SeaWinds散射計(jì)風(fēng)矢量反演的象元篩選、濾波方法和系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及海洋遙感領(lǐng)域，特別是涉及一種SeaWinds散射計(jì)風(fēng)矢量反演的象元 篩選、濾波方法和系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 海風(fēng)是作用在海洋表層的重要?jiǎng)恿σ蜃樱?qū)動(dòng)著海洋從海面波到深層洋流系統(tǒng)的 各種尺度的海洋運(yùn)動(dòng)，小則形成海洋波浪，大則推動(dòng)洋流發(fā)展。海風(fēng)通過(guò)調(diào)節(jié)海水與大氣之 間的熱量、水汽和化學(xué)物質(zhì)的交換，來(lái)調(diào)整海-氣耦合作用，維持全球和區(qū)域氣候模式，該 耦合作用對(duì)全球和區(qū)域氣候有重要影響，甚至能引起全球環(huán)境的變化，如厄爾尼諾現(xiàn)象。而 且，海風(fēng)可以納入到區(qū)域或全球的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)，提高天氣預(yù)報(bào)的能力。因此，獲得高 精度、高時(shí)空分辨率的海風(fēng)數(shù)據(jù)對(duì)于海洋動(dòng)力學(xué)、氣象、氣候?qū)W研究和人類(lèi)合理利用風(fēng)能資 源具有十分重要的科研價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。
[0003] 海面風(fēng)場(chǎng)的常規(guī)觀測(cè)系統(tǒng)主要通過(guò)船舶、海上浮標(biāo)及沿岸站等。對(duì)于覆蓋全球面 積70%的海洋而言，常規(guī)手段獲得的風(fēng)場(chǎng)資料十分有限而且花費(fèi)巨大。衛(wèi)星遙感技術(shù)為海 面風(fēng)場(chǎng)的測(cè)量提供了一個(gè)全新的手段，它具有覆蓋面廣、觀測(cè)連續(xù)、受天氣影響小等優(yōu)點(diǎn)， 已經(jīng)進(jìn)入業(yè)務(wù)化運(yùn)行。能夠提供全球海面風(fēng)場(chǎng)信息的星載傳感器包括散射計(jì)、微波輻射計(jì)、 合成孔徑雷達(dá)（SAR)、衛(wèi)星高度計(jì)，但只有散射計(jì)能大范圍同時(shí)提供包括風(fēng)速大小和風(fēng)向在 內(nèi)的完整的風(fēng)矢量信息。
[0004] 散射計(jì)反演風(fēng)場(chǎng)分為三個(gè)個(gè)步驟：第一步，建立地球物理模型函數(shù)（geophysical modelfunction,GMF)，第二步，由地球物理模型函數(shù)反演得到2-4個(gè)模糊解，第三步，采用 圓中數(shù)濾波方法去除模糊解，得到唯一的真解。圓中數(shù)濾波算法有效運(yùn)行的前提條件是濾 波窗口中的風(fēng)矢量誤差比較大（風(fēng)向反演誤差大于45度）的象元數(shù)目不能超過(guò)一半。由 于高風(fēng)速時(shí)SeaWinds散射計(jì)觀測(cè)的反演誤差整體較大，因而在使用圓中數(shù)濾波算法時(shí)，濾 波窗口中反演誤差較大的象元數(shù)目往往超過(guò)一半，使得圓中數(shù)濾波效果不佳，使得最終反 演誤差偏高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種SeaWinds散射計(jì)風(fēng)矢量反演的象元篩選方法和 系統(tǒng)，可以有助于提高高風(fēng)速情形下的風(fēng)矢量反演精度。
[0006] 本發(fā)明的這一目的通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
[0007] -種SeaWinds散射計(jì)風(fēng)矢量反演的象元篩選方法，包括如下步驟：
[0008] 確定SeaWinds散射計(jì)風(fēng)矢量反演中的象元的各模糊解以及各所述模糊解的總灰 度值；
