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论文一：卫星遥感海表温度与悬浮泥沙浓度的资料重构及数据同化试验5

1 绪论5

1.1 研究背景和意义5

1.1.1 遥感资料重构的研究意义6

1.1.2 海洋数据同化的研究意义7

1.2 国内外研究现状7

1.2.1 资料重构8

1.2.2 数据同化9

1.3 研究内容13

1.3.1 拟解决的关键科学问题13

1.3.2 技术路线及章节安排13

1.4 研究区域和数据14

1.4.1 研究区域及特征14

1.4.2 遥感数据来源16

2 基于遥感数据的资料重构19

2.1 引言19

2.2 DINEOF重构方法19

2.3 EMD-EOF方法21

2.4 资料重构23

2.4.1 SST资料重构23

2.4.2 SSC资料重构37

2.5 小结41

3 数值模型42

3.1 数值模型简介42

3.2 主要控制方程44

3.2.1 σ坐标系下水动力模型的主控方程44

3.2.2 湍流黏性系数的参数化46

3.2.3 σ坐标系下泥沙模型的控制方程47

3.3 边界条件47

3.3.1 自由表面边界条件47

3.3.2 底部边界条件47

3.3.3 固边界条件48

3.3.4 开边界条件48

4 序列数据同化理论50

4.1 引言50

4.2 基本概念52

4.3 序列数据同化方法53

4.3.1 最优插值53

4.3.2 卡尔曼滤波54

4.3.3 扩展卡尔曼滤波56

4.3.4 集合卡尔曼滤波57

4.3.5 减秩卡尔曼滤波58

4.4 小结59

5 杭州湾水温与悬浮泥沙数据同化系统60

5.1 引言60

5.2 同化系统60

5.2.1 模型设置60

5.2.2 观测数据61

5.2.3 数据同化方法62

5.2.4 集合分析64

5.2.5 数据同化系统64

5.3 模型验证66

5.4 数据分析67

5.4.1 表层数据分析67

5.4.2 垂向断面分析72

5.4.3 预报、观测与分析数据的差异分析72

5.5 小结75

6 总结与展望77

6.1 总结77

6.2 创新点77

6.3 展望78

参考文献79

附录：经验模态分解85

致谢87

论文二：近岸水质的遥感监测和数值模拟研究92

1 绪论92

1.1 研究背景和意义92

1.1.1 近岸水质状况92

1.1.2 遥感监测和数值模拟是研究近岸水质问题的重要工具92

1.1.3 常规水质污染和突发性海洋灾害研究的重要性93

1.2 国内外研究现状94

1.2.1 遥感技术在常规水质监测中的应用进展94

1.2.2 遥感技术在突发性藻华监测中的应用进展95

1.3 数值模拟方法在水质研究中的进展96

1.3.1 数值模拟方法在水交换研究中的进展96

1.3.2 数值模拟方法在热污染研究中的进展98

1.4 遥感监测与数值模拟结合的研究进展99

1.4.1 遥感监测方法和数值模拟方法的比较99

1.4.2 遥感监测和数值模拟相结合的研究进展100

1.5 本文的主要工作101

2 数学模型介绍102

2.1 模型简介102

2.2 控制方程103

2.2.1 σ坐标系下水动力模式的控制方程103

2.2.2 σ坐标系下表示污染物传输的欧拉对流扩散方程106

2.2.3 σ坐标系下表示粒子传输的拉格朗日方程106

2.2.4 σ坐标系下泥沙运动控制方程107

2.2.5 σ坐标系下生态动力学模型的控制方程107

2.3 边界条件108

2.3.1 自由表面边界条件108

2.3.2 底部边界条件109

2.3.3 固边界条件109

2.3.4 开边界条件110

2.4 本章小结111

3 遥感数据介绍112

3.1 千米级海洋卫星数据112

3.1.1 QSCAT/NCEP风场数据112

3.1.2 SeaWiFS 5天合成叶绿素数据和SeaWiFS月平均悬浮泥沙数据112

3.1.3 MODIS叶绿素和温度数据112

3.1.4 MODIS月平均溶解无机氮、活性磷酸盐数据113

3.2 本章小结114

