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一种海浪有效波高场的融合反演方法和装置专利申报书

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一种海浪有效波高场的融合反演方法和装置专利申报书

中国专利奖申报书(发明/实用新型)专 利 号: ZL201610171982.X 专利名称:一种海浪有效波高场的融合反演方法和装置 申报单位: 国家海洋环境预报中心 推荐单位: 自然资源部 二一九年 五 月 八 日国家知识产权局制一、申报项目基本信息专利号ZL201610171982.X专利名称一种海浪有效波高场的融合反演方法和装置专利权人国家海洋环境预报中心、国家卫星海洋应用中心发明人王久珂、李本霞、宋清涛、张有广、高志一、王兆徽IPC主分类号 IPC主分类号可通过国家知识产权局网站查询。G01S13/00(2006.01);G06F19/00(2011.01)通讯地址/邮编北京市,海淀区,大慧寺路8号,国家海洋环境预报中心/100081联系人1王久珂手机13811958902办公电话010-62105736电子邮箱wangjiuke_nmefc163.com联系人2手机办公电话电子邮箱推荐单位自然资源部二、专利质量评价材料评价“三性”和“文本质量”,说明参评专利质量的优秀程度(一)新颖性和创造性:列出若干个申请日之前最接近的技术,简要介绍其技术方案;并详细说明未对参评专利的新颖性和创造性构成实质性影响。海洋面积广阔,现有的海浪观测手段的空间、时间覆盖率低是目前海浪等海洋观测领域中的最大问题。本专利即是针对目前海浪观测时空覆盖率低这一局限所提出的。前人为解决海浪观测时空覆盖率低这一关键问题提出了若干融合方法,此处仅列举最具代表性以及使用最为广泛的方法。陈小燕等使用Jason-1和Evisat等高度计有效波高数据在我国海域开展了关于融合方法的研究;徐广珺等使用反距离加权法融合了HY2、Jason-1/2以及Evisat高度计有效波高产品,获得时间分辨率为10天的有效波高融合产品。上述采用多源星载雷达高度计融合方法是最为直接的提高空间覆盖率的方法,但此方法仅能够融合星载雷达高度计的观测,而且将以极大的牺牲时间分辨率为代价来换取空间覆盖率的有限提升。星载雷达高度计受限于本身的观测原理,其只能观测星下点轨迹的海浪要素,而星载微波散射计观测的幅宽(后使用专业名词:刈幅)则要广阔很多,因此有学者直接基于星载微波散射计的观测开展了海浪反演研究。其中过杰等、何宜军等学者使用神经网络方法,基于ERS及QuikSCAT散射计数据提取有效波高等海浪参数,使得海浪产品具有散射计高空间覆盖率的特点。但是,这种海浪反演产品在风浪占优的情况下能够得到较为理想的结果,在涌浪成分较多的情况下误差较为明显,而对于大洋而言,涌浪在波浪能量中往往是不能够忽略的,所以上述方法也具有一定的应用局限性。因此,在本专利提出之前,事实上仍然缺乏一种在保证观测精度的基础上有效拓展海浪观测空间覆盖率的方法。本专利所述方法创造性地结合了星载雷达高度计与星载微波散射计两种不同的探测手段(载荷),基于我国自主研制的海洋二号(HY2)卫星,给出了获取宽刈幅、高空间覆盖、高时空分辨率海浪有效波高场的融合方法,新颖的结合了星载微波辐射高空间覆盖率与星载雷达高度计测浪准确这两种观测手段各自的优点。本专利所述方法并非是对上述前人相关融合等方法的直接改进,而是原创性地通过融合海洋卫星不同载荷不同要素的遥感观测所提出的新方法,即首先通过风浪关系将微波散射计观测的宽刈幅海面风场转化为同刈幅风浪场,再利用与微波散射计观测相匹配的雷达高度计有效波高观测数据对此风浪场进行订正,最终获得高空间覆盖、高时空分辨率海浪宽刈幅海浪有效波高融合场。