[0009] 將各所述模糊解與數(shù)值風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，找出與數(shù)值風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)最接近的目標(biāo)模 糊解；
[0010] 判斷所述目標(biāo)模糊解的總灰度值是否大于預(yù)設(shè)的灰度閾值；
[0011] 若是，對(duì)所述象元作一標(biāo)記。
[0012] -種SeaWinds散射計(jì)風(fēng)矢量反演的象元篩選系統(tǒng),包括：
[0013] 處理模塊，用于確定SeaWinds散射計(jì)風(fēng)矢量反演中的象元的各模糊解以及各所 述模糊解的總灰度值；
[0014] 對(duì)比模塊，用于將各所述模糊解與數(shù)值風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，找出與數(shù)值風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù) 最接近的目標(biāo)模糊解；
[0015] 第一判斷模塊，用于判斷所述目標(biāo)模糊解的總灰度值是否大于預(yù)設(shè)的灰度閾值；
[0016] 標(biāo)記模塊，用于在所述第一判斷模塊的判斷結(jié)果為是時(shí)，對(duì)所述象元作一標(biāo)記。
[0017] 根據(jù)上述本發(fā)明的方案，其是首先確定象元的各模糊解及其相應(yīng)的總灰度值，再 通過(guò)將各模糊解與數(shù)值風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比獲得目標(biāo)模糊解，判斷該目標(biāo)模糊解的總灰度值 是否大于預(yù)設(shè)的灰度閾值，若是，對(duì)象元作一標(biāo)記，SeaWinds散射計(jì)風(fēng)矢量反演中的各象元 都可以按照這種方式進(jìn)行篩選，最后得到的有標(biāo)記的象元即為篩選出的反演誤差較小的象 元，可以基于這些象元進(jìn)行圓中數(shù)濾波，由于篩選過(guò)程可有效剔除風(fēng)矢量反演誤差較大的 象元，從而較大程度地提高了圓中數(shù)濾波算法的精度，即提高了最終的風(fēng)矢量反演精度。
[0018] 本發(fā)明的另一目的在于提供一種SeaWinds散射計(jì)風(fēng)矢量反演的濾波方法和系 統(tǒng)，可以有助于提高高風(fēng)速情形下的風(fēng)矢量反演精度。
[0019] 本發(fā)明的這一目的通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
[0020] -種SeaWinds散射計(jì)風(fēng)矢量反演的濾波方法，包括如下步驟：
[0021] 采用如上所述的SeaWinds散射計(jì)風(fēng)矢量反演的象元篩選方法對(duì)SeaWinds散射計(jì) 風(fēng)矢量反演中的象元進(jìn)行篩選；
[0022] 選取濾波窗口，獲取該濾波窗口中的有標(biāo)記的象元數(shù)目；
[0023] 判斷所述象元數(shù)目是否大于零；
[0024] 若是，則根據(jù)所述象元數(shù)目對(duì)應(yīng)的預(yù)設(shè)計(jì)算方式計(jì)算所述濾波窗口的風(fēng)矢量；
[0025] 若否，則根據(jù)L2B數(shù)據(jù)的獲得所述濾波窗口的風(fēng)矢量。
[0026] -種SeaWinds散射計(jì)風(fēng)矢量反演的濾波系統(tǒng)，包括如上所述的SeaWinds散射計(jì) 風(fēng)矢量反演的象元篩選系統(tǒng)，還包括：
[0027] 選取模塊，用于選取濾波窗口，獲取該濾波窗口中的有標(biāo)記的象元數(shù)目；
[0028] 第二判斷模塊，用于判斷所述象元數(shù)目是否大于零；
