基于SSM/I亮溫的海表面溫度、風速可視化應用系統(tǒng)開發(fā)

成印河，李家明，朱鳳芹，劉大召，付東洋

（廣東海洋大學 電子與信息工程學院海洋技術系，廣東 湛江 524088）

基于SSM/I亮溫的海表面溫度、風速可視化應用系統(tǒng)開發(fā)

成印河，李家明，朱鳳芹*，劉大召，付東洋

（廣東海洋大學 電子與信息工程學院海洋技術系，廣東 湛江 524088）

衛(wèi)星遙感已成為海洋現(xiàn)象研究的主要手段。由于衛(wèi)星數(shù)據(jù)資料數(shù)據(jù)量大，操作復雜，目前很難找到一種衛(wèi)星數(shù)據(jù)的可視化工具，用以實現(xiàn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的反演和可視化?；贛atlab開發(fā)了一套基于SSM/I亮溫的反演海表面溫度和風速的可視化應用系統(tǒng)。該系統(tǒng)集數(shù)據(jù)匹配、遙感反演方法及可視化于一體，具有界面友好、操作簡單和反演產(chǎn)品可靠，易于拓展的特點。該系統(tǒng)反演的海表面溫度和風速產(chǎn)品與文獻中其他結果是一致的。

遙感反演；神經(jīng)網(wǎng)絡；D-矩陣；可視化

21世紀是海洋的世紀，在國家的海洋強國戰(zhàn)略下，越來越多的學者開始研究、開發(fā)海洋。面對廣闊的海洋，衛(wèi)星遙感技術無疑是當今研究海洋的一種重要手段。衛(wèi)星遙感具有全天候、可持續(xù)觀察，觀測范圍大和實時性高等特點，能為海洋研究帶來海量、實時、可靠的數(shù)據(jù)，更好地研究海洋。SST（Sea Surface Temperature）以及近海面風速是其中很重要的環(huán)境因子。

從SSM/I（Special Sensor Microwave Imager）亮溫數(shù)據(jù)中反演SST和風速算法主要有3種，物理算法，經(jīng)驗統(tǒng)計和神經(jīng)網(wǎng)絡算法。Wentz[1-2]建立和發(fā)展了一種反演包括風速的物理算法，SST是已知輸入?yún)?shù)。由于物理反演方法要求較多輻射傳輸物理機制知識，比較復雜，反演算法進而轉向經(jīng)驗算法，包括統(tǒng)計方法和神經(jīng)網(wǎng)絡算法。經(jīng)驗算法方便簡單，適應性強。許多學者基于SSM/I亮溫數(shù)據(jù)利用經(jīng)驗算法開展反演風速研究[3-5]。Goodberlet等[3]1989年給出了一種經(jīng)驗統(tǒng)計算法，即D矩陣算法反演海表面風速，Petty等[5]1993年對其進行了改進，加入一個由水汽引起的校正項，來提高風速反演精度。另一種最成功的經(jīng)驗算法是神經(jīng)網(wǎng)絡算法，許多專家、學者都進行了研究[6-13]。在SST反演中有著同樣相似方法。Xia等[14]2001年給出了SST反演的D矩陣方法，Meng等[12]2007年利用神經(jīng)網(wǎng)絡模型同時反演了風速和SST多個海表面參數(shù)。衛(wèi)星遙感反演算法中都需要大量匹配的實測數(shù)據(jù)與衛(wèi)星亮溫數(shù)據(jù)，尤其是經(jīng)驗算法，匹配數(shù)據(jù)多少會影響反演的精度及普適性。本文采用了高分辨率浮標數(shù)據(jù)進行匹配，包括10 min和1 h的SST、風速數(shù)據(jù)，針對熱帶海洋區(qū)域給出新的D矩陣系數(shù)和BP神經(jīng)模型，給出最優(yōu)結果。

衛(wèi)星遙感反演算法國內外已經(jīng)開展了較多研究，然而關于海洋遙感的反演產(chǎn)品業(yè)務可視化僅有部分研究成果[15-16]。對于海洋工作者來說，需要的不僅是一個最優(yōu)的算法，更需要能夠查看和方便使用遙感圖像的工具。因此本文在改進經(jīng)驗模型參數(shù)的基礎上，利用最成功經(jīng)驗算法，開發(fā)一套能通過操作GUI界面的窗體應用程序，并顯示最優(yōu)結果的軟件系統(tǒng)。

