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[博士论文] 王小珍
地图学与地理信息系统 浙江大学 2018(学位年度)
摘要:浅海水深数据是进行科学研究和海岸管理的重要基础。近岸地形地貌及海岸带环境演变分析大多依赖于船载测深手段,缺乏大范围实时数据的更新,尤其在水浅坡缓的岸滩区域,仍然存在水深数据空白。合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)可以探测水下地形及岸滩变化,作为一种新兴的海洋测深手段,以其独特的优势在一定程度上弥补了传统测深方法的不足。
  本文主要采用数值模拟方法和SAR遥感技术研究浅海水下地形的成像机理和水深反演方法。首先利用流场数值模型分析了两种典型地形对不同方向流场的调制作用,并集成三维水动力模型和成熟的二维雷达成像模型构建了浅海典型水下地形的二维SAR遥感成像模型,分别对近岸平行流场条件下的珠江口伶仃航道地形和复杂流场条件下的苏北浅滩辐射沙洲地形的SAR遥感成像特征和成像过程进行了分析。在此基础上,发展了适用于苏北浅滩沙脊和潮沟相间分布地形的二维水深反演方法,进而结合SAR遥感影像,完成了浅海水下地形反演和地形迁移变化监测的探索性研究。本文的主要研究内容和成果如下:
  (1)在前人研究的基础上,以沙波(正地形)和航道(负地形)两种浅海典型水下地形为研究目标,引入三维水动力模型进行流场数值模拟。将描述水下地形和流场相互作用的流场模型由二维拓展到三维,对水下地形在平行流场、垂直流场以及一般方向流场中各流速分量、海表流速和流速梯度的三维空间分布进行了分析,对水下地形和三维流场的相互作用机制有了新的认识。
  (2)集成三维水动力模型和二维雷达成像模型,建立了珠江口航道地形SAR遥感成像模型。流场模型实时模拟了珠江河口区域复杂的水动力环境以及航道地形所引起的海表面流场变化,通过雷达成像模型得到模拟的SAR图像,与真实SAR遥感影像和水深数据的良好对比结果证明了该模型具有对水下地形进行SAR遥感成像的能力,为后续苏北浅滩辐射沙洲地形的成像研究奠定了基础。
  (3)集成三维水动力模型和二维雷达成像模型,建立了苏北浅滩辐射沙洲地形SAR遥感成像模型,针对太平沙区域进行流场的实时动态模拟和水下地形雷达成像仿真。定性分析了浅海水下地形雷达成像的影响因子,比较了水深和坡度对雷达后向散射信号的影响。结果表明,雷达后向散射强度受平均水深变化的影响较小,受水下地形坡度变化的影响较大。
  (4)基于苏北浅滩地形数据的先验知识,对太平沙研究区沙脊和潮沟相间的水下地形进行了形态拟合,集成苏北浅滩辐射沙洲地形的SAR遥感成像模型,发展了浅海二维水下地形的反演方法。利用SAR遥感影像,对太平沙研究区水下地形的反演做了探索性研究。
  (5)采用苏北浅滩水下地形SAR遥感反演体系中对地形位置的提取方法,利用长时间序列的多种遥感影像,对苏北浅滩麻菜珩和外磕脚两个领海基点所在区域进行了地形迁移变化研究。结果表明,两个区域的地形会发生不同方向的迁移,但在长时间尺度和大空间尺度上保持平衡。
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