视觉特征进行编码;其次,在语言线索的引导下,使用多尺度关系推理模块以尺度空间为线索学习跨多个尺度的高阶群内对象关系,并进行空间层次推理;最后,设计基于推理的融合模块来弥合多模态语义鸿沟,在交叉注意力基础上,通过自监督范式、对比学习方法、图文匹配机制等训练目标来自适应地对齐融合多模态特征,并辅助预测最终答案.实验结果表明,所提模型在两个公共RSVQA数据集上具有显著优势.

关键词：遥感视觉问答多模态智能融合多模态推理多尺度表征

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基于SNPP/VIIRS卫星数据的海温锋检测算法研究

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中国海洋大学学报（自然科学版） 2024年第9期54卷 21-29页

作者：于杰管磊中国海洋大学三亚海洋研究院海南三亚572024 中国海洋大学信息科学与工程学部海洋技术学院山东青岛266100

本文采用SNPP/VIIRS(Suomi national polar-orbiting partnership/Visible infrared imaging radiometer suite)卫星海表温度数据对锋面检测算法进行对比分析,包括Sobel算法、Canny算法、引力模型法、直方图分析法和熵算法。通过分析上述算法中间结果、单日海温锋检测结果以及月度锋面概率分布的差别与特征,再结合各算法特点发现,在锋面识别中由于各算法的底层逻辑不同,造成了对海温锋定义难以统一的问题,因此各算法检测出的海温锋各有特点,适合不同的研究和应用需求,实际应用时要根据研究需要和实际情况选择合适的算法。各算法的特点为:Canny算法、引力模型法、Sobel算法、熵算法对强锋面的检测能力依次递减,对弱锋面的检测能力依次递增,抗噪性递减,直方图分析法检测出的锋面表现出较强的连续性,锋面光滑、清晰且连贯,抗噪性较好;各算法适用场合为:以梯度计算为基础的Sobel算法或者其他梯度类算法适用于精确计算温度变化程度的应用场景,Canny算法适用于强锋面的研究,引力模型法适用于应用噪声较大的数据检测锋面或者强锋面的检测,熵算法适用于弱锋面的检测,直方图分析法比较适合分析连续的长锋面。

关键词：卫星海表温度海温锋锋面检测算法

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面向海浪遥感卫星标定的漂流波浪浮标关键技术研究

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航天器工程 2024年第1期33卷 146-152页

作者：温琦李洋马昕李俊漾王暖升中国海洋大学信息科学与工程学部山东青岛266100 中国海洋大学物理海洋教育部重点实验室山东青岛266100 中国海洋大学海洋与大气学院山东青岛266100

在精细化海洋观测领域,遥感卫星海浪方向谱的获取存在精度低、累积误差大等问题,设计了一种基于Transformer神经网络的海浪方向谱估计方法,通过引入稀疏自注意力机制以及物理引导模块等,实现海浪方向谱的高精度表达;海上试验测试结果表... 详细信息

在精细化海洋观测领域,遥感卫星海浪方向谱的获取存在精度低、累积误差大等问题,设计了一种基于Transformer神经网络的海浪方向谱估计方法,通过引入稀疏自注意力机制以及物理引导模块等,实现海浪方向谱的高精度表达;海上试验测试结果表明,新提出的海浪方向谱估计方法与传统海浪方向谱估计方法相比,文章提出的模型估计方向谱更符合理论谱形,伪峰较少,平滑性和一致性方面表现较好,并且对数据噪声的容忍度更高。同时,设计了一种基于人工智能芯片的漂流波浪浮标系统,通过AI软硬件系统对不同任务进行动态调度分配,实现浮标低功耗运行,有效提升了波浪测量性能及海上工作时间,是遥感卫星高精度获取大范围、长时序全球性海洋观测数据的一种有效补充。

关键词：方向谱漂流浮标海洋观测遥感定标

基于多普勒激光雷达的青岛地区大气物质边界层高度反演与分析

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光学学报 2024年第6期44卷 64-78页

作者：王俊博王筱晔任超孙康闻尹嘉萍范梦奇戴光耀吴松华中国海洋大学信息科学与工程学部海洋技术学院山东青岛266100 北京航空气象研究所北京100085 青岛镭测创芯科技有限公司山东青岛266100 崂山实验室山东青岛266237 中国海洋大学海洋高等研究院山东青岛266100

为了提升大气物质边界层高度(AMBLH)的识别准确性,基于2020年11月至2021年11月在青岛开展的大气边界层(ABL)观测实验,提出了一种基于相干多普勒激光雷达(CDL)信噪比数据的AMBLH的综合反演方法,并应用此方法反演得到了青岛地区的AMBLH,... 详细信息

为了提升大气物质边界层高度(AMBLH)的识别准确性,基于2020年11月至2021年11月在青岛开展的大气边界层(ABL)观测实验,提出了一种基于相干多普勒激光雷达(CDL)信噪比数据的AMBLH的综合反演方法,并应用此方法反演得到了青岛地区的AMBLH,其与探空仪反演结果的相关度为0.93。分析了青岛一年内的AMBLH发展情况,发现各月份AMBLH均有日变化特征,其中6、7月特征相对较弱,推测这与夏季来自海洋的东南风盛行有关。AMBLH月均值在全年呈起伏波动趋势,在冬末至春初、夏末至秋初的阶段逐步增大。AMBLH月均中位数4月最高、6月最低,AMBLH季度发展程度由高到低的顺序为春季、冬季、秋季、夏季,其中春季和冬季高度相近。AMBLH各季度日变化中抬升趋势出现的时间为夏季早于春季,秋季与春季相近并早于冬季。

关键词：大气光学相干多普勒激光雷达大气物质边界层高度综合反演方法

基于卫星遥感数据的RA-BP神经网络三维海温反演方法

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中国海洋大学学报（自然科学版） 2024年第7期54卷 1-11页

作者：万江岳于华明张辰宇温琦中国海洋大学三亚海洋研究院海南三亚572024 中国海洋大学海洋与大气学院山东青岛266100 中国海洋大学信息科学与工程学部计算机科学与技术学院山东青岛266100

本文利用2005—2017年的实测海温数据和卫星观测数据,构建了基于RA-BP神经网络的三维海温反演模型,对2018年印度洋东北部和太平洋西部研究海域海温剖面进行了反演,并与回归分析法和基础BP神经网络反演海温结果进行了对比分析。以均方根... 详细信息

本文利用2005—2017年的实测海温数据和卫星观测数据,构建了基于RA-BP神经网络的三维海温反演模型,对2018年印度洋东北部和太平洋西部研究海域海温剖面进行了反演,并与回归分析法和基础BP神经网络反演海温结果进行了对比分析。以均方根误差和Pearson系数作为检验指标,结果显示所有模型反演海温剖面与实测海温剖面的Pearson系数均在0.99以上。对混合层、温跃层、中深层三个水深范围,RA-BP神经网络模型在印度洋东北部研究区域的均方根误差(RMSE)均值分别为0.32、0.76和0.17℃,在太平洋西部研究区域的RMSE均值分别为0.24、1.01和0.24℃,单个剖面的RMSE在0.6℃以下。这表明在研究海域,基于实测海温数据和卫星遥感数据构建的RA-BP神经网络模型是可行的,且具有良好的反演精度。

关键词：海表温度绝对动力高度回归分析神经网络三维海温反演

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