LG-Mod:修改本地梯度(LG)方法来检索SAR海洋沿海海面风力的方向

文摘

介绍了一种新颖的SAR风向估算方法基于局部梯度的计算准线性和准周期性的结构检测到SAR图像。方法依赖于标准的LG方法计算相关部分的局部梯度。新奇的是,当地主导风向和相关精度估计使用来自定向统计结果。验证了LG-Mod对原位沿海风力测量仪器提供的浮标63环境ASAR图像。结果显示整体协议和RMSE值获得离岸地区,但残余影响由于复杂现象发生在海岸线的距离可能降低在自动模式下运行时的性能。

1。介绍

海面风的关键参数等海洋应用海洋气象学的研究(1,2,海洋石油泄漏监测3,4),和风能资源(5,6)等等。

而中尺度数值天气模型(NWMs)提供可靠的离岸风场区域,一般来说他们的准确性大幅减少邻近的海岸线。这是由于复杂的陆地/海洋相互作用发生在沿海地区,通常是谁的现象学描述不良NWM计划之内。为了克服这些困难,准确的海面风观测正则空间规模应该喂NWM为了为他们提供有用的初始条件为可靠的沿海风力预测和验证数据。

星载微波遥感海面已经被证明是有效的在监测近海海面现象和沿海地区已经达到了技术成熟度提供定量观察。

风从表面散射仪观察可用,只能改善NWM预测离岸。

在星载散射测量可以在全球范围内提供风矢量测量,粗空间分辨率(十到二十五公里)妨碍应用程序在沿海地区由于明显的土地污染。

此外,合成孔径雷达(SAR)传感器已经证明了在过去的十年里能够提供准确的风速和风向测量海洋中。与散射仪相比,高空间分辨率的SAR成像(1 - 10米)有可能捕捉典型的复杂的风场特征的沿海地区。然而,SAR海洋风场检索沿海地区仍然是一个开放的问题。

它已被证明在7]SAR风场信息检索利用想风来自NWMs [8)表示强烈依赖输入的善风矢量作为猜测。信息来自SAR一般无法完全正确输入NWM风向。出于这个原因,它将是非常可取的发展提供风向独立于外部信息的方法。

SAR成像可以检测大气和海洋现象能够调节海洋表面,因此背散射信号,例如边界层风卷(blr)和条纹(WSs)。

blr是大气轧辊涡流产生的热不稳定性,开发海洋大气边界层内(9- - - - - -11]。他们可以持续数小时或数天,通常伴随着不稳定的或中性的边界层条件(12,13]。风应力的波动之间的收敛和发散区卷(14,15)使blr出现在SAR图像的准周期性的线性调制与典型的反向散射空间规模从1到4公里。BLR轴的取向之间一般平均海面风的方向和相关地转风(14),这种定向签名被广泛用于估计海面风向从SAR成像。

WSs的特点是一个狭义的空间调制(0.1 - -0.5公里),作为第一次显示x波段航海雷达图像(16]。这些特性是更紧密地与海面风向和发展与一生的几十分钟。出于这个原因,风条纹已经利用风向从SAR图像检索17,18]。

尽管blr和WSs可以提供风的方向,这是一个开放问题的有利条件是什么对SAR图像的可见性,最重要的是,如果他们的出现率是足够的操作使用。实际上,在[如上所述14),blr在SAR图像的可见性取决于几个因素,如频率和极化SAR操作,入射角,风速政权,风向对SAR几何。此外,在[19]分析大数据集的SAR图像评估BLR能见度受到每年季节性,冷气流条件培养大气卷的形成。然而,同现的这些因素的存在并不能保证相关SAR签名。相比之下,统计发生WSs等被编译和影响因素发生调查。

对SAR的研究都集中在风能领域检索的发展方法,旨在从SAR图像中提取风致特性的主要方向。通常这些算法识别的主要风方向180°模棱两可,可以解决通过识别领域内的风阴影SAR图像或通过使用辅助风向信息从NWM预测或现场数据。

许多SAR-based风检索算法利用傅里叶分析(20.- - - - - -23)为风向从blr特性提供空间分辨率10公里和准确性大约从10°到40°(23,24]。在空间域工作,两个家庭的算法已经开发出来,提供高分辨率的风从BLR和WS签名:一个是基于小波变换的使用(19,25- - - - - -28),第二个在当地梯度的计算17]。前方法依赖于能力的小波检测线性结构在SAR图像进行多尺度分析。LG的方法已被用于许多应用,如运行SAR风检索(29日)、风资源评估(6),和极端事件监控30.,31日),参与观察和预测系统(32]。因此,LG验证方法原位观察和NWM输出获得风向检索精度的20 - 30°(18),从而表现出良好的性能在近海地区风速检索。

