基于RADARSAT-2四極化SAR影像的海面風(fēng)速反演

方賀，蔡菊珍，何月，徐瑞，張育慧，張小偉，賀忠華，肖晶晶，謝濤

（1.浙江省氣候中心，浙江杭州310017；2.自然資源部第二海洋研究所衛(wèi)星海洋環(huán)境動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州310012；3.國家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心，北京100081；4.南京信息工程大學(xué)遙感與測繪學(xué)院，江蘇南京210044）

1 引言

海表面風(fēng)場是推動(dòng)海洋表面運(yùn)動(dòng)的重要?jiǎng)恿?，同時(shí)也是大氣和海洋相互作用的重要參數(shù)之一，高時(shí)空分辨率的海表面風(fēng)場資料有利于大氣-海洋動(dòng)力過程的研究。此外，海面風(fēng)尤其是海上大風(fēng)天氣是我國沿海地區(qū)常有的災(zāi)害性天氣，對海洋航運(yùn)、安全生產(chǎn)以及海洋工程危害甚大，因此準(zhǔn)確且及時(shí)的海表面風(fēng)場預(yù)報(bào)和觀測尤為重要[1]。

傳統(tǒng)的海面風(fēng)場觀測手段（浮標(biāo)、氣象站和測風(fēng)塔等）有著明顯的局限性，如建設(shè)維護(hù)成本較高、無法獲取大面積海面信息以及受外界環(huán)境因素影響較大，從而影響高質(zhì)量海面風(fēng)場數(shù)據(jù)的獲取。隨著空間遙感技術(shù)的發(fā)展，各種星載傳感器應(yīng)運(yùn)而生，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)海面風(fēng)場觀測的不足，使得長時(shí)間和大范圍獲取高分辨率海面風(fēng)場信息成為可能。在眾多星載傳感器中，合成孔徑雷達(dá)（Synthetic Aperture Radar，SAR）可以不受云、日照以及太陽光線的影響，實(shí)現(xiàn)全天時(shí)和全天候成像的能力，已逐漸成為海面風(fēng)場監(jiān)測，尤其是近岸風(fēng)場反演的新手段[2]。

早期的SAR海面風(fēng)速反演研究主要基于單極化影像數(shù)據(jù)展開。對于C波段VV極化SAR影像數(shù)據(jù)，CMOD（C-Band MODe）系列半經(jīng)驗(yàn)地球物理模式函數(shù)（Geophysical Model Functions，GMF）是最常用的手段。CMOD系列模式函數(shù)起初是基于VV極化的散射計(jì)海面風(fēng)場反演而設(shè)計(jì)，后被證明同樣適用于SAR風(fēng)場反演。在眾多CMOD函數(shù)版本中，較為常用且經(jīng)過多種SAR影像數(shù)據(jù)檢驗(yàn)的有CMOD4[3]、CMOD-IFR2[4]、CMOD5[5]和CMOD5.N[6]模式函數(shù)。CMOD7是CMOD系列函數(shù)最新的版本，但目前多應(yīng)用于C波段散射計(jì)風(fēng)場的處理，用于SAR風(fēng)場反演的研究較少[7]。對于HH極化影像風(fēng)場反演，通常的做法是利用極化比（Polarization Ratio，PR）模型將HH極化SAR歸一化雷達(dá)后向散射系數(shù)（Normalized Radar Cross Section，NRCS）轉(zhuǎn)化為VV極化NRCS，然后再代入CMOD模式函數(shù)用于反演海面風(fēng)速。PR模型是一種半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ胶瘮?shù)，通過擬合HH極化NRCS與海表面風(fēng)速、入射角和相對風(fēng)向等信息而開發(fā)的。目前，學(xué)者們基于不同SAR影像數(shù)據(jù)開發(fā)了眾多版本的PR模型，由于建立模型的數(shù)據(jù)源和參考風(fēng)場不同，因此各種模型的適用性仍有待進(jìn)一步研究[8-13]。