1 可視化流程、數(shù)據(jù)及方法

1.1 可視化流程

本程序基于Matlab語言編寫而成。Matlab在科學計算中是一種主流的程序語言，擁有龐大的函數(shù)庫,對矩陣數(shù)據(jù)的處理方便快速，可較大程度地減少開發(fā)人員的工作量，并且Matlab擁有強大的繪圖能力，可方便制圖顯示，應用領域廣泛。同時Matlab還提供強大的GUI界面設計功能，可進行應用窗體設計。本文中程序包完整的可視化流程如圖1所示。

圖1 可視化流程

如圖1所示，衛(wèi)星數(shù)據(jù)可視化的過程首先是匹配數(shù)據(jù)模塊，然后是根據(jù)需要選擇反演方法模塊，BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型或D-矩陣算法，訓練網(wǎng)絡或擬合求得系數(shù)，調整到最優(yōu)，然后反演海洋要素參數(shù)，展示海洋參數(shù)，完成可視化。

1.2 數(shù)據(jù)

本程序包采用反演算法是神經(jīng)網(wǎng)絡模型和D-矩陣方法。該算法都是基于大量實測數(shù)據(jù)的經(jīng)驗算法，必須要匹配較大的衛(wèi)星數(shù)據(jù)和浮標數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)匹配的數(shù)量和精度影響著海面要素反演的質量，所以數(shù)據(jù)匹配尤為重要。本文以2007年的SSM/I的5個低分辨率通道的亮溫數(shù)據(jù)和TAO（Tropical Atmosphere Ocean project）浮標的SST和風場數(shù)據(jù)為例進行匹配。

衛(wèi)星數(shù)據(jù)主要采用5個低分辨率通道的SSM/I亮溫數(shù)據(jù)，分別是19 GHz(h)、19 GHz(v)、22 GHz(v)、37 GHz(h)和37 GHz(v)。下載網(wǎng)址為http://www. remss.com/missions/SSM/I。實測數(shù)據(jù)主要采用高分辨率TAO浮標數(shù)據(jù)，主要分布在南北緯10°范圍內的熱帶海域，包括太平洋，印度洋和大西洋，采樣間隔為10 min或 1 h。下載網(wǎng)址為：http://www.pmel. noaa.gov/tao/data_deliv/frames/main.html。該數(shù)據(jù)通過質量控制后與衛(wèi)星SSM/I亮溫數(shù)據(jù)進行匹配。匹配標準為衛(wèi)星數(shù)據(jù)中心坐標距離浮標為0.25°距離內，時間為前后10 min之內。匹配好的SST數(shù)據(jù)為45 525個，風速數(shù)據(jù)為39 586個。

1.3 溫度和風場反演方法

海洋要素反演算法也是結果展示準確性最為關鍵一步，計算出最優(yōu)的反演模型，才能使得數(shù)據(jù)產(chǎn)品達到理想效果。該系統(tǒng)中可以選擇使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型和D-矩陣方法，進行SST和風速反演。1.3.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡算法 BP神經(jīng)網(wǎng)絡是一種多層的前饋神經(jīng)網(wǎng)絡，信號前向傳遞，誤差反向傳播。本系統(tǒng)中可采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡網(wǎng)絡來反演SST和風速，具體流程見圖2。

圖2 基于SSM/I亮溫反演SST和風速的BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型

1.3.2 D-矩陣算法 本系統(tǒng)中采用的另一種經(jīng)驗算法為D-矩陣方法。該算法基于匹配的衛(wèi)星亮溫和浮標數(shù)據(jù)，擬合線性方程，可采用T19H、T19V、T22V、T37H和 T37V通道亮溫反演 SST，采用T19H、T22V、T37H和T37V通道亮溫反演海表面風速。SST和海表面風的D-矩陣反演算法公式分別為(1)和(2)[17]。

公式中D0，D1，D2，D3，D4和D5為需要擬合的線性系數(shù)，擬合方法采用最小二乘法。

2 可視化應用程序設計

2.1 系統(tǒng)介紹

本設計具有界面友好，操作簡易可靠的特點，其主窗體見圖3。

圖3 基于SSM/I亮溫反演SST和風速可視化系統(tǒng)主窗體

在主窗體的菜單欄上，有匹配、訓練/擬合、反演和可視化的功能，窗體中能顯示訓練和擬合的結果，并能輸出操作過程信息，以下為詳細的功能介紹。

（1）數(shù)據(jù)匹配，即把相同時間和位置的SSM/I衛(wèi)星數(shù)據(jù)和TAO浮標數(shù)據(jù)關聯(lián)起來，并把匹配結果輸出到一個新的文件。并可以選擇匹配的位置精度和時間精度。

