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2023年  第43卷  第6期

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综述
可持续发展目标空间观测与评估
陈方, 贾慧聪, 王雷
2023, 43(6): 973-985. doi: 10.11728/cjss2023.06.2023-0108
摘要(893) HTML全文 (336) PDF 1397KB(88)
摘要:
联合国《变革我们的世界：2030年可持续发展议程》已实施过半，国际社会广泛关切2030年议程前半程的有益经验和不利教训，并为后半程和未来可持续发展寻找指引和方向。及时、准确数据的缺失，仍然是制约人类应对长期、短期可持续发展问题的短板，更是阻碍可持续发展目标（Sustainable Development Goals, SDGs）进展监测、实施决策的瓶颈。作为全面、综合、整体研究地球系统的重要手段，空间观测技术是弥补当前SDGs指标统计数据不足、时空信息缺失的重要方法。本文介绍了空间观测技术在监测和评估SDG2零饥饿、SDG6清洁饮水和卫生设施、SDG7经济适用的清洁能源、SDG11可持续城市和社区、SDG13气候行动、SDG14水下生物和SDG 15陆地生物等7个可持续发展目标的研究进展及挑战，并对SDGs指标空间观测体系建设、空间观测数据共享和应用、SDGs监测评估方法研究等进行探讨。
星载被动微波遥感技术及其应用进展
王振占, 王文煜, 佟晓林, 张洲, 刘璟怡, 陆浩, 丁甲, 吴延婷
2023, 43(6): 986-1015. doi: 10.11728/cjss2023.06.yg15
摘要(1884) HTML全文 (756) PDF 5176KB(186)
摘要:
星载被动微波遥感是指利用高灵敏度接收机通过接收场景和目标的自然微波辐射来提取目标信息的一种遥感手段。被动微波遥感又称微波辐射计遥感。人类利用微波辐射计从空间进行对地遥感已有50多年的历史。目前，星载微波辐射计已经成为气象和海洋卫星的主载荷，在数值天气预报、海洋环境监测和全球变化研究中发挥着越来越重要的作用。本文分析了国内外星载被动微波遥感技术与应用进展，以及被动微波遥感技术发展趋势及其关键技术问题，针对中国星载被动微波遥感的定量化应用，在数据与数据处理流程，算法标准化、亮温和反演参数的定标/检验标准化等方面提出了一些思考和建议，以期望被动微波遥感数据被越来越广泛地得到应用，最大限度地提升星载地球被动微波遥感技术的应用效能。
空间微波辐射基准传递溯源展望
何杰颖, 董晓龙, 卢乃锰
2023, 43(6): 1016-1024. doi: 10.11728/cjss2023.06.yg17
摘要(345) HTML全文 (126) PDF 1412KB(61)
摘要:
面向全球气候变化研究和高精度气象预报对空间微波辐射测量基准的迫切需求，由于传递链路复杂导致国际微波辐射基准尚未建立，为进一步提升遥感卫星观测精度和稳定性，建立空间辐射基准溯源评价体系，前瞻性地提出高精度可溯源的空间微波辐射基准传递顶层方案和技术解决方案，明确需要突破的微波辐射基准载荷关键技术，空间微波辐射基准传递与溯源理论、方法和模型，全链路微波辐射基准溯源传递一体化验证技术，微波系统全链路物理级基准传递和误差仿真评估技术等，为空间微波辐射测量提供统一参考基准，实现高精度、高稳定、可溯源的空间微波探测能力，提升中国空间微波辐射测量的核心竞争力。
风云气象卫星微波大气探测回顾与展望
何杰颖, 张升伟, 王振占, 张瑜
2023, 43(6): 1025-1035. doi: 10.11728/cjss2023.06.yg16
摘要(614) HTML全文 (336) PDF 2295KB(90)
摘要:
基于风云三号（FY-3）三个批次极轨气象卫星微波湿度计的研制历程，取得的技术突破与研制进展，涵盖关键技术实现以及关键技术指标的设计与测试评估，微波湿度计在数值天气预报、台风暴雨等灾害性天气预报与监测等方面的科学应用，阐述了星载被动微波大气探测技术的提升。分析微波大气探测的研究现状与发展趋势，重点展望了极轨气象卫星微波大气探测在气象参数探测能力、探测精度、时空分辨率、应用效能等方面的潜力。对标世界气象组织（WMO）2040年愿景规划，针对中国风云五号新一代极轨气象卫星，提出了具有跨代表征的高性能新体制微波大气综合探测系统——高光谱微波大气探测仪，简要陈述了在轨定量化提升的技术途径与应用前景，为风云五号气象卫星微波大气探测载荷研制奠定基础。
海洋卫星雷达测高技术进展
许可, 蒋茂飞
2023, 43(6): 1036-1057. doi: 10.11728/cjss2023.06.2023-06-yg14
摘要(1370) HTML全文 (276) PDF 8750KB(88)
摘要:
雷达高度计是一种主动式的微波遥感器，可以提供全球海面高度、有效波高和海面风速数据，利用雷达高度计测得的数据可以进一步用于海洋动力学、海面地形、海洋重力异常和海底地形等方面的研究。经过近50年的发展，雷达测高技术已取得巨大进展，从载荷设计、数据处理到实际应用都积累了大量成果，雷达测高数据不仅用于海洋研究，还广泛用于内陆水域水位变化、海冰厚度变化、冰川质量平衡和异常气候影响等方面研究。本文根据雷达测高技术的基本原理，分析了海洋卫星雷达测高技术发展的现状，并对未来的发展进行了展望。
杭州湾及其邻近海域总悬浮物浓度卫星遥感
叶小敏, 王晓梅, 邹斌, 王福涛
2023, 43(6): 1058-1068. doi: 10.11728/cjss2023.06.2023-0099
摘要(491) HTML全文 (222) PDF 2999KB(54)
摘要:
近海及海湾总悬浮物是重要的水质参数之一，而杭州湾及其邻近海域是典型的海湾与近岸海域，与人类关系密切。卫星遥感广泛应用于海水总悬浮物浓度的探测与分析。利用现场实测数据，建立了中国HY-1C/D卫星水色水温扫描仪（Chinese Ocean Color and Temperature Scanner, COCTS）及其他当前在轨的典型水色遥感器在杭州湾及邻近海域的总悬浮物卫星遥感反演方法模型，模型平均相对误差不高于19%。反演并融合获得了HY-1C/D等多源卫星2015－2022年杭州湾及邻近海域的总悬浮物浓度卫星遥感及其融合数据。融合数据经实测数据对比验证，两者之间线性相关系数为0.72，平均相对偏差为26%。卫星遥感结果表明，2015－2022年间杭州湾及其邻近海域总悬浮物浓度年际变化不大，其线性变化不超过其年平均浓度值的0.5%。研究结果表明利用包括HY-1C/D卫星COCTS等的海洋水色遥感载荷，可有效遥感反演得到杭州湾及其邻近海域的总悬浮物浓度并分析其时空变化特征。
基于遥感数据的夏季长江冲淡水年际间扩展规律及其影响因素
胡静雯, 王其翔, 郭志谦, 刘晓燕, 吴志宏, 董文隆, 田林
2023, 43(6): 1069-1080. doi: 10.11728/cjss2023.06.2023-0059
摘要(516) HTML全文 (176) PDF 2354KB(45)
摘要:
长江冲淡水向外海扩展对于黄、东海水文生物环境以及物质循环有重大影响。通过分析1998－2014年连续17年卫星观测结果，研究夏季长江冲淡水向外海扩展的年际间变化规律，分析径流量和风场对其变化的影响。结果显示，夏季长江冲淡水向外海的扩展路径主要有东北偏北型、东北型和偶见型三类，以东北型为主；冲淡水向东扩展位置主要分布在123°－126°E区间，年际间差异显著。扩展过程的年际变化主要体现在扩展路径是否转向、向东扩展的态势呈现7弱8强还是7盛8衰。长江径流量的多寡对冲淡水向外海扩展的远近起到重要影响作用，径流量较大时，冲淡水向东扩展较远，径流量较小时，冲淡水向东扩展的距离会受到明显的限制。风向的变化是导致冲淡水扩展过程呈现多样性的一个重要原因。东南风、东风对于冲淡水向东北方向扩展起到促进作用，对于向东南方向扩展起到一定的阻碍作用，东北风对冲淡水向外海的扩展起到阻碍作用，迫使冲淡水盘踞在长江口近岸海域。
研究论文
星载SAR图像方位角计算及其对风速反演影响评估
李慧敏, 胡登辉, 林文明, 王臣, 何宜军