相較共極化（VV和HH極化）SAR影像，交叉極化（VH和HV極化）SAR數(shù)據(jù)可以獲取更多的海洋環(huán)境信息，從而在海面風(fēng)場遙感領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢。隨著加拿大RADARSAT-2（RS-2）和中國高分三號(hào)SAR衛(wèi)星的成功發(fā)射，我們可以同時(shí)獲取VV、HH、VH和HV極化的SAR影像，使得交叉極化SAR海面風(fēng)速反演成為可能。Vachon等[14]選用加拿大環(huán)境及氣候變化部（Environment and Climate Change Canada）的浮標(biāo)風(fēng)場作為參考數(shù)據(jù)，對比分析了RS-2精細(xì)四極化SAR雷達(dá)后向散射系數(shù)和海表面風(fēng)速的關(guān)系。分析結(jié)果表明：交叉極化SAR的NRCS與風(fēng)速呈線性關(guān)系，與風(fēng)向和雷達(dá)入射角無關(guān)，并以此建立了一個(gè)線性交叉極化風(fēng)速反演模型。隨后，Zhang等[15]通過對比分析534幅RS-2交叉極化NRCS和美國國家浮標(biāo)中心（National Data Buoy Center，NDBC）浮標(biāo)風(fēng)速的關(guān)系，同樣發(fā)現(xiàn)交叉極化NRCS與風(fēng)速呈線性關(guān)系，并提出了用于交叉極化風(fēng)速反演的C-2PO（C-band cross-Polarized Ocean backscatter model）模型。最近研究發(fā)現(xiàn)，高海況下利用共極化SAR數(shù)據(jù)反演海面風(fēng)速會(huì)出現(xiàn)“飽和”現(xiàn)象，即反演風(fēng)速低于實(shí)際風(fēng)速。然而，這一現(xiàn)象并未出現(xiàn)在交叉極化SAR海面風(fēng)速反演中。因此，交叉極化SAR影像被廣泛應(yīng)用于颶風(fēng)觀測，學(xué)者們基于這一特性也開發(fā)了眾多用于颶風(fēng)風(fēng)速反演的模型，并取得了良好的反演效果[16-17]。

相較傳統(tǒng)的單極化SAR系統(tǒng)，星載RS-2四極化SAR衛(wèi)星可以測量完整的極化散射矩陣，獲取更多的海洋環(huán)境參數(shù)信息，從而在海面風(fēng)場遙感領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢。近年來，RS-2 SAR影像數(shù)據(jù)在中國沿海海域也有了初步應(yīng)用。韓冰等[18]以ERAInterim資料構(gòu)建海面初始風(fēng)向場，對4景成像于中國海域的RS-2精細(xì)四極化影像開展了風(fēng)速反演實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：在4種極化通道下，SAR反演風(fēng)速與ERA-Interim風(fēng)速均有著良好的一致性，從而表明該數(shù)據(jù)在中國海域的可應(yīng)用性。同年，許遐禎等[19]采用RS-2寬幅掃描、窄幅掃描模式和標(biāo)準(zhǔn)模式的7景RS-2 SAR影像，聯(lián)合ERA-Interim風(fēng)場對共極化SAR數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)速反演研究。結(jié)果顯示：VV極化數(shù)據(jù)采用CMOD4模式函數(shù)表現(xiàn)最好，與ERAInterim風(fēng)速的均方根誤差（Root Mean Square Error，RMSE）為1.5 m/s；HH極化數(shù)據(jù)則采用CMOD4、CNMO-IFR2和CMOD5與Kirchhoff模型的組合函數(shù)更適用于海面風(fēng)速反演，與ERA-Interim風(fēng)速的RMSE均在2 m/s以內(nèi)。

綜上所述，利用RS-2不同極化SAR影像數(shù)據(jù)，基于現(xiàn)有風(fēng)速反演模型可以在我國沿海海域獲取海表面風(fēng)速數(shù)據(jù)。但由于影像數(shù)量有限，且沒有實(shí)況觀測風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行對比驗(yàn)證，因此對于各極化通道下最佳風(fēng)速模型的選取仍有待進(jìn)一步驗(yàn)證。本研究選取102景我國沿海海域RS-2精細(xì)四極化原始SAR影像開展風(fēng)速反演研究，基于較常用的風(fēng)速反演模型對比分析了共極化和交叉極化SAR風(fēng)速的反演效果，探究各極化方式數(shù)據(jù)反演風(fēng)速的最優(yōu)方法，并對HH極化和交叉極化數(shù)據(jù)的NRCS與海面風(fēng)速關(guān)系進(jìn)行進(jìn)一步研究分析。