摘要LG的修改版本,叫做LG-Mod [33),提出了。LG的标准方法相比,LG-Mod方法能够提取主导当地风向直接从一组可用的当地的方向,从而避免耗时的操作(即柱状图分析。,加权直方图装箱和平滑),这通常需要执行这样的分析。此外,该方法提供了精度与各风向估计利用基本定向统计结果(34- - - - - -36]。

本文结构如下:LG-Mod方案中描述的部分2和处理的一个例子是由比较结果从terrasar - x的形象和风力埃塔大气模型获得的数据;LG-Mod方法是广泛验证对原位风收集的数据检测浮标在沿海地区通过63环境SAR图像。最后,主要结论是部分4。

2。LG-Mod方法

LG-Mod方法由以下基本步骤。

(我)图像平滑和二次抽样。根据LG算法(17],SAR图像的平滑包含这些操作都针对减轻特区输入校准图像的斑点噪声,提高检测的风致模式(即,风的行在SAR图像)。这种平滑操作应该edge-preserving为了保护特区发现风的方向信息的结构。后者进一步通过减少像素大小值,适合的最佳检测准周期性的,准线性风致特性。典型值的范围从100米到400米的检测风力行,从而使SAR信号的多尺度空间分析。

(2)局部梯度(LGs)计算。一个优化的导数Sobel算子应用于SAR振幅估计定向特性通过当地梯度的决心。像素的基础上执行此步骤后删除从SAR缩放图像所有像素被认为不能使用,如土地像素或那些不必要的边界效应影响执行的处理结果在前一步17]。

(3)提取的主要方向。它代表了新方法的LG-Mod对LG的标准方法。当地方向的缩放图像分为特定大小的子图象(以下也称为roi),根据风向的空间网格用户请求。对于每一个ROI, ROI内的主导方向是直接检索的成套此前估计的方向。然后,LG-Mod方法提供了一个测量的精度估计通过开发基本定向统计结果(34,35]。特别是,因为当地的方向和相反的方向(弧度)是等价的一个圆,当地的角度应该本质上认为是用于估计轴向数据而不是循环数据。处理轴向数据的标准方法是将它们转换为循环数据通过“翻倍角”,也就是说,转化来所以忽略了方向上的模棱两可。因此,观察到的和可用的LG的方向,平均角和相关的准确性分别是由以下减半期吗 所谓的振幅意思是合成矢量所表达的 均值合成长度是一个无量纲参数,代表了一种测量内的方向对齐的ROI。

(iv)可靠的roi选择和估计。最后,规范对LG-Mod结果是固定的由用户直接采用选择标准选择可靠的估计。不管统计分布可用的方向(轴向)数据,每个方向估计,一个()间隔的信心,,可以根据以下表达式被分配35,36]: 在哪里是上面的标准正态分布的分位数和代表第二个中央三角ROI的翻了一番当地方向的时刻。表达式(3)是有效的roi的大尺寸样品,。

因此,LG-Mod方法能够放电嘈杂的roi(以及相关的估计)验收通过设定合适的阈值的估计: 为例,从x波段获得风场terrasar - x ScanSAR多看看地面范围检测报告(MGD)图像。SAR图像收购在2010年2月28日,在05:44 UTC,像素大小等于8.5米,随后在68×68重新取样。检索到的风方向与埃塔数值天气模式提供的的37),也用于删除180°模棱两可的风向。埃塔网格内的输出提供了4公里×4公里在UTC 06:00时,也就是说,15分钟的时间变化对卫星采集时间。

在图1(一)LG-Mod估计风的方向(红色箭头)显示在埃塔网格;埃塔模型预测叠加(黄色箭头)。从目视检查,它可以清楚地看到这两个风向字段是在良好的协议,除了地区(1)风力行是不可见的(例如,左边和底部的形象;风遮挡海岸线附近的区域)和(2)在图像的中间上方的大气重力波的传播。后的阈值选择(;°),图中所示的风场1 (b)获得了。

检索的SAR风方向进行评估,评估他们的均方根误差(RMSE)和平均偏差错误(MBE),使用埃塔作为真理的参考模型。这种比较的结果被发表在表1对于不同的阈值置信水平为95%分配给每个估计的置信区间。也没有阈值的情况下表所示1进行比较。