（2）訓練/擬合，即根據(jù)匹配好的數(shù)據(jù)，使用神經(jīng)網(wǎng)絡的方式訓練出神經(jīng)網(wǎng)絡，或使用D-矩陣的方式擬合出系數(shù)，并把訓練網(wǎng)絡或擬合系數(shù)以mat格式保存到文件。

點擊主窗體的“訓練/擬合”后，在下拉菜單選擇訓練或擬合的方法，選擇匹配好的數(shù)據(jù)文件，在設置界面里面會顯示相應的參數(shù)設置。如匹配數(shù)據(jù)為SSM/I亮溫和TAO浮標中的SST數(shù)據(jù)，則設置界面的輸出參數(shù)是SST，見圖4；如果TAO浮標的數(shù)據(jù)是風速，輸出參數(shù)就是U，V的風速分量，見圖5。

圖4 BP神經(jīng)網(wǎng)絡訓練參數(shù)設置界面

圖5 D-矩陣方法擬合參數(shù)設置界面

在BP神經(jīng)網(wǎng)絡訓練參數(shù)設置界面中，可選擇不同通道的SSM/I亮溫數(shù)據(jù)，隱含層、學習率、學習次數(shù)、學習目標和訓練函數(shù)等參數(shù)，不同參數(shù)設置，會達到不同的訓練效果。同理，在D-矩陣擬合參數(shù)設置界面中，可以根據(jù)不同的輸出參數(shù)，選擇不同的輸入通道，以達到理想效果。訓練好的BP神經(jīng)網(wǎng)絡或者是擬合好的系數(shù)，都會以mat的格式保存，供解碼SSM/I亮溫數(shù)據(jù)時調用。

（3）反演，即調用反演算法，SSM/I亮溫數(shù)據(jù)解碼為SST、海表面風速等產(chǎn)品。反演的設置界面如圖6所示。

圖6 反演參數(shù)設置界面

反演輸出某參數(shù)產(chǎn)品如SST時，可根據(jù)實際情況，選擇反演方法，導入相應的訓練好BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型或D-矩陣方法擬合系數(shù)，可導入批量的SSM/I亮溫數(shù)據(jù)，輸出結果如SST會寫到netcdf格式文件里面。

（4）可視化，即反演產(chǎn)品顯示窗口設置，設置界面，如圖7所示。

圖7 可視化顯示設置窗口

根據(jù)輸出結果，選擇要顯示的變量產(chǎn)品，選擇繪圖的邊界，程序就會按照設置界面的參數(shù)，繪制輸出圖形。

2.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型和D矩陣方法結果分析

2.2.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型結果分析 在主窗體的“訓練/擬合”功能中，每次BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型訓練，都可以監(jiān)視其訓練過程，完成后還會輸出誤差來提供參考，SST和海表面風速的誤差，見圖8。圖8中，BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型反演結果和浮標實測數(shù)據(jù)散點圖擬合的一次函數(shù)的斜率、平均誤差和均方差可表征BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型學習的好壞?？捎柧毝啻?，取斜率接近1，誤差最小的BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型，

圖8 BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型反演結果與浮標實測SST和風速對比圖

并進行保存，作為最優(yōu)結果。本實例誤差為SST和海表面風速的網(wǎng)絡，斜率都接近于1，SST的平均誤差為0.86℃，標準差為0.73℃；海表面風速的平均誤差為0.96m/s，標準差為0.89m/s。

2.2.2 D矩陣方法結果分析 在主窗體的“訓練/擬合”功能中，也可選擇擬合功能，調整滑動條調整參與擬合系數(shù)和驗證數(shù)據(jù)多少，給出不同擬合系數(shù)和誤差等提供參考，SST和海表面風速的誤差，見圖9。

圖9 D-矩陣算法反演結果與TAO浮標實測SST和風速對比圖

從圖9中可知SST和海表面風速擬合系數(shù)，斜率都接近于1.0，SST的平均誤差為0.88℃，標準差為0.83℃；海表面風速的平均誤差為1.0m/s，標準差為0.95m/s。