2 數(shù)據(jù)處理和方法

2.1 RS-2 SAR影像

RS-2是一顆搭載C波段傳感器的高分辨率商用雷達(dá)衛(wèi)星，于2007年12月發(fā)射升空，設(shè)計(jì)壽命7～12 a，至今仍在軌運(yùn)行。RS-2具有1 m高分辨率和全天候成像能力，其搭載的傳感器具有多極化方式和多空間分辨率的特點(diǎn)，使得RS-2衛(wèi)星具有多種成像模式，可以同時(shí)提供VV、HH、VH和HV極化SAR影像，是世界上最先進(jìn)的商業(yè)SAR衛(wèi)星之一。本文選用的RS-2影像為精細(xì)四極化（Quad-Fine）單視復(fù)型產(chǎn)品（Single-Look Complex，SLC）。該產(chǎn)品標(biāo)稱空間分辨率8 m×5m，刈幅25 m×25 km，入射角范圍20°～60°。產(chǎn)品除了提供傳統(tǒng)的共極化數(shù)據(jù)外，還可以提供交叉極化數(shù)據(jù)，極大地豐富了SAR觀測的地物目標(biāo)信息。此外，精細(xì)四極化SAR數(shù)據(jù)具有較大的信噪比，各極化通道串?dāng)_噪聲低于-35 dB，保證了交叉極化信號(hào)強(qiáng)度不受同極化數(shù)據(jù)的污染，從而可以較好地應(yīng)用于海面風(fēng)場反演中。

在利用SAR數(shù)據(jù)進(jìn)行海面風(fēng)速反演前，需對高分辨率原始SAR影像進(jìn)行預(yù)處理，主要包括輻射定標(biāo)、降噪濾波、海陸掩膜和空間分辨率重采樣。本文選用的RS-2 SLC SAR數(shù)據(jù)是經(jīng)過輻射校正后的數(shù)據(jù)，因此可以直接利用官方用戶手冊提供的定標(biāo)參數(shù)進(jìn)行輻射定標(biāo)。SAR是一種相干的成像系統(tǒng)，在其對目標(biāo)成像過程中，不可避免地形成一種稱為“玟斑”的噪聲。斑點(diǎn)噪聲的存在嚴(yán)重影響SAR圖像的質(zhì)量，進(jìn)而影響海面風(fēng)速信息的準(zhǔn)確提取。為了克服這一缺陷，學(xué)者們一般采用降低原始SAR影像空間分辨率的方法來獲取高精度海面風(fēng)速。為了降低斑點(diǎn)噪聲對SAR影像的影響，本文對原始SAR圖像進(jìn)行100 m×100 m的空間分辨率重采樣[20]。中國沿海島嶼眾多，陸地相對于海面而言較為粗糙，其后向散射系數(shù)遠(yuǎn)高于海面，是影響沿海SAR風(fēng)場反演精度的重要因素。因此，對本研究所選SAR數(shù)據(jù)中的島嶼和陸地影像，采用10 m水深矢量進(jìn)行陸地掩膜，水深矢量采用美國國家海洋和大氣管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）提供的ETOPO1地形高程數(shù)據(jù)。此外，在利用SAR影像進(jìn)行海面風(fēng)場反演前，我們還采用“同質(zhì)性濾波”算法對海上目標(biāo)物和內(nèi)波等非風(fēng)場信號(hào)進(jìn)行剔除，以此保證SAR風(fēng)場反演的準(zhǔn)確性[15]。

2.2 再分析資料

ERA-Interim是歐洲中長期天氣預(yù)報(bào)中心（European Center for Medium range Weather Forecasts,ECMWF）提供的再分析數(shù)據(jù)，是連接再分析數(shù)據(jù)（ERA-40）與新一代再分析產(chǎn)品的過渡數(shù)據(jù)。它可以提供海面10m高處U（東西方向，正值）和V（南北方向，負(fù)值）風(fēng)速分量數(shù)據(jù)，空間最高分辨率為0．125°×0．125°，時(shí)間分辨率為6 h。Song等[21]采用中國科學(xué)院近海海洋觀測研究網(wǎng)絡(luò)黃海站和東海站浮標(biāo)數(shù)據(jù)，對2010—2011年期間的ERAInterim風(fēng)場進(jìn)行評(píng)估。結(jié)果顯示：ERA-Interim風(fēng)場在黃海和東海海域與浮標(biāo)風(fēng)場有著良好的一致性，從而證明了ERA-Interim風(fēng)場在東海和黃海海域是真實(shí)可靠的。因此，本文選取ERA-Interim風(fēng)場作為RS-2 SAR風(fēng)速反演所使用的外部風(fēng)場和參考風(fēng)場。

2.3 數(shù)據(jù)時(shí)空匹配

利用RS-2共極化SAR影像開展海面風(fēng)速反演實(shí)驗(yàn)，需要借助外部風(fēng)向信息，構(gòu)建初始風(fēng)向場，然后通過CMOD模型函數(shù)提取風(fēng)速信息；另一方面，對于SAR影像反演得出的風(fēng)速場，需要利用參考風(fēng)速對其進(jìn)行評(píng)估，從而確定反演風(fēng)速的精度。因此，在進(jìn)行海面風(fēng)速反演前，需要將SAR影像與參考風(fēng)場進(jìn)行時(shí)間和空間匹配，從而建立SAR影像與參考數(shù)據(jù)間的時(shí)空關(guān)系。