通过与中国近海业务海浪观测浮标与国际大洋海浪浮标的观测的对比表明该融合方法得到的海浪有效波高场在拥有高空间覆盖、高时空分辨率的同时也具有较高的精度,同时也不必牺牲卫星观测的时间分辨率,即保持了原有卫星观测的实时性。综上所述,本专利所述方法能够有效的改善目前海洋观测领域中海浪观测空间覆盖率低这一关键性问题。(二)实用性:结合实施情况,说明参评专利的技术方案能够制造或使用,并已产生了积极的效果。本专利所述方法能够有效的改善目前海浪观测中空间覆盖率低的问题,并具有高精度、高时空分辨率的特点,这对于我国海上活动安全保障以及海洋防灾减灾工作都具有重要意义。因此本专利所述方法在负责我国业务化海浪预警报以及承担军民融合保障任务的相关单位均开展了较为广泛的应用并产生了积极的效果。应用单位包括自然资源部国家海洋环境预报中心、国家卫星海洋应用中心、浙江省海洋监测预报中心。自然资源部国家海洋环境预报中心是我国唯一的国家级海洋预报官方机构,负责对社会公众发布我国业务化海洋环境预报与警报服务,并为国家海上重大活动提供海洋环境预报保障服务;自然资源部国家卫星海洋应用中心是我国国家级海洋卫星业务运行维护以及卫星产品发布的官方机构,为我国涉海活动与军民融合保障任务提供海洋卫星多要素遥感数据与服务;浙江省海洋监测预报中心是浙江省海洋渔业局下属的浙江省海洋环境监测与预报官方机构,负责浙江省海洋活动安全保障业务工作。本专利所述方法在上述机构与单位开展了较长时间的业务化应用,在上述单位机构的每日常规海浪预报发布和实况分析、汛期海浪灾害应急、北极航线保障、国家防总会商、军民融合重点海域保障等公益预报服务以及国家重大应急事件中发挥了重要的作用,为我国涉海活动的海浪灾害预警报保障和防灾减灾提供了有效的数据支撑。上述单位均为本专利的应用开具应用证明,应用证明文件的扫描版如图1-图3所示。图1. 国家海洋环境预报中心应用证明图2. 国家卫星海洋应用中心应用证明图3. 浙江省海洋监测预报中心应用证明(三)文本质量:请详细说明:1.说明书已清楚、完整地公开发明的内容,并使所属技术领域的技术人员能够理解和实施。2.权利要求书清楚、简要。3.权利要求以说明书为依据,保护范围合理。图4. 本专利所述方法主要步骤(图引自本专利授权文件内容)本专利说明书首先描述了本方法的主要输入数据与主体计算流程,让本专利所述领域(海洋观测与预报领域)的技术人员能够快速了解此方法的主题思路。在后续的说明书正文中按照本专利所述方法的流程顺序对上述三个主要步骤中的操作和计算过程均进行了完整和详尽的说明,而略去对于本专利所属技术领域的技术人员熟知的或常规的名词或处理,力求让说明书的描述简明扼要。在对于第一步的输入数据处理中,描述了所采用的观测数据的具体输入的观测要素、观测数据的质量控制以及预处理方法,包括详细的质量控制所采用的阈值均进行了描述;在第二步骤的说明中,本专利说明书给出了星载微波散射计所观测的海面风转化为海浪有效波高的计算表格,同时给出了根据此计算表格回归得到的,也是本专利方法所实际采用的风-浪转换公式的详细形式以及参数取值,使得本专利所属技术领域的技术人员可以方便、准确的完成由风速计算海浪有效波高的过程;在第三步骤中,本专利说明书对使用星载雷达高度计观测订正上一步骤得到的风浪场的具体计算方法与过程进行了详细描述。说明书将订正过程进行了可视化,以便于让本专利所属技术领域的技术人员能够清晰准确的理解雷达高度计观测订正方法,从而掌握本专利中最重要的操作步骤。此外,本专利说明书仅针对本方法所原创的多要素(载荷)融合与订正方法提出了权利要求,对于本专利所属技术领域的常规方法并未提出权利要求,因此本专利说明书所要求的权利以及保护范围合理。综上,本专利说明书将本方法的完整的计算方法与参数等技术细节进行了详尽的描述,能够让本专利所属技术领域的技术人员掌握和重现本专利所述方法,同时权利要求充分、合理。以上材料不超过2500字。