[0029] 濾波模塊，用于在所述第二判斷模塊的判斷結(jié)果為是時(shí)，根據(jù)所述象元數(shù)目對(duì)應(yīng) 的預(yù)設(shè)計(jì)算方式計(jì)算所述濾波窗口的風(fēng)矢量，在所述第二判斷模塊的判斷結(jié)果為否時(shí)，根 據(jù)L2B數(shù)據(jù)的獲得所述濾波窗口的風(fēng)矢量。
[0030]根據(jù)上述本發(fā)明的方案，其是首先采用如上所述的SeaWinds散射計(jì)風(fēng)矢量反演 的象元篩選方法對(duì)高風(fēng)速情形下SeaWinds散射計(jì)風(fēng)矢量反演中的象元進(jìn)行篩選，再選取 濾波窗口，獲取該濾波窗口中的有標(biāo)記的象元數(shù)目，判斷所述象元數(shù)目是否大于零，若是， 則根據(jù)所述象元數(shù)目對(duì)應(yīng)的預(yù)設(shè)計(jì)算方式計(jì)算所述濾波窗口的風(fēng)矢量，若否，則根據(jù)L2B 數(shù)據(jù)的獲得所述濾波窗口的風(fēng)矢量，由于篩選過(guò)程可有效剔除濾波窗口中的風(fēng)矢量反演誤 差較大的象元，從而較大程度地提高了圓中數(shù)濾波算法的精度；同時(shí)，由于高風(fēng)速情形下反 演誤差很大的象元出現(xiàn)幾率較大，在整個(gè)濾波窗口中總灰度值大于設(shè)定的灰度閾值的象元 的數(shù)目并不穩(wěn)定，可能為〇,可能為1，也可能為2,根據(jù)不同的象元數(shù)目對(duì)應(yīng)的計(jì)算方式計(jì) 算得到濾波窗口的風(fēng)矢量，也提高了最終的風(fēng)矢量反演精度。
【附圖說(shuō)明】
[0031] 圖1為SeaWinds散射計(jì)地球物理模型函數(shù)的以雷達(dá)后向散射系數(shù)和相對(duì)方位角 為坐標(biāo)的模型表；
[0032] 圖2為同一象元觀測(cè)值在風(fēng)矢量解空間中的圖譜示意圖；
[0033] 圖3為本發(fā)明的SeaWinds散射計(jì)風(fēng)矢量反演的象元篩選方法實(shí)施例的流程示意 圖；
[0034] 圖4為模糊解區(qū)域交點(diǎn)分布示意圖；
[0035] 圖5為確定模糊解的總灰度值的方式在其中一個(gè)實(shí)施例中的流程示意圖；
[0036] 圖6為圖譜算法風(fēng)矢量反演誤差與總灰度關(guān)系示意圖；
[0037] 圖7為本發(fā)明的SeaWinds散射計(jì)風(fēng)矢量反演的濾波方法實(shí)施例的流程示意圖；
[0038] 圖8為本發(fā)明的SeaWinds散射計(jì)風(fēng)矢量反演的象元篩選系統(tǒng)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意 圖；
[0039] 圖9為圖8中的處理模塊在其中一個(gè)實(shí)施例中的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0040] 圖10為本發(fā)明的SeaWinds散射計(jì)風(fēng)矢量反演的濾波系統(tǒng)實(shí)施例的流程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0041] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本 發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的【具體實(shí)施方式】?jī)H僅用以解釋本發(fā)明， 并不限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0042] 為了便于理解本發(fā)明的方案，以下首先對(duì)傳統(tǒng)的散射計(jì)風(fēng)場(chǎng)反演方式進(jìn)行說(shuō)明。
[0043] 1)傳統(tǒng)風(fēng)場(chǎng)反散射計(jì)風(fēng)場(chǎng)反演方式的一般步驟