正如预期的那样,以为的更严格的要求定向精度的估计,估计误差越低。因此,有效的风估计的数量逐渐减少。值得注意的是,LG-Mod的精度性能不仅与实际风条件下还可能依赖于SAR系统因素,如辐射分辨率,这可能影响整个风特性形象的可见性。这意味着最高可达到的精度水平必须预期选择SAR传感器。这是萨特的SAR图像的最高可达到的精度约为15°,在下一节中描述。

3所示。结果

为了评估LG-Mod表演在沿海地区,进行验证分析萨特的ASAR图像获得的数据集在从2009年到2012年期间c波段对应的两个海洋沿海地区离岸威尔士(英国)。欧洲太空总署的数据已经下载档案。两台仪器与浮标属于国家数据浮标中心(NDBC)每小时收集物理参数(即海洋和大气环境。风速和风向,水和空气温度、空气压力,等等)。在表2相关信息对浮标的部署和风速计定位报告。

LG-Mod估计风的方向进行了数据集由63下降和提升环境ASAR图像23和40图像在62301年和62303年的通信浮标,分别。SAR图像宽片模式产品,75×75像素大小。特区所有产品在精度的图像(PRI)格式和VV极化。所有可用的图像与巢radiometrically校准(Next ESA SAR工具箱)包提供的ESA(欧洲太空总署)和预处理得到像素大小约为150×150。

特区风估计超过方补丁的SAR图像大小为3.6公里,以相对应的像素浮标的位置。

每小时风速测量的风速计收集在3 m的高度高于海平面(a.s.l)的网站。因此,为了比较这些测量与相应的SAR风矢量,仪器风速是指在a.s.l 10米的高度。38]。

为了正确地比较每个风速计测量与相应SAR-based估计,浮标风数据线性插值的SAR收购乘以。

前面部分所描述的应用程序后,180°模棱两可的风力方向检索每个补丁。解决歧义的风向,风浮标数据插值到SAR的时候,。对于每个块,检索比较模糊方向和浮标的方向,和一个小角的区别被选中。180°歧义消除之后,检索到的风的方向,随着平均SAR规范化雷达截面(nrc)值和平均迎角,计算估计相应的风速函数(GMF) CMOD5使用地球物理模型。N [39]。

分析进行了考虑整个数据集(A)可用的SAR图像,第(B)由这些图像子集选择后目视检查和检测风力行浮标位置和第二子集(C)收集这些“可靠”最终阈值的图像应用程序自动选择的步骤(根据(4),;°)。在表3统计结果,也就是说,均方根误差(RMSE)和平均偏差错误(MBE),来源于cross-comparison LG-Mod结果之间和现场数据,报告,为每个定义的一组图像。显然,RMSE MBE和定义参照风方向考虑,必须考虑方向为轴向数据。从表3它导致高风向RMSE如果整个数据集被认为是。风向RMSE减少到20°时考虑与不同的线性SAR图像签名(B)子集。这些SAR图像的特点是高速风况(> 10 m / s,见下表4),引起强烈的局部梯度。在自动选择(部分中描述2),RMSE值约为26°符合前面的选择(C子集)。最后,在识别LG-Mod风特性的良好的性能相比,应该指出人类专家的能力。的确,SAR图像的数量组合C子集是一致的在用户精度要求(例如,°)。

4所示。结论

一种新颖的SAR风向检索方案,称为LG-Mod,描述。它是基于定向信息由当地的准线性梯度(LGs)直接计算,准周期性的风致结构检测SAR图像。这些结构可以与大气边界层现象或条纹产生的海面上的风的作用。方法的性能评估使用63的SAR图像沿海站点。对原位检测线性特性比较测量风向检测浮标所提供的。考虑到有限数量的SAR图像在这项研究中,使用给出的结果应该被认为是初步的。考虑到后者,可以得出以下结论:(1)风向的RMSE值估计在SAR图像选择视觉检测与文献报道离岸风力行相当的案例研究。这个结果比是最好的表演获得使用NWM所提供的基于风向反演方案(7]。(2)采用阈值导致选择SAR图像有意义风诱导特性(C子集)。这个结果是令人鼓舞的作为自动化的SAR图像的标准选择可以设想。值得分析SAR图像的构成属于子集C: 50%的人包括风力行逃离目视检查;10%是B与子集;和其余40%的SAR图像包括强大的线性特性与风场。后者结果不是意想不到的结果发生在沿海地区的复杂现象。(3)应该预期,大量的SAR图像属于子集B与c子集相反,只有一个属于B中输入子集c子集的SAR图像经常发生的一致性检测条纹在SAR图像显示一个角分散比观察更著名的大海。这可以解释为小规模沿海环流的影响。尽管大多数风细胞由高定向噪音,它还可以识别一个主导方向的特点是强烈的梯度。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

