基于Sentinel-1A卫星SAR图像的海面风矢量反演研究

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海面风场是海气交互界面的重要物理参数,与海洋中绝大多数的海水运动密切相关。海面风场还是海气相互作用的重要媒介,调节了海水和大气之间的物质以及能量输送,对全球气候调节也有着十分重要的作用。  船舶、浮标等观测手段花费高昂,加上海洋面积巨大,可获得的现场海面风场数据十分有限,很难满足大面积海面风场的观测需求。日益发展的卫星遥感技术,为大面积观测风场提供了可能,微波散射计已经成为大面积获取全球海面风场的最重要遥感手段之一,不过微波散射计的空间分辨率通常为25-50km,难以满足对高分辨风场的需求。相比于散射计或辐射计,合成孔径雷达(SAR)同样具有全天时、全天候观测海洋的能力,同时其通过距离向的脉冲压缩和方位向的孔径合成实现更高的二维空间分辨率,利用SAR可以实现包括近岸水域在内的高分辨率风场反演。  渐进扫描式对地观测(TOPSAR)模式,是一种新型的高质量宽幅成像方法,新一代的S entinel-1卫星星座是首次采用TOPSAR模式的C波段SAR卫星。本文利用Sentinel-1A卫星宽幅SAR图像开展了不同分辨率的风矢量反演研究,并引入WindSat辐射计风场数据和浮标数据进行对比分析,从应用层面验证其宽幅数据产品的品质。在风矢量反演的过程中对比了快速傅里叶变换(FFT)法和局部梯度(LG)法两种风向反演方法以及CMOD4、CMOD5和CMOD_ IFR2三种风速反演模式函数(GMF)。论文的成果主要包括以下几个方面:  (1)仿真图像条纹提取实验和实际SAR风向反演均表明在中低分辨率(5.1km以下)条件LG方法风向反演结果更好,而高分辨率(2.6km以上)条件尽管两种方法的反演精度均下降,FFT方法的精度下降幅度更小些,反演结果要好于LG方法。  (2)与WindSat辐射计数据相比,风向的反演精度随反演分辨率的提高而下降,其中25km分辨率的反演结果最优,其均方根误差(RMSE)为25.63°(LG方法)。而与浮标数据相比,风向反演的RMSE随反演分辨率大体呈V字形变化,LG方法风向反演的最优值出现在10km分辨率,RMSE为32.79°,而FFT方法最优值出现在5.1km分辨率,RMSE为32.35°。  (3)进行风速反演时,若利用SAR反演风向作输入,则风速反演精度主要取决于风向反演精度。若采用外部数据(WindSat或浮标风向)作输入,则风速反演精度会大幅度提高,且有潜力进行更高分辨率(如1.3km)的风速反演。  (4)与WindSat风速相比,无论采用SAR反演风向或WindSat风向作输入,都是CMOD4模式反演结果最好。与浮标风速相比,若采用SAR风向作输入,则CMOD4模式反演结果最好,而若采用浮标风向作输入,则CMOD_ IFR2模式的反演结果最好。
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