4 杭州湾面源污染的物理自净能力评估115

4.1 杭州湾简介115

4.2 杭州湾溶解无机氮、活性磷酸盐和悬浮泥沙浓度的遥感监测116

4.3 杭州湾面源污染物物理自净能力的数值模拟120

4.3.1 模型设置及验证120

4.3.2 洪水期、枯水期不同区域面源污染物扩散路径的数值模拟123

4.3.3 不同区域面源污染物的富集情况128

4.3.4 动力因素对面源污染物扩散的影响130

4.3.5 水质更新时间的模拟133

4.4 杭州湾面源污染遥感监测结果与数值模拟结果对比135

4.5 杭州湾面源污染对水质的影响136

4.6 本章小结136

5 杭州湾点源热污染研究137

5.1 秦山核电站简介137

5.2 秦山核电站附近水域温度实测结果138

5.2.1 秦山核电站附近水域温度平面分布情况138

5.2.2 秦山核电站附近水域温度连续观测结果138

5.3 秦山核电站附近水域温度遥感监测结果141

5.3.1 机载MAMS传感器的水温监测结果141

5.3.2 Landsat卫星的水温监测结果141

5.4 秦山核电站温排水数值模拟结果143

5.4.1 模型设置143

5.4.2 秦山核电站Ⅱ、Ⅲ期作用下温升分布情况144

5.4.3 秦山核电站Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ期作用下温升分布情况147

5.5 秦山核电站热排污遥感监测结果与数值模拟结果对比151

5.6 秦山核电站热排污对杭州湾水质的影响153

5.7 本章小结154

6 杭州湾水质因子的遥感监测及数值模拟155

6.1 杭州湾水质因子的遥感监测155

6.1.1 杭州湾叶绿素的遥感监测结果155

6.1.2 杭州湾海表温度的遥感监测结果155

6.2 杭州湾水质因子的数值模拟157

6.2.1 模型设置157

6.2.2 模拟结果验证161

6.3 杭州湾水质因子的分布特征165

6.4 水质因子的数值模拟结果在遥感数据补缺中的应用166

6.4.1 水温遥感数据的补缺试验167

6.4.2 叶绿素遥感数据的补缺试验169

6.5 本章小结170

7 遥感和数值模拟方法在突发性海洋灾害研究中的应用探索172

7.1 引言172

7.1.1 研究背景172

7.1.2 浒苔简介173

7.2 藻华发展过程的遥感监测173

7.3 黄海春季浮游植物生长情况的数值模拟177

7.3.1 模型设置和验证177

7.3.2 叶绿素和营养盐浓度变化过程的模拟结果178

7.4 黄海中部浮游植物传输路径的数值模拟183

7.5 青岛当地天气条件对浮游植物生长的影响185

7.6 浒苔藻华突发现象的分析186

7.7 本章小结187

8 总结与展望188

8.1 全文总结188

8.2 全文展望189

参考文献191

附录201

致谢202

论文三：便携式高性能海洋遥感计算环境实现方法研究206

1 绪论206

1.1 引言206

1.2 海洋遥感及其发展206

1.3 遥感数据处理的挑战207

1.4 遥感高性能计算209

1.4.1 国外研究情况209

1.4.2 国内研究情况210

1.4.3 相关技术分析212

1.4.4 海洋遥感GPU高性能计算的提出213

1.5 海洋遥感便携式计算需求213

1.6 本文研究内容214

1.7 论文组织结构214

2 GPU通用计算与CUDA技术216

2.1 GPU的起源与发展216

2.2 GPU通用计算217

2.3 CUDA简介218

2.4 CUDA软件架构220

2.4.1 编程模型220

2.4.2 CUDA软件体系224

2.4.3 CUDA C语言225

2.5 CUDA硬件实现227

2.6 CUDA数据并行机制229

3 遥感图像CUDA高性能处理研究231

3.1 遥感图像CUDA并行计算231

3.1.1 遥感图像处理231

3.1.2 遥感图像处理的并行性231

3.1.3 CUDA对遥感图像并行计算的支持233

3.2 遥感图像CUDA计算的改进空间233

