基于C波段SAR的海面风场反演方法与近海风能资源评估

论文摘要

星载合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar,SAR）具有提供高空间分辨率海面风场的能力,然而目前C波段SAR风速反演研究中还存在着以下问题:常用的VV极化风场反演模型对Sentinel-1 VV极化影像的适用性有待评估;现有的交叉极化风速反演模型不适用于Sentinel-1交叉极化影像的风速反演;SAR风场反演的空间尺度效应鲜有研究。为此,本文重点围绕着以上问题展开研究。最后以浙江和福建省近海作为研究区,评估利用SAR影像进行中国近海风能资源调查的可行性。本文的主要研究内容和结论如下:（1）同极化SAR风速反演模式函数的优选。本文基于710景Sentinel-1干涉宽幅（Interferometric Wide-swath,IW）模式垂直发射垂直接收（Vertical Transmitting and Vertical Receiving,VV）极化影像,对比了 CMOD4、CMOD-IFR2、CMOD5 和 CMOD5.N 等 C 波段模式函数（C-band Model,CMOD）的性能,结果表明在0～25m/s风速区间内,CMOD5.N为较优的风速反演模型,反演风速的均方根误差（RMSE）为1.40m/s;基于76景Sentinel-1IW 模式水平发射水平接收（Horizontal Transmitting and Horizontal Receiving,HH）极化影像,对比了 32种CMOD+极化比模型的组合模型以及1种与风向无关的HH极化风速反演模型的性能,结果表明对于Sentinel-1 HH极化影像,CMOD4结合Mouche等在2005年提出的同时考虑风向和入射角的极化比模型为较优的HH极化风速反演方法,反演风速的 RMSE 为 1.45m/s。（2）构建适用于Sentinel-1 IW模式交叉极化影像的风速反演模型。IW模式为Sentinel-1系列卫星的默认运行模式,然而由于IW模式影像的噪声等效后向散射系数（Noise EquivalentSigmaZero,NESZ）较高,并且3个子刈幅的平均NESZ不同,导致目前已有的交叉极化风速反演模型不适用于Sentinel-1 IW模式交叉极化影像的风速反演。本文基于728 景减去了 NESZ 的 Sentinel-1 IW 模式垂直发射水平接收（Vertical Transmitting and Horizontal Receiving,VH）极化影像,构建了基于子刈幅的C波段交叉极化海洋模型（Subswath-based C-band Cross-polarization Ocean Model,S-C2PO）。与浮标观测风速对比,本文提出的S-C2PO模型反演得到的Sentinel-1 VH极化影像风速的RMSE为2.08m/s,优于前人提出的交叉极化风速反演模型用于Sentinel-1 VH极化影像的风速反演。在风速大于1Om/s的条件下,S-C2PO模型反演风速的RMSE小于1.6m/s。此外,本文发现当风速小于10m/s时,随着入射角变化的NESZ会对Sentinel-1 VH极化后向散射系数产生较大的影响,导致VH极化后向散射系数随着入射角的变化呈现出类似于NESZ随着入射角变化的趋势,然而随着风速逐渐增大,NESZ对VH极化后向散射系数的影响逐渐减小,从而VH极化后向散射系数不再随着入射角变化。（3）探讨同极化SAR风场反演的空间尺度效应。本文将Sentinel-1 IW模式的VV极化影像和HH极化影像重采样到不同的空间分辨率,然后绘制不同空间分辨率的同极化影像反演风速的决定系数（R2）、相关系数（Corr）、均方根误差（RMSE）、标准差（STD）和偏差（Bias）等精度评价指标随着空间分辨率降低的变化趋势,结果表明当VV极化影像和HH极化影像的空间分辨率从100m降到1km时,反演风速的精度能够迅速提升;从1km到5km时,反演风速的精度提升趋于平缓。其中,当空间分辨率从100m降到1km时,VV极化影像风速的RMSE可降低19.4%,HH极化影像风速的RMSE可降低42.4%。（4）探讨交叉极化SAR风场反演的尺度效应。本文将RADARSAT-2精细全极化模式VH极化影像重采样到不同的空间分辨率,绘制了不同空间分辨率的VH极化影像反演风速的R2、Corr、RMSE、STD和Bias等精度评价指标随着空间分辨率降低的变化趋势,结果表明VH极化影像反演风速的精度随空间分辨率的变化的趋势与同极化的相似,当空间分辨率从100m降到1km时,反演的风速的RMSE降低了 41.5%,当空间分辨率从1km降到5km时,反演风速的精度的提升趋于平缓。结合空间尺度对同极化SAR影像的风速反演精度影响的分析结果,可认为将SAR影像重采样到1km空间分辨率是同时兼顾高空间分辨率和高反演风速精度的较优选择。（5）评估利用SAR影像进行中国近海风能资源调查的可行性。以浙江省和福建省近海为研究区,利用 Sentinel-1A、Sentinel-1 B 和 ENVISAT ASAR 的一共 2749 景 SAR 影像进行风功率密度分布制图,以中国近海的5个浮标站点计算得到的风能参数作为参考,SAR计算的平均风速和Weibull尺度因子A的相对误差均在5%以内,形状因子k在6%以内,风功率密度E在10%以内,表明了利用SAR影像进行中国近海风能资源评估的可行性,并对近海50m水深内的风能资源做了分析和评估,为未来近海风电站的选址的提供参考依据。