承认

本文所描述的活动已经由意大利RITMARE旗舰项目。

引用

1. w·g·k·s·弗里德曼,t·d·Sikora皮丘,p . Clemente-Colon g .高度,“利用星载合成孔径雷达改善海洋表面分析,“天气和预测,16卷,不。2、270 - 276年,2001页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
2. d·b·Chelton m . h . Freilich j . m . Sienkiewicz和j . m . Von Ahn”的使用QuikSCAT散射仪测量表面风海洋天气预报”每月天气回顾,卷134,不。8,2055 - 2071年,2006页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
3. h·a·Espedal和t . Wahl卫星SAR石油泄漏检测利用风能的历史信息,“国际遥感杂志》上,20卷,不。1,49 - 65年,1999页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
4. g . De结论m·阿达莫·g·帕斯卡列洛抱怨,d . De帕多瓦,和m . Mossa”定量表征海洋浮油通过卫星近红外图像和石油漂移建模:有趣的Shai海案例研究中,“国际遥感杂志》上,34卷,不。5,1838 - 1854年,2013页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. c . b . Hasager m .獾,a .佩纳x g·拉森和f·托利“SAR-based风力资源统计在波罗的海,”遥感,3卷,不。1,第144 - 117页,2011。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
6. m·b·克里斯琴森w·科赫,j . Horstmann c . b . Hasager m·尼尔森,“从c波段SAR风能资源评估,”环境遥感,卷105,不。1,第81 - 68页,2006。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. m·阿达莫f·m·拉纳g . De结论和g·帕斯卡列洛抱怨,“评估c波段合成孔径雷达数据的贝叶斯反演技术在海洋风的检索字段沿海地区,”应用遥感技术杂志》上,8卷,不。1,文章ID 083531, 2014。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. m . Portabella a . Stoffelen和j·a . Johannessen”风对合成孔径雷达的优化反演方法检索”地球物理研究杂志》上的C:海洋,卷107,不。8日,1-13,2002页。视图:谷歌学术搜索
9. t . m . Weckwerth j·w·威尔逊,r . m . Wakimoto和n . a .骗子”水平对流卷:确定环境条件支持他们的存在和特征,“每月天气回顾,卷125,不。4、505 - 526年,1997页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
10. 美国肯纳先生和j·g . Brasseur”三维浮力,shear-induced当地大气边界层结构”大气科学杂志》上,55卷,不。5,710 - 743年,1998页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
11. t . m . Weckwerth t·w·霍斯特和j·w·威尔逊”一项观察性研究的进化水平对流卷,“每月天气回顾,卷127,不。9日,第2179 - 2160页,1999年。视图:谷歌学术搜索
12. p . Drobinski和r·c·福斯特在近地表的起源条纹neutrally-stratified行星边界层,”边界层气象学,卷108,不。2、247 - 256年,2003页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
13. d . etl和r·a·布朗”卷漩涡在行星边界层:复习一下,”边界层气象学,卷65,不。3、215 - 248年,1993页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
14. w . Alpers b介绍,“大气边界层卷上ERS-1卫星合成孔径雷达观察到,“地球物理研究杂志》,卷99,不。6,12613 - 12621年,1994页。视图:谷歌学术搜索
15. t·w·Gerling”结构表面的地球资源卫星SAR的风场,”地球物理研究杂志》,卷91,不。2、2308 - 2320年,1986页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
16. h . Dankert j . Horstmann和w·罗森塔尔,“海洋风从雷达图像序列检索字段,”地球物理研究杂志》上的C:海洋,卷108,不。11日,第3364 - 3352页,2003年。视图:谷歌学术搜索
17. w·科赫”定向分析SAR图像对准风向,”IEEE地球科学和遥感,42卷,不。4、702 - 710年,2004页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
18. w·科赫和f·菲斯,”风SAR-derived向量和风力在十米级高度之间的关系表示为一个中尺度模式,”每月天气回顾,卷134,不。5,1505 - 1517年,2006页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
19. g .征收“边界层从SAR数据,滚”《地球物理研究快报,28卷,不。10日,1993 - 1995年,2001页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