3.3 遥感图像处理存取改进分析234

3.3.1 遥感图像CUDA处理的数据流向234

3.3.2 PCI Express总线瓶颈234

3.4 主机端存取性能改进研究235

3.4.1 计算机存储器系统235

3.4.2 内存存储的提出237

3.4.3 现有内存存储技术分析237

3.4.4 内存存储技术选型240

3.5 遥感图像CUDA高性能处理技术路线241

4 基于高性能处理的便携性实现方法研究242

4.1 便携式存储设备242

4.2 U3便携式计算环境实现技术243

4.2.1 U3移动计算平台243

4.2.2 U3技术及其构成243

4.2.3 U3应用程序244

4.2.4 U3技术的不足245

4.3 便携式高性能海洋遥感计算环境设计246

4.3.1 设计思想246

4.3.2 操作系统选型246

4.3.3 技术难点248

4.3.4 解决思路250

4.3.5 可行性研究251

4.3.6 技术实现方案255

4.4 CGMFL方法的提出258

5 基于CGMFL方法的海洋遥感计算环境原型实现与验证259

5.1 USB闪存盘选型259

5.2 支撑软件选型259

5.2.1 Linux操作系统环境259

5.2.2 CUDA环境260

5.2.3 海洋遥感图像读写环境261

5.3 BEAM软件262

5.4 海洋遥感图像高斯卷积CUDA处理程序开发263

5.4.1 开发工具263

5.4.2 算法描述263

5.4.3 程序开发264

5.5 USB闪存盘源系统构建266

5.6 专用initrd开发269

5.7 系统引导功能实现270

5.8 原型验证270

5.8.1 验证方法270

5.8.2 便携性验证271

5.8.3 性能验证272

5.8.4 验证结论275

6 结论和展望277

6.1 结论277

6.2 主要创新点278

6.3 展望278

参考文献280

致谢285

论文四：基于Web的海洋卫星数据服务研究292

1 绪论292

1.1 研究背景292

1.1.1 海洋卫星数据292

1.1.2 Web Service与SOA294

1.1.3 GIS系统到GIS服务296

1.1.4 研究背景小结298

1.2 研究现状298

1.2.1 国外海洋卫星数据服务的现状298

1.2.2 中国海洋卫星数据服务现状302

1.2.3 研究现状小结304

1.3 本文的研究内容及关键问题304

1.3.1 本文的研究内容304

1.3.2 关键问题305

1.4 本文结构305

2 数据服务与海洋卫星数据服务306

2.1 数据服务306

2.1.1 数据服务的概念306

2.1.2 数据服务的内容308

2.1.3 数据服务的关键技术308

2.1.4 数据服务的实现309

2.2 空间数据服务311

2.2.1 ISO空间数据服务311

2.2.2 OGC地理空间数据信息服务312

2.2.3 ESRI的空间数据服务313

2.3 海洋卫星数据服务316

2.3.1 海洋卫星数据服务系统架构316

2.3.2 海洋卫星数据服务系统技术路线317

2.4 本章小结319

3 海洋卫星数据模型及数据库320

3.1 海洋卫星数据的时空特性320

3.2 海洋数据模型研究现状322

3.3 海洋卫星数据服务系统OSDSS的数据模型324

3.4 海洋卫星数据库设计与开发327

3.5 海洋卫星数据库子服务系统331

3.6 本章小结332

4 海洋卫星数据服务系统（OSDSS）的服务334

4.1 数据的基本服务335

4.2 元数据服务336

4.2.1 元数据的概念336

4.2.2 元数据的标准337

4.2.3 海洋卫星元数据内容及框架338

4.3 数据的可视化服务341

4.3.1 海洋水色水温数据可视化342

4.3.2 海洋风场数据可视化344

4.3.3 其他数据可视化345

4.4 多源数据综合可视化346

4.5 数据统计及分析服务348

4.6 本章小结348

5 应用实例349