2023, 43(6): 1081-1090. doi: 10.11728/cjss2023.06.2023-0077
摘要(611) HTML全文 (301) PDF 2401KB(46)
摘要:
星载合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar, SAR）是海洋常规观测的重要技术手段，然而在其数据处理和关键物理参数反演中，SAR图像方位角$ {\phi }_{\mathrm{I}\mathrm{M}\mathrm{G}} $和卫星飞行方向角$ {\phi }_{\mathrm{S}\mathrm{A}\mathrm{T}} $相混淆的情况普遍存在，影响SAR海面风速的反演精度。对此，根据SAR图像方位角的定义，结合空间卫星坐标系转换关系推导了$ {\phi }_{\mathrm{I}\mathrm{M}\mathrm{G}} $，并进一步提出了基于SAR图像地面控制点的$ {\phi }_{\mathrm{I}\mathrm{M}\mathrm{G}} $计算方法。通过对比分析2016年全球近70万景哨兵一号卫星波模式SAR图像，量化了$ {\phi }_{\mathrm{I}\mathrm{M}\mathrm{G}} $与$ {\phi }_{\mathrm{S}\mathrm{A}\mathrm{T}} $的系统偏差，发现该偏差与雷达入射角和轨道方向紧密相关。选用五次多项式拟合该偏差随纬度的变化规律，同时发现将卫星飞行方向角近似等于SAR图像方位角会引起海面风场反演误差，该误差空间分布不均，且升轨降轨有所差异，风速误差最大可达 ±0.5 m·s–1。研究结果表明，$ {\phi }_{\mathrm{I}\mathrm{M}\mathrm{G}} $的正确计算和使用对于SAR地球科学研究具有重要意义，本文提出的$ {\phi }_{\mathrm{I}\mathrm{M}\mathrm{G}} $计算方法对其他SAR卫星系列也具有实际参考价值。
基于U-Net的海洋锋智能检测模型
任诗鹤, 韩焱红, 李竞时, 赵亚明, 匡晓迪, 吴湘玉, 杨晓峰
2023, 43(6): 1091-1099. doi: 10.11728/cjss2023.06.2023-0097
摘要(724) HTML全文 (110) PDF 1715KB(67)
摘要:
海洋锋作为海洋中两种不同性质的水体之间的边界，对渔业和海洋环境保护等许多领域有重要影响，如何快速准确实现海洋锋的自动检测和识别对于海洋监测和预报具有重要的科学意义。将深度学习图像分割网络与提取锋面特征的方法相结合，利用基于U-Net架构的实例分割模型，分别建立海洋锋区和锋面中心线的智能检测模型，同时在编解码过程中采用残差学习单元对模型特征提取网络进行改进。研究结果表明，锋面智能检测模型能够准确提取先前锋面检测算法所识别的锋区和锋面中心线特征，Dice系数分别达到了0.92和0.97，达到了很好的检测效果。同时，利用不同锋面阈值得到的样本数据对模型进行训练，比较结果表明，降低样本集阈值之后模型精度有了显著的提升。
飓风天气下机载SFMR与星载微波遥感海面风速的对比分析
钟俊杰, 王志雄, 邹巨洪, 林文明
2023, 43(6): 1100-1110. doi: 10.11728/cjss2023.06.2023-0062
摘要(504) HTML全文 (284) PDF 2284KB(62)
摘要:
飓风天气下多种探测技术提供的海面风速的一致性备受关注。飓风侦察机搭载的步进频率微波辐射计（SFMR）提供的海面高风速数据是海面风速最主要的现场观测数据源。本文旨在分析SFMR风速与星载微波散射计（C波段欧洲MetOp系列卫星散射计ASCAT，Ku波段中法海洋卫星散射计CSCAT和中国HY-2系列卫星散射计HSCAT）和微波辐射计（SMAP和SMOS）遥感风速的一致性。通过分析SFMR风速随空间尺度变化的关系，进而提出了SFMR与散射计和辐射计数据进行时空匹配的方法。结果表明，高风速（>15 m·s–1）辐射计比散射计风速与SFMR风速的一致性更好，风速高于25 m·s–1时Ku波段散射计风速趋于饱和。高风速下降雨也是影响散射计风速误差的重要因素，但依赖于风速的误差显著高于降雨影响带来的误差。基于SFMR数据进一步揭示了星载微波散射计和辐射计提供海面风速的误差特征，为遥感数据应用提供参考。
