SeaWinds散射计风矢量反演的象元筛选、滤波方法和系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及海洋遥感领域，特别是涉及一种SeaWinds散射计风矢量反演的象元 筛选、滤波方法和系统。
【背景技术】
[0002] 海风是作用在海洋表层的重要动力因子，驱动着海洋从海面波到深层洋流系统的 各种尺度的海洋运动，小则形成海洋波浪，大则推动洋流发展。海风通过调节海水与大气之 间的热量、水汽和化学物质的交换，来调整海-气耦合作用，维持全球和区域气候模式，该 耦合作用对全球和区域气候有重要影响，甚至能引起全球环境的变化，如厄尔尼诺现象。而 且，海风可以纳入到区域或全球的数值天气预报系统，提高天气预报的能力。因此，获得高 精度、高时空分辨率的海风数据对于海洋动力学、气象、气候学研究和人类合理利用风能资 源具有十分重要的科研价值和现实意义。
[0003] 海面风场的常规观测系统主要通过船舶、海上浮标及沿岸站等。对于覆盖全球面 积70%的海洋而言，常规手段获得的风场资料十分有限而且花费巨大。卫星遥感技术为海 面风场的测量提供了一个全新的手段，它具有覆盖面广、观测连续、受天气影响小等优点， 已经进入业务化运行。能够提供全球海面风场信息的星载传感器包括散射计、微波辐射计、 合成孔径雷达（SAR)、卫星高度计，但只有散射计能大范围同时提供包括风速大小和风向在 内的完整的风矢量信息。
[0004] 散射计反演风场分为三个个步骤：第一步，建立地球物理模型函数（geophysical modelfunction,GMF)，第二步，由地球物理模型函数反演得到2-4个模糊解，第三步，采用 圆中数滤波方法去除模糊解，得到唯一的真解。圆中数滤波算法有效运行的前提条件是滤 波窗口中的风矢量误差比较大（风向反演误差大于45度）的象元数目不能超过一半。由 于高风速时SeaWinds散射计观测的反演误差整体较大，因而在使用圆中数滤波算法时，滤 波窗口中反演误差较大的象元数目往往超过一半，使得圆中数滤波效果不佳，使得最终反 演误差偏高。
【发明内容】
[0005] 本发明的一个目的在于提供一种SeaWinds散射计风矢量反演的象元筛选方法和 系统，可以有助于提高高风速情形下的风矢量反演精度。
[0006] 本发明的这一目的通过如下技术方案实现：
[0007] -种SeaWinds散射计风矢量反演的象元筛选方法，包括如下步骤：
[0008] 确定SeaWinds散射计风矢量反演中的象元的各模糊解以及各所述模糊解的总灰 度值；
[0009] 将各所述模糊解与数值风场数据进行对比，找出与数值风场数据最接近的目标模 糊解；
[0010] 判断所述目标模糊解的总灰度值是否大于预设的灰度阈值；
[0011] 若是，对所述象元作一标记。
[0012] -种SeaWinds散射计风矢量反演的象元筛选系统,包括：
[0013] 处理模块，用于确定SeaWinds散射计风矢量反演中的象元的各模糊解以及各所 述模糊解的总灰度值；
[0014] 对比模块，用于将各所述模糊解与数值风场数据进行对比，找出与数值风场数据 最接近的目标模糊解；
[0015] 第一判断模块，用于判断所述目标模糊解的总灰度值是否大于预设的灰度阈值；
[0016] 标记模块，用于在所述第一判断模块的判断结果为是时，对所述象元作一标记。
[0017] 根据上述本发明的方案，其是首先确定象元的各模糊解及其相应的总灰度值，再 通过将各模糊解与数值风场数据进行对比获得目标模糊解，判断该目标模糊解的总灰度值 是否大于预设的灰度阈值，若是，对象元作一标记，SeaWinds散射计风矢量反演中的各象元 都可以按照这种方式进行筛选，最后得到的有标记的象元即为筛选出的反演误差较小的象 元，可以基于这些象元进行圆中数滤波，由于筛选过程可有效剔除风矢量反演误差较大的 象元，从而较大程度地提高了圆中数滤波算法的精度，即提高了最终的风矢量反演精度。
[0018] 本发明的另一目的在于提供一种SeaWinds散射计风矢量反演的滤波方法和系 统，可以有助于提高高风速情形下的风矢量反演精度。
[0019] 本发明的这一目的通过如下技术方案实现：
[0020] -种SeaWinds散射计风矢量反演的滤波方法，包括如下步骤：
[0021] 采用如上所述的SeaWinds散射计风矢量反演的象元筛选方法对SeaWinds散射计 风矢量反演中的象元进行筛选；
[0022] 选取滤波窗口，获取该滤波窗口中的有标记的象元数目；
[0023] 判断所述象元数目是否大于零；
[0024] 若是，则根据所述象元数目对应的预设计算方式计算所述滤波窗口的风矢量；
[0025] 若否，则根据L2B数据的获得所述滤波窗口的风矢量。
[0026] -种SeaWinds散射计风矢量反演的滤波系统，包括如上所述的SeaWinds散射计 风矢量反演的象元筛选系统，还包括：
[0027] 选取模块，用于选取滤波窗口，获取该滤波窗口中的有标记的象元数目；
[0028] 第二判断模块，用于判断所述象元数目是否大于零；