利用該系統(tǒng)程序可以很方便地進行數(shù)據(jù)匹配及衛(wèi)星SSM/I亮溫的處理，方便地利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡反演和D-矩陣方法開展SST和風速的反演。在BP神經(jīng)網(wǎng)絡算法中，可以選擇不同通道亮溫、訓練函數(shù)、隱層神經(jīng)元層數(shù)和個數(shù)、及學習次數(shù)等。D-矩陣反演過程中，也可以選擇輸入數(shù)據(jù)多少，選擇不同通道進行矩陣系數(shù)的計算，反演SST和風速。通過調節(jié)各種參數(shù)，達到最優(yōu)的結果。本文中，BP神經(jīng)網(wǎng)絡和D-矩陣方法都能夠給出較好的結果，Meng等給出結果是一致的[12]，從平均誤差方面，本文中兩種方法反演的SST比Meng等給出的結果稍低。因此該系統(tǒng)給出的結果是可靠的。

3 SST和風速可視化應用

利用該系統(tǒng)給出最優(yōu)的反演算法對SSM/I亮溫數(shù)據(jù)進行反演，得到SST和海表面風速的可視化產(chǎn)品。以2014年6月1日一天SSM/I亮溫使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡方法反演的區(qū)域SST和海表面風速為例展示可視化產(chǎn)品，考慮TAO浮標實測數(shù)據(jù)空間分布導致的算法的準確度，該產(chǎn)品只顯示40°S～40°N之間的區(qū)域。

圖10 BP神經(jīng)網(wǎng)絡反演的全球熱帶海洋SST和風速

4 結論

本文基于Matlab軟件開發(fā)了一個衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演參數(shù)可視化應用系統(tǒng)。該系統(tǒng)集數(shù)據(jù)匹配、遙感反演方法及可視化于一體，具有界面友好、操作簡單和反演產(chǎn)品可靠，易于拓展的特點。通過操作GUI界面的方式，匹配SSM/I亮溫數(shù)據(jù)和TAO浮標數(shù)據(jù)，可以選擇使用神經(jīng)網(wǎng)絡模型和D矩陣方法反演SST和海表面風，可以顯示最優(yōu)結果。該系統(tǒng)中通過神經(jīng)網(wǎng)絡方法反演的SST平均誤差為0.86℃，標準差為0.73℃；由D-矩陣反演的SST平均誤差為0.88℃，標準差為0.83℃。通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡反演的風速平均誤差為0.92m/s，標準差0.86m/s；由D-矩陣反演的海表面風速的平均誤差為1.0 m/s，均方差為0.95m/s。這與其他結果是一致的。

由于匹配的數(shù)據(jù)只限于TAO浮標的數(shù)據(jù)，因此在空間尺度上，匹配的數(shù)據(jù)有限制，只限制于赤道附近的海域，緯度離赤道越遠的海域，產(chǎn)品精度會降低。衛(wèi)星反演輸出產(chǎn)品遙感空白的區(qū)域進行插值處理，增加更多數(shù)據(jù)融合處理功能。

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Development of the Visualization Application System of SST and Wind Speed Inverted from SSM/IBrightness Temperature

CHENG Yin-he,LIJia-ming,ZHU Feng-qin,LIU Da-zhao，F(xiàn)U Dong-yang
Department of Ocean technology,College of Electronic and information Engineering,Guangdong Ocean University,Zhanjiang 524088, Guangdong Province,China

The satellite remote sensing technology has become a major means to study ocean phenomena.Since the data of remote sensing have some common features such as huge volume and relative complex algorithm,it is difficult to find a visualization tool for the inversion and visualization of satellite remote sensing data.A visualization application system for SSM/I data is designed based on the Matlab GUI(Graphical User Interface) technique,which serves as an integrated system including datamatching,two methods of inversion of SST(Sea Surface Temperature)and wind speed,and image visualization.The software has the advantages of friendly interface,visible operation,convenient operating and good expansibility.The product of inversion from the SSM/I brightness temperature is proved accurate and consistentwith the results form other literatures.

retrieval of remote sensing;neural networkmodel;D-matrix algorithm;visualization

P714；TP75

A

1003-2029（2017）01-0014-05

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.01.003

2016-08-15

國家自然科學基金資助項目（41406041）；廣東省自然科學基金資助項目（2016A030313751）；廣東省教育廳創(chuàng)新強校項目（GDOU2016050242）；廣東海洋大學優(yōu)秀青年教師專項人才培養(yǎng)特別資助項目（HDYQ2015008）

成印河（1980-），男，博士，副教授，碩士生導師，主要從事海氣相互作用與數(shù)值模擬研究。E-mail：yinhe_9951@163.com

朱鳳芹（1981-），女，講師，主要從事軟件開發(fā)及信號處理。E-mail:fqzhu_07@163.com