基于中法海洋卫星波谱仪观测的一维海浪谱模型对比
王义慧, 徐星欧, 徐莹
2023, 43(6): 1111-1124. doi: 10.11728/cjss2023.06.2023-0068
摘要(1040) HTML全文 (182) PDF 1682KB(123)
摘要:
海浪谱模型不仅能表征粗糙海表面，还能揭示海浪能量随波数和方向的分布，为海洋探测等研究和应用提供必要信息。中法海洋卫星搭载的波谱仪可实现全球海浪方向谱的空间观测。根据现有海浪谱模型和海浪谱观测的发展现状，对波谱仪观测的海浪参数进行统计特征分析，在波谱仪观测的波数范围内（0.01～0.25 rad·m–1），进行不同海态下实测海浪谱与以Apel谱、Elfouhaily谱和Goda谱为代表的波高谱和曲率谱模型的比较，得到现有海浪谱观测与上述三种谱模型的差异，并结合海浪参数统计特征，对产生差异的原因进行讨论分析。结果表明，现有谱与波谱仪观测的差异来自于其对海态的不完全表达，且所表示的海态在自然状态中仅占有限比例。研究结论可以为海浪谱模型和观测的后续研究提供支持。
基于SAR卫星观测的北极冰涡时空分布特征
房超, 汪胜, 刘桂红, 杜延磊, 赵亚明, 于䁑, 杨晓峰
2023, 43(6): 1125-1134. doi: 10.11728/cjss2023.06.2023-0088
摘要(705) HTML全文 (123) PDF 3425KB(59)
摘要:
北冰洋复杂的寒、暖洋流交汇作用为涡旋的生成和发展提供了适宜的条件。在北极边缘冰区，上层浮冰示踪海洋涡旋，形成冰涡特征。冰涡通过垂直热量传输加速上层浮冰的消融，影响着边缘冰区的演变，间接调节全球气候。本文利用高空间分辨率的合成孔径雷达（SAR）卫星影像开展了北极冰涡检测识别与时空特征分析研究。基于SAR影像构建训练数据集，采用YOLOv7目标检测模型完成模型训练任务；对2022年北极冰涡影像进行检测识别，在此基础之上进行目视解译处理。基于目视解译结果开展冰涡特征分析。目视解译共确定3615个气旋型冰涡和1482个反气旋型冰涡，这些冰涡主要在7－11月生成，集中分布于格陵兰岛东部沿岸和格陵兰海中北部，冰涡的平均直径为21.2 km，平均海冰占比为41.76%。本文的冰涡检测识别和时空特征分析研究结果为北极地区海洋现象分析与气候研究提供了有价值的方法参考和遥感分析资料。
基于卫星遥感数据的Noah-MP地表反照率关键参数优化
陈进燕, 赵龙, 阳坤, 田佳鑫, 潘金梅, 张可
2023, 43(6): 1135-1149. doi: 10.11728/cjss2023.06.2023-0086
摘要(633) HTML全文 (164) PDF 2035KB(52)
摘要:
地表反照率是影响地–气相互作用的关键因子，而准确描述地表反照率是改进陆面模型水热模拟能力的关键。当前Noah-MP (the Noah land surface model with Multiple Parameterizations) 土壤反照率估算主要依赖于查找表方法，该方法基于土壤颜色获得不同土壤类型的反照率，但在区域尺度上土壤颜色等级尚未得到有效率定，直接影响了区域反照率模拟水平。此外，裸土反照率的计算还高度依赖于土壤水分。针对这一问题，以同化得到的土壤水分数据作为输入，计算得到不同土壤颜色等级对应的反照率时间序列。在此基础上，以MODIS反照率为参照，同时排除高植被覆盖和积雪的影响，逐步筛选得到青藏高原区域0.25°格点尺度下最优的土壤颜色等级。评估结果表明，优化得到的土壤颜色等级空间分布规律符合土壤质地与反照率之间的物理规律，且改进了研究区域70%空间网格内的Noah-MP模型反照率估计。
2000－2021年青藏高原地区地表净辐射的时空变化
崔玉祥, 胡斯勒图, 李同文, 姬大彬, 张颢, 施建成