ERA-Interim數(shù)據(jù)和SAR影像空間匹配流程如圖1所示。時(shí)間上，RS-2衛(wèi)星在中國海域的過境時(shí)間分別約為10時(shí)（升軌，世界時(shí)，下同）和22時(shí)（降軌），基于時(shí)間間隔最小原則，本文選取當(dāng)日12時(shí)和次日0時(shí)的U和V風(fēng)速分量?？臻g上，RS-2精細(xì)四極化SAR影像幅寬約25 km×25 km，而ERAInterim的空間分辨率為0．125°×0．125°，因此，本文利用插值方法，在一幅SAR影像內(nèi)選取5～7個(gè)ERA-Interim網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)據(jù)。圖2所示為1景SAR影像與ERA-Interim風(fēng)場的時(shí)空匹配。圖中ERAInterim樣本點(diǎn)S2、S3、S4、S5、S6、S7和S8落在SAR影像，因此可以認(rèn)為是有效樣本點(diǎn)。

圖1 RS-2 SAR影像訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫與ERA-Interim匹配流程圖

本文中，將102景RS-2 SAR影像以及時(shí)空匹配的ERA-Interim風(fēng)場分為訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫和測試數(shù)據(jù)。訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫包括102景RS-2 SAR影像，有效樣本點(diǎn)為735個(gè)，用于在各極化通道下開展SAR風(fēng)速反演實(shí)驗(yàn)；測試數(shù)據(jù)庫包括24景RS-2 SAR影像，有效樣本點(diǎn)為164個(gè)，用于驗(yàn)證本文提出HH和交叉極化SAR風(fēng)速反演模型。

圖2 RS-2精細(xì)四極化SAR影像（成像時(shí)間為2012年8月8日22時(shí)03分40秒；紅色“+”表示ERA-Interim樣本點(diǎn)；紅色箭頭表示風(fēng)向；原始影像產(chǎn)品版權(quán)歸MacDonald、Dettwiler和Associate s Ltd公司所有）

2.4 四極化SAR海面風(fēng)速反演模型

對于VV極化SAR數(shù)據(jù)，目前國際上使用最為廣泛且經(jīng)過大量數(shù)據(jù)驗(yàn)證的是CMOD4、CMODIFR2、CMOD5和CMOD5.N[1-2，18-19]。CMOD函數(shù)一般表達(dá)式如下：

式中：σ0VV為VV極化的NRCS；?為相對風(fēng)向；系數(shù)b0、b1和b2為入射角θ和海表面10 m高處風(fēng)速u10的函數(shù)。對于CMOD4、CMOD5和CMOD5.N模式函數(shù)，指數(shù)n=1．6；對CMOD-IFR2模式函數(shù)，n=1。由式（1）可以看出，在已知雷達(dá)入射角、相對風(fēng)向以及VV極化的NRCS時(shí)，可以計(jì)算出海表面10 m高處風(fēng)速。圖3a和3b分別表示不同CMOD模式函數(shù)模擬的σ0VV與海面風(fēng)速和相對風(fēng)向之間的關(guān)系。

對于HH極化SAR數(shù)據(jù)，其風(fēng)速反演一般做法是利用PR模型將HH極化的NRCSσ0HH轉(zhuǎn)化為σ0VV，然后代入CMOD模式函數(shù)中進(jìn)行風(fēng)速計(jì)算。極化比的一般形式如下：

基于不同SAR衛(wèi)星數(shù)據(jù)，學(xué)者們提出了不同的PR模型，主要可以分為兩大類：一類是只與入射角有關(guān)的比值形式PR模型；另一類是與入射角和海面風(fēng)矢量有關(guān)的指數(shù)形式PR模型。本文采用目前較為常用的6種PR模型進(jìn)行HH極化SAR數(shù)據(jù)風(fēng)速 反 演，分 別 記 為E1996[8]、T1998[9]、H2000[10]、V2000[11]、M2005[12]和Z2011[13]。圖3c為上述6種PR模型模擬的極化比數(shù)值隨雷達(dá)入射角的變化。

除共極化SAR影像外，交叉極化SAR影像在海面風(fēng)場遙感領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用。Vachon等[14]基于550景RS-2四極化SAR數(shù)據(jù)和浮標(biāo)風(fēng)場資料，構(gòu)建了Vachon-CP的交叉極化SAR風(fēng)速反演模型，并指出交叉極化的NRCS僅和海面風(fēng)速有關(guān)，而與入射角無關(guān)。隨后，Zhang等[15]基于這一特性，在Vachon-CP模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了相應(yīng)的參數(shù)調(diào)整，提出了C-2PO風(fēng)速反演模型。Vachon-CP模型和C-2PO模型的一般表達(dá)式如下：

