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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SOA 294

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