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《武汉大学》 2016年
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基于ZY-3光学影像的海浪参数提取算法研究

袁策  
【摘要】:气候变化和海洋环境污染加剧了海浪的破坏性,准确地掌握海洋环境要素分布变化规律,特别是及时地掌握海洋表面海浪的变化情况。这与海上航行安全、海洋渔业、环境变化和近岸工程都有着密切的关系,具有十分重要的科学意义和实用价值。常用于海浪波参数监测的方法包括海浪浮标、高度计、合成孔径雷达和光学卫星。浮标监测主要针对点或者线阵进行观测,覆盖范围小、难度大,但数据精度比较高。合成孔径雷达具有穿透云观测的能力,能提供全天候、全时相观测数据的优势而被广泛应用于海浪监测。但是,合成孔径雷达获取的数据分析、解译比较困难,且成本较高。高分辨率光学影像的出现,它能直接地显示出影像上可辨识的信息,且光学影像的分析、解译容易、数据获取方便等优点逐渐地被广泛地应用到海洋领域。本论文通过对已有从光学影像中提取海浪波参数研究的分析,发现存在这些问题:第一,海浪波射线追踪过程中,滑动窗口内会出现多个波峰点的现象;第二,不应用交叉海浪谱数据或者其他外部观测数据的辅助,难以有效地解决180°波模糊的问题;第三,有效波高模型的构建依赖于模式转换函数或者外部其他观测数据辅助。针对以上存在的问题,本论文提出了基于海浪条带特征的峰波长和方向提取方法和基于海浪阴影的有效波高提取方法。海浪峰波长和方向的提取是根据资源三号光学影像中海浪的条带特征,采用伪高帽操作算子过滤影像,通过增强波峰条带和波谷条带的灰度对比和消弱波峰条带的宽度使其为1像素,在空间域中直接提取海浪的峰波长和方向。该方法不仅克服了滑动窗体内多峰点的现象,还解决了180°波方向模糊的问题。有效波高的提取是根据光学影像成像原理和海浪自成影理论,通过从资源三号光学影像中提取海浪的阴影,计算出海浪坡面上任一点被光照的概率;根据海浪阴影函数中任意波峰点被光照的概率与其坡度均方根的关系,直接计算出海浪坡面上任一波峰点的坡度均方根;最后根据海浪的有效波高与海浪坡度均方根、海浪平均周期之间的关系,计算出海浪的有效波高。有效波高建模过程中用到的所有参数,都是从资源三号卫星提供的快照数据中提取和计算,摆脱了对模式转换函数的依赖,也不需要其他观测数据的辅助。应用不同海况下、不同地点的资源三号光学影像数据进行了实验,通过与浮标实测数据、海浪预报模式数据对比和验证。实验结果显示与浮标数据比较,有效波高的最大误差是0.27米;海浪波峰方向的最大误差是4°;与海浪模式数据比较,长涌浪海况下,有效波高数据的浮动偏差最小;中浪海况下,有效波高数据的浮动偏差较大。但是从资源三号光学影像中提取的有效波高与预报数据和波浪等级描述特征一致。这都证实了本论文提出的基于ZY-3影像海浪特征的波参数提取方法的有效性和实用性,体现了资源三号卫星具有监测海浪变化的能力,也显示了光学影像在海洋表面变换监测领域的深入应用。
【学位授予单位】:武汉大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:P714.1

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