式中：σ0VH/HV表示VH/HV交叉極化的NRCS。圖3d為Vachon_CP和C-2PO模型仿真的海面風(fēng)速與交叉極化NRCS的關(guān)系。

3 風(fēng)速反演結(jié)果和對比分析

基于120景訓(xùn)練SAR數(shù)據(jù)庫中735個(gè)樣本點(diǎn)以及時(shí)空匹配的ERA-Interim風(fēng)場，利用相應(yīng)風(fēng)速反演模型，分別在VV、HH、VH和HV極化通道下開展SAR風(fēng)速反演實(shí)驗(yàn)。此外，本文選取RMSE、偏差（Bias）和相關(guān)系數(shù)（Corr）作為評(píng)價(jià)參數(shù)，用于檢驗(yàn)SAR風(fēng)速反演模型的性能。一般認(rèn)為，SAR反演風(fēng)速與參考風(fēng)速RMSE小于2 m/s，即可認(rèn)為SAR反演風(fēng)速滿足高精度海面風(fēng)速反演要求[2，14-15，20]。

圖3 不同極化模式SAR風(fēng)速反演模型比較

以ERA-Interim風(fēng)場作構(gòu)建海面初始風(fēng)向，分別利用CMOD4、CMOD-IFR2、CMOD5和CMOD5.N模式函數(shù)對VV極化RS-2數(shù)據(jù)進(jìn)行海面風(fēng)速反演。圖4為利用CMOD模式函數(shù)的SAR反演風(fēng)速與ERA-Interim風(fēng)速對比圖。圖中可以看出，基于CMOD4、CMOD-IFR2、CMOD5和CMOD5.N的SAR反演風(fēng)速與ERA-Interim風(fēng)速的RMSE分別為2.23 m/s、2.34 m/s、1.94 m/s和2.12 m/s，4種CMOD模式函數(shù)均可以反演出較高精度的海表面風(fēng)速，其中利用CMOD5函數(shù)反演的效果最好。

利用HH極化SAR影像反演風(fēng)速，需首先將HH極化NRCS轉(zhuǎn)換為VV極化的NRCS，然后代入CMOD模式函數(shù)求解海面風(fēng)速。本文以ERA-Interim風(fēng)場作構(gòu)建海面初始風(fēng)向，利用CMOD5 模 型 與 E1996[8]、T1998[9]、H2000[10]、V2000[11]、M2005[12]和Z2011[13]極化比模型的組合函數(shù)，對HH極化SAR影像進(jìn)行風(fēng)速反演。圖5為基于CMOD5函數(shù)聯(lián)合6種極化比模型函數(shù)的SAR反演風(fēng)速與ERA-Interim風(fēng)速對比圖。圖中可以看出，CMOD5+E2005、CMOD5+T1998、CMOD5+H2000、CMOD5+V2000、CMOD+M2005和CMOD+Z2011組合模型反演風(fēng)速與ERA-Interim風(fēng)速RMSE分別為3.07 m/s、4.35 m/s、2.86 m/s、3.54 m/s、5.21 m/s和2.75 m/s，與ERA-Interim風(fēng)速RMSE均大于2 m/s，風(fēng)速反演效果無法滿足高精度風(fēng)速反演要求。此外，CMOD5+M2005和CMOD5+T200組合模型反演風(fēng)速在高風(fēng)速下（＞15 m/s）嚴(yán)重高于ERA-Interim風(fēng)速，已無法得到可信風(fēng)速。CMOD5+V2000組合模型反演風(fēng)速在0～10 m/s風(fēng)速區(qū)間嚴(yán)重高于ERA-Interim風(fēng)速，無法得到可信風(fēng)速。CMOD5+E1996組合模型反演風(fēng)速在高風(fēng)速下與ERA-Interim風(fēng)速一致性較差。

對于RS-2精細(xì)四極化SAR影像中交叉極化數(shù)據(jù)，已有研究證明交叉極化的NRCS僅和海表面風(fēng)速有關(guān)，與雷達(dá)入射角和風(fēng)向無關(guān)，因此可以直接利用C-2PO模型和Vachon-CP模型進(jìn)行海面風(fēng)速反演。圖6為C-2PO和Vachon-CP模型SAR反演風(fēng)速與ERA-Interim風(fēng)速對比，圖中可以看出兩個(gè)模型均可以從交叉極化SAR影像得到反演風(fēng)速?；赩achon-CP模型的VH和HV極化SAR反演風(fēng)速與ERA-Interim風(fēng)速RMSE分別為2.61 m/s和2.65 m/s，而基于C-2PO模型的VH和HV極化SAR反演風(fēng)速與ERA-Interim風(fēng)速RMSE分別為2.82 m/s和2.78 m/s。無論是C-2PO模型還是Vachon模型，其在VH和HV極化通道下SAR反演風(fēng)速具有很好的一致性，但由于SAR反演風(fēng)速普遍低于參考風(fēng)速，導(dǎo)致RMSE較大，無法滿足高精度海面風(fēng)速反演要求。表1為不同極化通道下，基于不同風(fēng)速反演模型的SAR反演風(fēng)速與ERA-Interim風(fēng)速對比。

