基于卫星SAR图像洋面特征的海表面流速度反演方法研究

Data of high frequency sampling global ocean surface current is essential to studying on physical oceanography and climate changing. Up to now, there is no any remote sensor on satellite which directly retrieval ocean surface current velocities. Method of ocean surface current velocity retrieval from SAR image is developed in this project. The statistics of high frequency (HF) radar current data with quasi-synchronous wind products of scatterometer and SAR are taken statistics to figure out the empirical relation between current velocities and wind speeds, wind stress as well as curl of wind stress. Modulation model of wind fields in response to ocean surface current is established. A retrieval algorithm of current velocity from SAR in strong current (ocean fronts) area is presented and verified with in situ buoy data. Microanonical multifractal technology is used to extract singularity scalar features of mesoscale and small scale feature , such as eddies, warm core ring and oil spill pattern, on SAR NRCS images. Based on the microanonical multifractal theory and surface singularity feature, the method of retrieval current velocity from SAR images is improved, validated and applied into other singularity surface features. Successful results of this project will be useful for the development of measuring current velocity directly from sensor on satellites.

物理海洋学和气候变化研究离不开高频次取样的全球海表面流速度资料。迄今为止，还没有可以直接测量海流速度的卫星传感器。本课题的目的在于发展利用合成孔径雷达（SAR）图像反演海表面流的方法。通过与高频雷达海流数据准同步的散射计和SAR风场数据进行统计，拟合海流速度分别与风速矢量、风应力、风应力的旋度之间的经验关系，建立海表面流对风场的调制模型。基于该模型，研究出强流（海洋锋面）区域SAR图像海表面速度反演方法，并利用实测海流速度验证。利用SAR归一化雷达散射截面(NRCS)图像，采用微正则多分维技术对漩涡、冷暖心环流，溢油等中小尺度特征，进行多分维结构奇的异标量特征提取，探索基于微正则多分维理论和突变洋面特征量的SAR图像反演海表面流速方法，验证并进行方法修正研究。通过本项目研究，推动利用卫星传感器直接测量海流速度技术的发展。

海流可以使海上污染物扩散，诸如原油泄漏、海上垃圾、赤潮爆发和相应的海洋环境变化，因此海流对于远近海环境有显著影响。本项目根据浪-流相互作用机制，建立起了线性和非线性分形海面浪-流耦合模型。在浪-流耦合模型的基础上，我们提出了一种表面流海面电磁散射模型，并模拟真实海况的电磁散射信号，结果显示：海流对海面电磁后向散射截面具有较大影响，有海流海面和无海流海面后向散射雷达截面差异随着入射角和海流的增大而增加，与无海流海面电磁散射信号相比，海流沿着海浪传播方向传播时，海流的存在会减弱电磁后向散射信号，相反，当海流迎着海浪传播的方向传播时，海流的存在会增大电磁后向散射信号。研究表明，海表面流对电磁后向散射信号产生重要影响，即海流的存在时海面的粗糙度发生变化，从而导致风场矢量反演出现偏差，偏差的大小与海流的大小和方向有关系。正是因为海流的影响，SAR图像形成不同的特征，如旋涡海流（包括冷暖心环流）、溢油图像等特征。根据理论研究的指导，提出了一种海流SAR反演方法。利用大量RADARSAT-2全极化合成孔径雷达图像(160余幅)反演出风场矢量，辅以高频地波雷达同步测量的海流矢量，根据海流矢量与浮标风场与SAR反演风场之间的差值散点图，拟合出了反演海流的半经验公式。利用SAR反演风场的误差，即可反演出各种特征洋面的海流矢量。项目意义在于：我们建立的浪-流耦合电磁散射模型，可以用来研究有海流存在海面的SAR成像机制，提出的海流SAR反演方法，将促进卫星遥感遥测海流技术的发展。