[0044] 傳統(tǒng)風(fēng)場(chǎng)反散射計(jì)風(fēng)場(chǎng)反演方式可分為三個(gè)步驟：建立地球物理模型函數(shù)，風(fēng)矢 量解搜索（反演算法）以及風(fēng)矢量模糊解去除。從1978年第一顆專(zhuān)門(mén)用于海洋遙感的衛(wèi)星 SEASAT-A發(fā)射到現(xiàn)在，國(guó)外學(xué)者提出了多種用于散射計(jì)海面風(fēng)場(chǎng)遙感的模型函數(shù)及反演算 法。由于地球物理模型函數(shù)的雙調(diào)和特性以及觀測(cè)中存在的誤差，使得風(fēng)矢量搜索的結(jié)果 不唯一，而是存在1-4個(gè)極小值，稱(chēng)為模糊解。由于從單一象元很難獲得足夠的信息將其排 除，因而需要一個(gè)獨(dú)立的模糊解去除程序，將其排除以便獲得唯一的真解。
[0045] 2)散射計(jì)工作的基本原理
[0046] 散射計(jì)是一種特殊的主動(dòng)微波傳感器，主要是用來(lái)獲取海面雷達(dá)截面積等多個(gè)測(cè) 量數(shù)據(jù)。通過(guò)向地表發(fā)射一定波長(zhǎng)的微波，將那些在同一地面單元具有不同幾何觀測(cè)參數(shù) 的測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái)，經(jīng)過(guò)一定處理而獲得該單元海面風(fēng)速和風(fēng)向。散射計(jì)對(duì)海面風(fēng)矢量 的測(cè)量是一種間接關(guān)系。
[0047] 海面微波散射主要有兩種機(jī)制：當(dāng)入射角小于20°時(shí)，微波回向散射主要是鏡面 反射；當(dāng)入射角大于20°時(shí)，微波回向散射主要是布拉格散射。而散射計(jì)的入射角一般大 于20°，如SeaWinds散射計(jì)內(nèi)外兩波束的入射角分別為46°和54°，所以散射計(jì)工作時(shí)， 海面微波散射以布拉格散射為主。在入射波長(zhǎng)為微波的條件下，能引起布拉格散射的只能 是疊加于海浪上的厘米波或毛細(xì)波，而且布拉格散射與厘米波波峰與雷達(dá)視線(xiàn)之間的夾角 有很大的相關(guān)性。
[0048] 風(fēng)從大氣向海面?zhèn)鬟f動(dòng)量時(shí)，會(huì)使海面變得粗糙，形成小尺度的厘米波，厘米波數(shù) 量與海面上的磨擦風(fēng)速成正比相關(guān)，而厘米波波峰方向?qū)︼L(fēng)向敏感，所以能通過(guò)對(duì)微米波 的觀測(cè)來(lái)反推出海面的風(fēng)矢量與風(fēng)向。散射計(jì)就是測(cè)量海面的后向散射能量大小，并估算 標(biāo)準(zhǔn)化的海面雷達(dá)截面積NRCS(NormalizedRadarCrossSection)。
[0049] 3)海面風(fēng)場(chǎng)反演的地球物理模型函數(shù)
[0050] 利用散射計(jì)在不同的參數(shù)條件下（入射角和極化方式）測(cè)得的海面后徑雷達(dá)散射 截面積進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)反演，需要知道海面雷達(dá)后向散射截面積（NRCS)和風(fēng)速、相對(duì)方位角（風(fēng) 向與雷達(dá)觀測(cè)方向之間的夾角）、入射角以及極化方式等幾個(gè)變量之間的關(guān)系。模型函數(shù)的 目的就是準(zhǔn)確描述雷達(dá)后向散射截面積（NRCS)與海面環(huán)境參數(shù)和儀器參數(shù)的關(guān)系。模型 函數(shù)對(duì)于散射計(jì)的設(shè)計(jì)及反演算法具有關(guān)鍵的作用，它的精度可大大地影響到風(fēng)場(chǎng)反演的 精度以及散射計(jì)設(shè)計(jì)的可行性等重要問(wèn)題。
[0051] 從第一顆專(zhuān)門(mén)用于海洋遙感的衛(wèi)星SEASAT發(fā)射到現(xiàn)在，人們不斷提出用于散射 計(jì)海面風(fēng)場(chǎng)遙感的模型函數(shù)和反演方法，模型函數(shù)的非線(xiàn)性決定了風(fēng)場(chǎng)反演方法