SARAL測高衛(wèi)星近海域波形重定新方法

李　靜,岳建平,宋亞宏,彭剛躍

(河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京　210098)

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SARAL測高衛(wèi)星近海域波形重定新方法

李靜,岳建平,宋亞宏,彭剛躍

(河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京210098)

利用AVISO提供的SARAL衛(wèi)星浙江近海海域周年的WAVEFORM數(shù)據(jù),通過對衛(wèi)星波形分析,提出一種新的波形重定方法,該方法在顧及波形物理機(jī)制的基礎(chǔ)上,根據(jù)各波形的特征進(jìn)行重定。通過對重定前后的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行粗差剔除、共線平均和對比分析,結(jié)果表明:當(dāng)緯度為27°左右時(shí),未進(jìn)行波形重定數(shù)據(jù)求得的平均海面高為10.770 m、標(biāo)準(zhǔn)差為4.515 m,而進(jìn)行波形重定后數(shù)據(jù)求得的平均海面高為12.601 m、標(biāo)準(zhǔn)差為1.263 9 m;當(dāng)緯度為30°左右時(shí),未進(jìn)行波形重定數(shù)據(jù)求得的平均海面高為12.236 m、標(biāo)準(zhǔn)差為1.877 m,而進(jìn)行波形重定后數(shù)據(jù)求得的平均海面高為12.503 m、標(biāo)準(zhǔn)差為0.419 m。通過對波形重定前后衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)與驗(yàn)潮站數(shù)據(jù)對比,得到未進(jìn)行波形重定的衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)與驗(yàn)潮站數(shù)據(jù)差值平均值為0.275 m、標(biāo)準(zhǔn)差為0.273 m,進(jìn)行波形重定后衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)與驗(yàn)潮站數(shù)據(jù)差值平均值為0.046 m、標(biāo)準(zhǔn)差為0.049 m。研究結(jié)果顯示利用本文提出的方法能顯著提高衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)的精度與質(zhì)量。

衛(wèi)星波形重定技術(shù);SARAL測高衛(wèi)星;WAVEFORM數(shù)據(jù);波形重定效果分析;浙江近海海域

衛(wèi)星測高是伴隨衛(wèi)星遙感測量技術(shù)發(fā)展起來的新型邊緣學(xué)科。它利用星載微波雷達(dá)測高儀,連續(xù)地向地面發(fā)射雷達(dá)脈沖,并接受來自海面返回的回波信號,實(shí)時(shí)測量衛(wèi)星到海面的高度、有效波高和后向散射系數(shù)等,通過計(jì)算得到海面到參考橢球面的高度,進(jìn)而為大地測量、地球物理學(xué)及海洋動力學(xué)提供研究資料[1]。SARAL是由法國CNES和印度空間研究所(ISRO)聯(lián)合研制的測高衛(wèi)星,于2013年2月25日發(fā)射升空,搭載altika測高計(jì),并首次使用Ka波段[2]。其主要任務(wù)是執(zhí)行精密重復(fù)的全球海面高、有效波高和風(fēng)速等的觀測,研究中尺度海洋變化、觀測近海海域、內(nèi)陸水域及大陸冰蓋表面[3]。但是由于受到測高儀觀測條件的限制,衛(wèi)星測高技術(shù)的有效應(yīng)用主要集中在深海海域。在靠近陸地的近海岸區(qū)域,由于測高儀的地面軌跡位于不同測量面交接面(例如海面與陸面、冰面與陸面等),其反射波形會發(fā)生變形,致使測高數(shù)據(jù)不可用,往往在預(yù)處理階段即被剔除,因而在近海區(qū)域數(shù)據(jù)精度低甚至空白,影響了衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)在近海岸區(qū)域的實(shí)際使用效果。

本文采用AVISO提供的SARAL衛(wèi)星浙江近海海域周年的WAVEFORM數(shù)據(jù),通過對浙江近海海域SARAL測高衛(wèi)星典型波形分析,旨在研究適合該區(qū)域的波形重定方法,提出一種新的波形重定方法,對近海岸波形進(jìn)行波形重定。