论文目录

致谢

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 SAR海面风场反演研究进展与不足

1.2.1 同极化SAR的海面风场反演研究进展

1.2.1.1 基于VV极化SAR的海面风场反演研究进展

1.2.1.2 基于HH极化SAR的海面风场反演研究进展

1.2.2 交叉极化SAR风场反演研究进展

1.2.3 现有SAR风场反演研究中的不足

1.3 SAR近海风能资源评估进展与不足

1.4 研究内容

1.4.1 拟解决关键问题

1.4.2 主要内容与论文组织构架

1.5 数据资料及其预处理

1.5.1 浮标观测数据与预处理

1.5.2 SAR影像数据与预处理

1.5.2.1 Sentinel-1数据

1.5.2.2 RADARSAT-2数据

1.5.2.3 ENVISAT ASAR数据

1.5.2.4 SAR数据的预处理

1.5.3 CCMP 2.0数据与预处理

1.5.3.1 CCMP 2.0数据风向插值处理

1.5.3.2 CCMP 2.0数据风速插值处理

2 SAR测风基本原理

2.1 后向散射系数

2.2 海面后向散射系数的影响因素

2.3 同极化SAR风场反演原理

2.4 交叉极化SAR风场反演原理

3 Sentinel-1同极化SAR海面风场反演模型研究

3.1 常用同极化SAR海面风场反演模型

3.1.1 常用的VV极化海面风场反演模型

3.1.1.1 CMOD4模式函数

3.1.1.2 CMOD-IFR2模式函数

3.1.1.3 CMOD5模式函数

3.1.1.4 CMOD5.N模式函数

3.1.2 常用的HH极化海面风场反演模型

3.2 VV极化SAR海面风场反演模型比较

3.3 HH极化SAR海面风场反演模型比较

3.4 本章小结

4 Sentinel-1交叉极化SAR海面风场反演模型构建

4.1 Sentinel-1交叉极化影像风场反演模型的构建

4.1.1 等效后向散射系数（NESZ）的去除

4.1.2 建模参考风速的构建

4.1.3 基于Sentinel-1子刈幅的交叉极化风场反演模型

4.2 Sentinel-1交叉极化影像风场反演精度验证

4.3 入射角对交叉极化后向散射系数影响的原因分析

4.4 本章小结

5 SAR海面风场反演空间尺度效应研究

5.1 同极化SAR风场反演空间尺度效应研究

5.1.1 VV极化SAR风场反演的空间尺度效应

5.1.2 HH极化SAR风场反演的空间尺度效应

5.2 交叉化SAR风场反演空间尺度效应研究

5.2.1 C波段交叉极化海洋（C-2PO）模型的优选

5.2.2 空间尺度效应研究参考风速的构建

5.2.3 交叉极化SAR风场反演的空间尺度效应

5.3 本章小结

6 基于SAR的近海风能资源评估的可行性分析

6.1 研究区域与数据分布

6.2 近海风能资源评估方法

6.3 近海ENVISAT ASAR影像风场反演模型的优选

6.4 SAR计算的风能参数精度验证

6.5 基于SAR的近海风功率密度分布制图

6.6 本章小结

7 总结与展望

7.1 主要研究结论

7.2 主要创新点

7.3 不足与展望

参考文献

博士期间发表论文

文章来源

类型: 博士论文

作者: 张康宇

导师: 黄敬峰

关键词: 遥感,同极化,交叉极化,海面风速,风能

来源: 浙江大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 海洋学,海洋学,资源科学

单位: 浙江大学

分类号: P74;P715.7

总页数: 157

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