[0029] 滤波模块，用于在所述第二判断模块的判断结果为是时，根据所述象元数目对应 的预设计算方式计算所述滤波窗口的风矢量，在所述第二判断模块的判断结果为否时，根 据L2B数据的获得所述滤波窗口的风矢量。
[0030]根据上述本发明的方案，其是首先采用如上所述的SeaWinds散射计风矢量反演 的象元筛选方法对高风速情形下SeaWinds散射计风矢量反演中的象元进行筛选，再选取 滤波窗口，获取该滤波窗口中的有标记的象元数目，判断所述象元数目是否大于零，若是， 则根据所述象元数目对应的预设计算方式计算所述滤波窗口的风矢量，若否，则根据L2B 数据的获得所述滤波窗口的风矢量，由于筛选过程可有效剔除滤波窗口中的风矢量反演误 差较大的象元，从而较大程度地提高了圆中数滤波算法的精度；同时，由于高风速情形下反 演误差很大的象元出现几率较大，在整个滤波窗口中总灰度值大于设定的灰度阈值的象元 的数目并不稳定，可能为〇,可能为1，也可能为2,根据不同的象元数目对应的计算方式计 算得到滤波窗口的风矢量，也提高了最终的风矢量反演精度。
【附图说明】
[0031] 图1为SeaWinds散射计地球物理模型函数的以雷达后向散射系数和相对方位角 为坐标的模型表；
[0032] 图2为同一象元观测值在风矢量解空间中的图谱示意图；
[0033] 图3为本发明的SeaWinds散射计风矢量反演的象元筛选方法实施例的流程示意 图；
[0034] 图4为模糊解区域交点分布示意图；
[0035] 图5为确定模糊解的总灰度值的方式在其中一个实施例中的流程示意图；
[0036] 图6为图谱算法风矢量反演误差与总灰度关系示意图；
[0037] 图7为本发明的SeaWinds散射计风矢量反演的滤波方法实施例的流程示意图；
[0038] 图8为本发明的SeaWinds散射计风矢量反演的象元筛选系统实施例的结构示意 图；
[0039] 图9为图8中的处理模块在其中一个实施例中的结构示意图；
[0040] 图10为本发明的SeaWinds散射计风矢量反演的滤波系统实施例的流程示意图。
【具体实施方式】
[0041] 为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本 发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的【具体实施方式】仅仅用以解释本发明， 并不限定本发明的保护范围。
[0042] 为了便于理解本发明的方案，以下首先对传统的散射计风场反演方式进行说明。
[0043] 1)传统风场反散射计风场反演方式的一般步骤
[0044] 传统风场反散射计风场反演方式可分为三个步骤：建立地球物理模型函数，风矢 量解搜索（反演算法）以及风矢量模糊解去除。从1978年第一颗专门用于海洋遥感的卫星 SEASAT-A发射到现在，国外学者提出了多种用于散射计海面风场遥感的模型函数及反演算 法。由于地球物理模型函数的双调和特性以及观测中存在的误差，使得风矢量搜索的结果 不唯一，而是存在1-4个极小值，称为模糊解。由于从单一象元很难获得足够的信息将其排 除，因而需要一个独立的模糊解去除程序，将其排除以便获得唯一的真解。
[0045] 2)散射计工作的基本原理
[0046] 散射计是一种特殊的主动微波传感器，主要是用来获取海面雷达截面积等多个测 量数据。通过向地表发射一定波长的微波，将那些在同一地面单元具有不同几何观测参数 的测量数据结合起来，经过一定处理而获得该单元海面风速和风向。散射计对海面风矢量 的测量是一种间接关系。
[0047] 海面微波散射主要有两种机制：当入射角小于20°时，微波回向散射主要是镜面 反射；当入射角大于20°时，微波回向散射主要是布拉格散射。而散射计的入射角一般大 于20°，如SeaWinds散射计内外两波束的入射角分别为46°和54°，所以散射计工作时， 海面微波散射以布拉格散射为主。在入射波长为微波的条件下，能引起布拉格散射的只能 是叠加于海浪上的厘米波或毛细波，而且布拉格散射与厘米波波峰与雷达视线之间的夹角 有很大的相关性。
[0048] 风从大气向海面传递动量时，会使海面变得粗糙，形成小尺度的厘米波，厘米波数 量与海面上的磨擦风速成正比相关，而厘米波波峰方向对风向敏感，所以能通过对微米波 的观测来反推出海面的风矢量与风向。散射计就是测量海面的后向散射能量大小，并估算 标准化的海面雷达截面积NRCS(NormalizedRadarCrossSection)。
[0049] 3)海面风场反演的地球物理模型函数
[0050] 利用散射计在不同的参数条件下（入射角和极化方式）测得的海面后径雷达散射 截面积进行风场反演，需要知道海面雷达后向散射截面积（NRCS)和风速、相对方位角（风 向与雷达观测方向之间的夹角）、入射角以及极化方式等几个变量之间的关系。模型函数的 目的就是准确描述雷达后向散射截面积（NRCS)与海面环境参数和仪器参数的关系。模型 函数对于散射计的设计及反演算法具有关键的作用，它的精度可大大地影响到风场反演的 精度以及散射计设计的可行性等重要问题。
[0051] 从第一颗专门用于海洋遥感的卫星SEASAT发射到现在，人们不断提出用于散射 计海面风场遥感的模型函数和反演方法，模型函数的非线性决定了风场反演方法