5.1 数据服务系统在台风研究中的应用349

5.1.1 台风对海洋环境的影响350

5.1.2 GIS技术在台风案例中的应用351

5.1.3 研究区域352

5.1.4 台风数据353

5.1.5 海洋卫星数据353

5.1.6 台风期间海洋卫星参数的时空变化361

5.2 全球大河冲淡水面积的提取及其在碳通量计算中的应用366

5.2.1 河流冲淡水366

5.2.2 河流冲淡水区域提取方法的研究进展366

5.2.3 数据和方法368

5.2.4 结果与讨论374

5.2.5 河流冲淡水的面积在海气CO2通量估算中的应用376

5.3 本章小结377

6 总结和展望378

6.1 主要研究内容总结378

6.2 研究的创新点379

6.3 存在的不足与研究展望379

参考文献380

论文五：利用海洋水色水温遥感数据反演海洋初级生产力的研究380

1 绪论392

1.1 海洋初级生产力的概念392

1.2 对海洋初级生产力研究的意义392

1.3 遥感方法对估算海洋初级生产力的必要性及历史和发展393

2 初级生产力形成的生化过程396

2.1 光合作用中的太阳能吸收396

2.2 光合作用过程中的电子传递397

2.2.1 非循环光合电子传递链397

2.2.2 循环光合电子传递链397

2.2.3 假循环光合电子传递（Mehler反应）397

2.3 光合碳循环（卡尔文循环）398

2.3.1 光合碳循环的四个明显阶段398

2.3.2 相关概念399

2.4 光反应与暗反应400

2.5 光合作用的影响因素401

2.5.1 光照402

2.5.2 叶绿素403

2.5.3 温度403

2.5.4 矿质营养（氮、磷、铁、钙、锰等）404

2.5.5 水体的环流运动405

2.5.6 水体的光学属性405

2.5.7 CO2和O2浓度的影响405

2.5.8 动物的摄食压力405

2.5.9 浮游植物的适应性（包括物种变化的适应）406

2.5.10 浮游植物的种类与光合作用效率的关系406

3 影响遥感初级生产力反演的因子分析407

3.1 海水的温度、盐度及海流407

3.1.1 水温407

3.1.2 盐度408

3.1.3 水团408

3.1.4 海流409

3.2 光在水中的传播409

3.2.1 海水的组成409

3.2.2 光的吸收：吸收系数a（λ）410

3.2.3 光的散射：散射系数b（λ）412

3.2.4 赛克盘深度414

3.2.5 垂直漫衰减系数（Kd）、光深（ξ）、衰减长度（？）414

3.2.6 描述光场分布的几个简单的参量（？R，Rrs）415

3.3 水下光场和叶绿素剖面对初级产量估算的影响416

3.3.1 所选择的模式416

3.3.2 辐照度的计算417

3.3.3 光场的角度分布对估算初级生产力的影响419

3.4 生物量剖面分布对初级生产力估算的影响423

3.5 光谱分布对初级生产力估算的影响426

3.5.1 对真光层深度估算的影响427

3.5.2 对光能吸收的影响428

3.5.3 对初级生产力估算的影响428

4 遥感初级生产力的模型及应用431

4.1 有关参量的遥感计算方法431

4.1.1 参量的定义431

4.1.2 有关参量的遥感反演计算方法431

4.1.3 海面悬浮泥沙反演436

4.1.4 黄色物质浓度反演436

4.1.5 温度的遥感反演437

4.1.6 PAR的遥感获取模型437

4.1.7 计算吸收和后向散射系数437

4.1.8 计算漫衰减系数438

4.2 对国内外现有模型分析438

4.2.1 经验算法439

4.2.2 分析算法或半分析算法439

4.3 我国海区初级生产力的计算模型444

4.3.1 数据与方法445

4.3.2 模型获取445

4.3.3 结果分析及讨论446

4.3.4 和其他模型的比较448

4.4 模型的应用449

4.5 结语452

5 展望454

5.1 遥感估算海洋初级生产力模型的区域化454

5.2 构建遥感反演海洋初级生产力的GIS平台455

参考文献458