三、技术先进性评价材料(一)技术原创性及重要性:结合技术要点,说明参评专利属于基础型的专利或改进型专利,并解释是否解决了本领域关键性、共性的技术难题。本专利属于基础型的专利(原创),能够很大程度上改善和解决现有海浪观测手段的空间、时间覆盖率低的关键问题。海洋观测,尤其是针对深远大洋的观测,传统的浮标、志愿船等点观测手段空间覆盖率和代表性极为有限,卫星遥感成为海洋观测的最重要的手段,其中星载雷达高度计、合成孔径雷达等是海浪观测领域中主要的卫星遥感载荷。但是,目前这些主要的卫星海浪遥感观测仅能够获取卫星星下点轨迹非常有限的海浪有效波高数据,依然存在空间覆盖率较低这一明显缺陷,因此研发一种能够有效拓展海浪观测空间覆盖率的方法对于海洋海浪观测以及后续的海洋防灾减灾保障都将具有重大意义。本专利原创性地提出了一种星载雷达高度计与星载微波散射计观测融合反演方法,星载微波散射计具有广阔的观测刈幅,但此载荷原本设计是用于海面风的观测,而本专利通过设计风-浪转换公式以及使用匹配的雷达高度计海浪观测,将传统的海浪星下点观测数据拓展为与微波散射计同刈幅的宽幅海浪观测,极大的提高了目前海浪观测的空间覆盖率,同时仍然保留较高的观测精度与时效性,能够有效的改善和解决现有海浪观测手段的空间、时间覆盖率低的关键问题。(二)技术优势:对比若干个当前(参加评奖时)的同类技术,详细说明参评专利在提高效率、降低成本、节能减排、改善性能、提升品质等方面的技术优势和不足。结合实施情况,相对于公开的技术方案,说明参评专利技术实施效果的确定性。为解决上述提及的海浪观测空间覆盖率低的关键问题,在专利所述的专业领域中之前使用最为广泛的是通过拉长时间窗口的方法,对多颗卫星的雷达高度计多个时间的观测数据进行拼合与融合。其本质是通过牺牲时效性(时间分辨率)来换取稍有增加的空间覆盖率,即通过拉长等待时间(一般长达10天左右),将更多时刻、更多的卫星观测放在一起进行融合。但是,此方法在目前海洋防灾减灾以及海浪保障中有较为明显的缺陷,一是因为海浪实际上变化较快,为了提高空间覆盖率而拉长的时间窗口使得参与融合的观测数据实际上是不同时间的,因此进行拼合严格来讲是不科学的,获得的海浪融合场也并不准确;二是因为星载雷达高度计只能观测星下点轨迹,即使经过拼合,其实际观测的海域也依然非常有限,对于解决海浪观测空间覆盖率低的问题帮助较为有限。而本专利所述方法原创性的将观测刈幅广阔的星载微波散射计的数据进行了反演融合,有效的拓展了海浪观测的空间覆盖率,很大程度上解决了海浪观测空间覆盖率低的局限。下面将通过图5和图6对本专利所述方法较上述传统方法对比的优越性进行详细阐述。图5为基于我国HY2海洋卫星使用上述传统融合方法与使用本专利融合方法获得的西北太平洋2014年8月6日-7日的海浪有效波高场的对比。其中图5a为24小时内获得的星载雷达高度计海浪融合场,图5b为使用本专利所述方法获得的海浪有效波高融合场。图6为基于我国HY2海洋卫星使用上述传统融合方法与使用本专利融合方法获得的2015年5月西北太平洋空间覆盖率的对比。图5. 传统数据融合方法与本专利所述方法实施效果比较图6. 传统数据融合方法与本专利所述方法空间覆盖率比较比较图5a和图5b,可以很明显的看出专利所述的有效波高融合场相较于传统方法而言,显著的提高了有效波高场的空间覆盖率,更清晰的描述了海浪场的分布形态,这是传统融合方法所不能提供的。同时,由于融合场经过同轨高度计数据订正,因此融合场在定量方面也与高度计数据保持一致。根据图6我们可以看到,除去HY2微波散射计的数据量异常的日期(2015年5月6日、11日、18日、20日和25日数据缺失),在24小时内,传统雷达高度计融合场仅能够覆盖西北太平洋海域小于6%的格点;而采用专利所述方法得到的有效波高融合场的每日空间覆盖率平均

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