20. f .羁绊,d . Gineris和c . c . Wackerman”验证散射仪风ERS-1 SAR算法”,IEEE地球科学和遥感,36卷,不。2、479 - 492年,1998页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
21. 雷纳,j . Horstmann w·科赫和w·罗森塔尔”中尺度风测量使用调整人SAR图像,”地球物理研究杂志》上的C:海洋,卷103,不。4、7847 - 7856年,1998页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
22. c . c . Wackerman c . l . Rufenach r . a . Shuchman j . a . Johannessen和k·l·戴维森”风矢量使用ERS-1合成孔径雷达图像检索,“IEEE地球科学和遥感,34卷,不。6,1343 - 1352年,1996页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
23. c . c . Wackerman w·g·皮丘,p . Clemente-Colon”从SAR自动风向量的估计,”学报》第十二次会议上的海洋和大气相互作用美国加州长滩,2003年2月。视图:谷歌学术搜索
24. h·林问:徐,问:郑”概述在SAR测量海面风,“自然科学进展,18卷,不。8,913 - 919年,2008页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
25. y Du、p·w·瓦尚和j·沃尔夫,“风向评估使用小波分析,从SAR图像海洋”加拿大遥感杂志》上,28卷,不。3、498 - 509年,2002页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
26. n Fichaux和t . Ranchin”,结合提取高空间分辨率的SAR图像的风速和风向:使用小波变换的一种新方法,”加拿大遥感杂志》上,28卷,不。3、510 - 516年,2002页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
27. g·c·雷特·m·Ushizima f·n·s . Medeiros g·g·德利马,“小波分析风场估计。”传感器,10卷,不。6,5994 - 6016年,2010页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
28. 美国Zecchetto和f . De Biasio”,从SAR图像中提取小波技术,海风,”IEEE地球科学和遥感,46卷,不。10日,2983 - 2989年,2008页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
29. j . Horstmann和w·科赫,“评价一个操作SAR风场环境ASAR检索算法,”IEEE国际地球科学和遥感学报》研讨会页44-47 ACM,安克雷奇,阿拉斯加,美国,2004年9月。视图:谷歌学术搜索
30. e . v . Stanev j . Schulz-Stellenfleth j . Staneva s Grayek j . Seemann和w·彼得森,“沿海观测和预报系统的德国bight-estimates hydrophysical状态,”海洋科学,7卷,不。5,569 - 583年,2011页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
31. r·p·Signell j . Chiggiato j . Horstmann j·d·道尔j .普伦和f .民兵,“高分辨率的映射Bora风在亚得里亚海北部使用合成孔径雷达,”地球物理学研究杂志:海洋,卷115,不。4、2010。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
32. j . Horstmann w·科赫d·r·汤普森和h . Graber”使用合成孔径雷达观测风飓风,”诉讼的海洋SAR的发展环境和人任务(SeaSAR 06年)想法,该会议,ESA sp - 613,意大利,2006年1月。视图:谷歌学术搜索
33. f·m·拉纳·m·阿达莫帕斯卡列洛抱怨,g . g . De结论s Morelli f . Bovenga,”当地简化梯度法的检索SARderived海面风的方向,”第十届欧洲研讨会论文集在合成孔径雷达(EUSAR 14),柏林,德国,2014年6月。视图:谷歌学术搜索
34. k . v . Mardia和p . e . Jupp定向统计卷。494年,约翰·威利& Sons,纽约,纽约,美国,1999年。视图:出版商的网站
35. n。费雪,循环数据的统计分析英国剑桥,剑桥大学出版社,1995年。
36. n i费舍尔和t·刘易斯,“估计多个圆形或球形分布的共同意思方向不同的分散,”生物统计学,卷70,不。2、333 - 341年,1983页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
37. 情况下,美国c .周j·l·戈梅斯et al .,“埃塔模型的一个升级版本”气象学和大气物理,卷116,不。3 - 4、63 - 79年,2012页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
38. h·k·约翰逊,“简单表达式纠正高度的风速数据,”海岸工程,36卷,不。3、263 - 269年,1999页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
39. h . HersbachCMOD5。护士:c波段地球物理模型函数等效中性风,2008年欧洲中期天气预报中心。

版权

版权©2016法比奥·m·拉纳et al。这是一个开放的分布式下文章知识共享归属许可,它允许无限制的使用、分配和复制在任何媒介,提供最初的工作是正确引用。