2023, 43(6): 1150-1159. doi: 10.11728/cjss2023.06.2023-0080
摘要(1147) HTML全文 (379) PDF 9996KB(96)
摘要:
基于CERES卫星提供的2000年3月至2022年2月SYN1 deg–Level 3辐射数据，结合Theil-Sen Median趋势分析、Mann-Kendall检验以及EOF分析等方法，分析了22年间青藏高原地表净辐射的时空变化规律。研究发现，在空间分布特征上，青藏高原地表净辐射总体呈现南高北低的分布特征，地表净辐射变化趋势具有高度一致性，但在青藏高原南部地表净辐射变化量级远高于青藏高原北部；在时间演化特征上，地表净辐射呈现准正弦振动，年周期变化明显，特别是2016－2017年出现突变，下降约5.52 W·m–2，同期云覆盖度年平均值提高约18.75%。
地基激光雷达反演树木叶面积参数方法
胡容海, 邢煜振
2023, 43(6): 1160-1175. doi: 10.11728/cjss2023.06.2023-0078
摘要(621) HTML全文 (113) PDF 929KB(62)
摘要:
叶面积指数（Leaf Area Index, LAI）是表征植被冠层结构的核心参数，叶面积指数的间接测量一直是植被遥感的一项重要研究内容。地基激光雷达（Terrestrial Laser Scanning, TLS）以其高效、精细的三维观测能力被广泛用于叶面积指数的反演研究，同时地基激光雷达也为反演更精细的叶面积参数，例如叶面积体密度（Foliage Area Volume Density, FAVD）的三维分布提供了可能性。从方法论角度出发，对基于地基激光雷达反演叶面积参数的主要方法，不同方法的优势、局限性和影响因素进行分析。现有反演方法可分为四类：基于间隙率的方法、基于接触频率的方法、基于计算机图形学理论的方法以及基于生态生理学模型的方法。基于地基激光雷达的叶面积参数反演也从样方尺度叶面积指数向更精细的单木尺度叶面积垂直剖面（Vertical Foliage Profile, VFP）和体素尺度叶面积体密度发展。在此过程中，聚集效应、非均一路径长度和遮挡效应是影响测量精度的重要因素，需要进一步的研究和校正。
基于多源遥感数据的植被冠层高度估算
田镇朋, 周维, 袁敬毅, 刘小强, 叶粟, POUDEL Krishna, HIMES Austin, RENNINGER Heidi, 王家新, 马勤
2023, 43(6): 1176-1193. doi: 10.11728/cjss2023.06.2023-0074
摘要(1110) HTML全文 (260) PDF 5750KB(98)
摘要:
为了大范围精确估计空间连续的森林冠层高度，研究使用随机森林回归方法，通过融合冰、云和陆地高程卫星二号 (Ice, Cloud and land Elevation Satellite-2, ICESat-2)测量数据和Landsat-8影像，并结合地形、气温等数据来估算森林冠层高度，生成2020年美国密西西比州30 m空间分辨率的森林冠层最大高度和平均高度图。结果表明，森林覆盖区域冠层最大高度的均值为24.14 m，标准差为4.24 m。森林覆盖区域冠层平均高度的均值为12.04 m，标准差为2.59 m。研究区冠层高度估计值与机载测量值吻合良好(冠层最大高度R2 = 0.486，$ {H}_{\mathrm{R}\mathrm{M}\mathrm{S}\mathrm{E}} $ = 4.532 m；冠层平均高度R2 = 0.467，$ {H}_{\mathrm{R}\mathrm{M}\mathrm{S}\mathrm{E}} $ = 2.848 m)。利用估算数据进一步对森林冠层垂直结构复杂度进行了分析。研究提出的森林冠层高度制图方案对中国长江三角洲地区的森林管理、物种多样性保护与碳中和评估等具有指导意义。

期刊介绍

ISSN 0254-6124       CN 11-1783/V

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