圖4 基于CMOD模式函數(shù)的SAR反演風(fēng)速與ERA-Interim風(fēng)速對比圖（單位：m/s；N=735）

圖5 基于CMOD5函數(shù)聯(lián)合6種極化比模型函數(shù)的SAR反演風(fēng)速與ERA-Interim風(fēng)速對比圖（單位：m/s；N=735）

4 極化比和交叉極化模型的優(yōu)化

基于訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫VV極化SAR數(shù)據(jù)，利用CMOD5模式函數(shù)反演風(fēng)速與ERA-Interim風(fēng)速RMSE為1.94 m/s，優(yōu)于CMOD4、CMOD-IFR2和CMOD5.N函數(shù)，滿足高精度海面風(fēng)速反演要求。然而，利用CMOD5函數(shù)和6種極化比組合模型的SAR反演風(fēng)速與ERA-Interim風(fēng)速誤差較大，即使效果最好的CMOD+Z2011模型，其反演風(fēng)速與參考風(fēng)速RMSE也高于2 m/s（為2.75 m/s），難以滿足高精度海面風(fēng)速反演要求。同樣，基于交叉極化的C-2PO和Vachon-CP模型SAR反演風(fēng)速與ERAInterim風(fēng)速RMSE大于2 m/s，且SAR反演風(fēng)速明顯低于ERA-Interim風(fēng)速，這也是造成RMSE偏大的一個(gè)重要原因。為了提高SAR海面風(fēng)速反演精度，本文利用訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫中735個(gè)樣本點(diǎn)對HH極化和交叉極化風(fēng)速反演模型進(jìn)行改進(jìn)，并利用測試數(shù)據(jù)庫中24景RS-2四極化SAR影像聯(lián)合ERAInterim風(fēng)速資料進(jìn)行驗(yàn)證。

4.1 PR_CS極化比模型

由指數(shù)形式的極化比模型可知，RS-2共極化SAR影像的極化比值是入射角θ的函數(shù)，兩者呈現(xiàn)出較強(qiáng)的非線性關(guān)系。因此，我們首先提取735個(gè)樣本點(diǎn)的極化比值和入射角進(jìn)行分析。由圖7a可以看出，RS-2四極化SAR影像極化比值隨入射角的增加而增加。利用非線性擬合方法，在Z2011極化比模型的基礎(chǔ)上對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行重新賦值，記做PR_CS（PR_China Seas）模型，其表達(dá)式為：

圖6 基于C-2PO和Vachon-CP模型的SAR反演風(fēng)速和ERA-Interim風(fēng)速對比（單位：m/s；N=735）

表1不同極化通道下SAR反演風(fēng)速與ERA-Interim風(fēng)速對比

式中：A1、A2和A3為常系數(shù)，其擬合值如表2所示。

表2 PR_CS極化比模型系數(shù)及擬合值

為了驗(yàn)證PR_CS極化比模型的適用性，我們首先對圖2 SAR影像中共極化數(shù)據(jù)開展風(fēng)速反演實(shí)驗(yàn)。圖8分別為基于CMOD5模式函數(shù)的VV極化SAR影像反演風(fēng)速和基于CMOD5+PR_CS組合模型的HH極化SAR影像反演風(fēng)速。表3為S2～S8樣本點(diǎn)SAR反演風(fēng)速與ERA-Interim風(fēng)速誤差對比。從表中可以看出，在S2～S8樣本點(diǎn)中，SAR反演風(fēng)速與ERA-Interim風(fēng)速誤差均小于2.5 m/s，兩者具有良好的一致性。然后，我們選取測試數(shù)據(jù)庫中24景RS-2精細(xì)四極化HH極化SAR數(shù)據(jù)進(jìn)行海面風(fēng)速反演實(shí)驗(yàn)。圖7b為CMOD5+PR_CS組合模型反演風(fēng)速與ERA-Interim風(fēng)速散點(diǎn)圖。從圖中可以看出，CMOD5+PR_CS組合模型反演風(fēng)速與測風(fēng)塔觀測風(fēng)速有著良好的一致性，兩者RMSE為1.54 m/s，滿足高精度海表面風(fēng)速反演要求。

4.2 CP_CS交叉極化風(fēng)速反演模型

由Vachon-CP和C-2PO模型可知，交叉極化的SAR NRCS僅和海表面風(fēng)速有著較強(qiáng)的線性關(guān)系，而與海面風(fēng)向和入射角無關(guān)。由圖6可以看出，基于交叉極化SAR影像反演的風(fēng)速明顯高于ERAInterim風(fēng)速，這也是造成風(fēng)速反演誤差的重要原因。因此，本節(jié)通過研究交叉極化NRCS和ERAInterim風(fēng)速的線性關(guān)系，對交叉極化SAR風(fēng)速反演模型中的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)，以解決SAR反演風(fēng)速過高的問題。圖9為訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫中735個(gè)交叉極化NRCS樣本點(diǎn)與ERA-Interim風(fēng)速的關(guān)系。從圖中可以看出，VH和HV極化NRCS與ERA-Interim有著較強(qiáng)的線性關(guān)系，利用線性擬合算法，可以得出記為CP_CS（CP_China Seas）的交叉極化風(fēng)速反演模型：

圖7 PR_CS極化比模型及風(fēng)速反演

圖8 基于不同模式的極化SAR影像反演風(fēng)速（單位：m/s）

為了驗(yàn)證CP_CS風(fēng)速反演模型的適用性，我們首先對圖2的SAR影像中交叉極化數(shù)據(jù)開展風(fēng)速反演實(shí)驗(yàn)。圖10為基于CP_CS模型的VH極化SAR影像（見圖2c）反演風(fēng)速和HV極化SAR影像（見圖2d）反演風(fēng)速。表3為相應(yīng)的S2～S8樣本點(diǎn)SAR反演風(fēng)速與ERA-Interim風(fēng)速誤差對比。從表中可以看出，在S2～S8樣本點(diǎn)中，SAR反演風(fēng)速與ERA-Interim風(fēng)速誤差均小于2 m/s，滿足高精度海面風(fēng)速反演要求。隨后，我們選取測試數(shù)據(jù)庫中24景RS-2交叉極化SAR影像進(jìn)行海面風(fēng)速反演實(shí)驗(yàn)。圖11為基于CP_CS模型的交叉極化SAR反演風(fēng)速與ERA-Interim風(fēng)速散點(diǎn)圖。從圖中可以看出，VH和HV極化SAR反演風(fēng)速與ERAInterim風(fēng)速有著良好的一致性，兩者RMSE分別為1.43 m/s和1.51 m/s，偏差分別為-0.01 m/s和-0.06 m/s，且沒有出現(xiàn)交叉極化SAR數(shù)據(jù)風(fēng)速反演過高的問題。

表3 S2～S8樣本點(diǎn)SAR反演風(fēng)速與ERA-Interim風(fēng)速誤差（單位：m/s）

表4 S2～S8樣本點(diǎn)SAR反演風(fēng)速與ERA-Interim風(fēng)速誤差（單位：m/s）

圖9 交叉極化NRCS樣本點(diǎn)與ERA-Interim風(fēng)速的關(guān)系（N=735）

圖10 基于CP_CS模型的極化SAR影像反演風(fēng)速（單位：m/s）

圖11 基于CP_CS模型的極化SAR反演風(fēng)速和ERA-Interim風(fēng)速（N=164）

5 討論

本文基于RS-2精細(xì)四極化SAR影像和ERAInterim風(fēng)場，分別對現(xiàn)有HH極化和交叉極化風(fēng)速反演模型進(jìn)行了改進(jìn)，并建立了PR_CS和CP_CS風(fēng)速反演模型。經(jīng)過驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，利用改進(jìn)的相應(yīng)算法模型，可以有效地從RS-2四極化SAR影像中提取高精度海面風(fēng)速。需要特別指出的是，無論是用于HH極化影像的PR_CS模型還是用于交叉極化影像的CP_CS模型，均是基于RS-2精細(xì)四極化SAR影像NRCS和ERA-Interim風(fēng)場而建立的。因此，在利用ERA-Interim作為參考風(fēng)場時(shí)，RS-2 HH和交叉極化SAR反演風(fēng)速結(jié)果得到了一定的改進(jìn)，后續(xù)研究還將獲取更多的參考風(fēng)場（如海洋浮標(biāo)和觀測站等）用于驗(yàn)證PR_CS和CP_CS風(fēng)速反演模型在中國海域的適用性。

共極化和交叉極化SAR反演風(fēng)速描述的海面風(fēng)矢量與雷達(dá)后向散射系數(shù)的關(guān)系是經(jīng)驗(yàn)性的。要想獲得更準(zhǔn)確的海面風(fēng)速數(shù)據(jù)，不僅需要加深對電磁散射模型物理機(jī)制的理解，還依賴大量的SAR遙感數(shù)據(jù)和現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)支持。筆者通過查詢加拿大自然資源部（Natural Resources Canada）RADARSAT系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)庫發(fā)現(xiàn)，自RS-2 SAR衛(wèi)星2007年衛(wèi)星發(fā)射至今，在中國海域僅精細(xì)四極化數(shù)據(jù)就有近2 000景，因此在后續(xù)的研究中還應(yīng)獲取更多的SAR數(shù)據(jù)用于海面風(fēng)場反演的研究。此外，風(fēng)速反演模型的開發(fā)和應(yīng)用還有賴于實(shí)況觀測資料（浮標(biāo)和測風(fēng)塔等），但中國海域暫時(shí)還沒有公開和免費(fèi)的實(shí)況觀測數(shù)據(jù)，這也是導(dǎo)致利用SAR衛(wèi)星在我國沿海開展風(fēng)場反演研究較少的原因之一。隨著我國業(yè)務(wù)化運(yùn)行的海洋觀測平臺(tái)系統(tǒng)的完善，未來可以提供實(shí)時(shí)和公開的海洋風(fēng)場產(chǎn)品，這將為中國海域SAR風(fēng)場反演研究以及沿海風(fēng)能資源評(píng)估提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

6 結(jié)論

本文以我國東海和南海海域?yàn)檠芯繀^(qū)，選用ERA-Interim風(fēng)場為參考風(fēng)場資料，對RS-2精細(xì)四極化SAR影像數(shù)據(jù)進(jìn)行海表面風(fēng)速反演。首先，將102景RS-2 SAR影像分為訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫和測試數(shù)據(jù)庫；隨后，基于訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫中VV、HH、VH和HV極化SAR數(shù)據(jù)，對常用SAR風(fēng)速反演模型進(jìn)行對比分析，并對HH和VH極化風(fēng)速反演模型進(jìn)行改進(jìn)；最后，利用測試數(shù)據(jù)庫對本文改進(jìn)的風(fēng)速反演模型進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)論如下:

（1）基于測試數(shù)據(jù)庫VV極化SAR數(shù)據(jù)，CMOD4、CMOD5、CMOD-IFR2和CMOD5.N模式函數(shù)均能反演出有效風(fēng)速。其中，利用CMOD5模型反演風(fēng)速的精度要優(yōu)于其他三者，其與ERAInterim風(fēng)速的RMSE為1.94 m/s。

（2）基于測試數(shù)據(jù)庫HH極化SAR數(shù)據(jù)，對比分析 了CMOD5與E1996、T1998、H2000、V2000、M2005和Z2011的組合模型反演風(fēng)速效果。結(jié)果顯示，雖然6種組合模型均能從HH極化SAR影像中反演風(fēng)速，但其精度較差，難以滿足高精度海面風(fēng)速反演要求。對于交叉極化SAR數(shù)據(jù)，SAR反演風(fēng)速明顯低于ERA-Interim風(fēng)速，無法得出高精度海面風(fēng)速。

（3）為了提高HH和交叉極化SAR反演風(fēng)速精度，本文基于測試數(shù)據(jù)對現(xiàn)有風(fēng)速模型進(jìn)行改進(jìn)，分別提出了PR_CS極化比模型和CP_CS交叉極化SAR風(fēng)速反演模型。隨后，利用測試數(shù)據(jù)庫中SAR影像進(jìn)行風(fēng)速反演實(shí)驗(yàn)，并利用ERA-Interim風(fēng)速進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)論顯示：CMOD5+PR_CS組合模型可以從HH極化SAR影像反演得出高精度海面風(fēng)速，與參考風(fēng)速RMSE為1.54 m/s；基于CP_CS模型的VH和HV極化SAR反演風(fēng)速與ERA-Interim風(fēng)速RMSE分別為1.43 m/s和1.51 m/s，偏差分別為-0.01 m/s和-0.06 m/s，滿足海表面風(fēng)速反演要求，且有效解決了交叉極化SAR數(shù)據(jù)風(fēng)速反演過高的缺陷。

致謝：本文使用的RADARSAT-2精細(xì)四極化SAR影像數(shù)據(jù)由加拿大貝德福德海洋研究所（Bedford Institute of Oceanography）William Perrie教授提供，原始影像產(chǎn)品版權(quán)歸MacDonald、Dettwiler和Associates Ltd公司所有。ERAInterim數(shù)據(jù)由歐洲空間局（European Space Agency）提供。在此表示感謝！