1　波形重定新方法

測高衛(wèi)星所觀測的距離對應(yīng)于接收回波脈沖最大振幅的50%,即為上升區(qū)的50%,通常稱為前緣中點(diǎn)。衛(wèi)星測高計(jì)在設(shè)計(jì)時(shí)通常預(yù)先設(shè)定某個(gè)時(shí)間點(diǎn)為波形的前緣中點(diǎn),該時(shí)間點(diǎn)稱為預(yù)設(shè)跟蹤門。波形重定方法主要是用來確定波形實(shí)際的前緣中點(diǎn)和預(yù)設(shè)跟蹤門之間的偏移量,然后根據(jù)公式計(jì)算出距離改正根據(jù)物理意義的不同,波形重定方法主要包括:β參數(shù)法、OCOG算法、Threshold及其改進(jìn)算法、基于波形分類的重定算法等。β參數(shù)法采用適當(dāng)參數(shù)函數(shù)對測高計(jì)波形進(jìn)行擬合求得前緣中點(diǎn)位置。OCOG算法基于統(tǒng)計(jì)規(guī)律得到簡單波形重定方法,其基本思路是找到每個(gè)返回波形的重心,以數(shù)值方式統(tǒng)計(jì)出波形振幅、寬度與重心位置,進(jìn)而求出前緣中點(diǎn)。Threshold算法以O(shè)COG算法作為計(jì)算基礎(chǔ),根據(jù)OCOG算法計(jì)算出的振幅大小,確定門檻值,在與前緣陡峭部分相交門檻的幾個(gè)臨近采樣值之間進(jìn)行線性內(nèi)插,以確定重定點(diǎn)?；诓ㄐ畏诸惖闹囟ㄋ惴ǜ鶕?jù)波形相似性進(jìn)行分類,然后進(jìn)行波形重定[4-9]。

1.1波形分析

測高雷達(dá)回波形狀是衛(wèi)星雷達(dá)測高計(jì)的基本觀測量,是一個(gè)雙向傳播時(shí)間的函數(shù),與反射面的散射特性密切相關(guān)。海洋面是一個(gè)平緩的、均勻展散的水面,對衛(wèi)星雷達(dá)脈沖具有較好的反射特性[10]。在開闊的深海區(qū)域,衛(wèi)星測高波形受陸地、島嶼、水底地形起伏、地球物理和硬件響應(yīng)等因素影響很小,其波形形狀能反映海洋面狀況的特征,遵循布朗模型,海洋波形如圖1所示[11]。當(dāng)衛(wèi)星地面軌跡靠近陸地時(shí),由于其散射特性不同于海洋面,回波發(fā)生變形,如圖2所示。

圖1　海洋波形Fig. 1　Sea waveform

圖2　近海域波形Fig. 2　Offshore waveform

由圖1可以看出,典型的海洋測高波形包括熱噪聲區(qū)、前緣和后緣3部分。由圖2可以看出,近海區(qū)域回波發(fā)生明顯變形,規(guī)律性較差。

對浙江近海海域典型波形分析:圖3中,第一類波形,系靠近島嶼下干山附近,距離陸地約13 km,其在上升緣之前有明顯的單尖或多尖錐波形,分析其原因是衛(wèi)星脈沖觸及島嶼地面,能量被部分反射所致,但可看出波形具有明顯的上升緣,可進(jìn)行波形重定。第二類波形,系位于120.87°E,27.82°N,該點(diǎn)距離陸地約4 km,其波形雖被污染,但具有明顯前緣,可進(jìn)行波形重定。第三類波形,系位于靈昆島兩側(cè),可以看出波形已經(jīng)發(fā)生嚴(yán)重污染,分析原因是水域較淺,波形受到陸地與水底影響,不可進(jìn)行波形重定。第四類波形,系位于杭州灣靠近海黃山驗(yàn)潮站,該點(diǎn)位于陸地,可以看出已經(jīng)完全沒有海洋波形的形狀,故不可進(jìn)行波形重定。

圖3　SARAL測高衛(wèi)星典型波形Fig. 3　SARAL altimetry satellite typical waveforms

1.2波形重定方法

在顧及波形物理機(jī)制基礎(chǔ)上,根據(jù)各波形的特征進(jìn)行重定。SARAL衛(wèi)星每個(gè)波形有128個(gè)門,根據(jù)大量波形分析,總結(jié)出SARAL衛(wèi)星的有效回波前緣一般集中在第40～60號門之間,前緣中點(diǎn)一般在52～53號門之間?；诖?若波形在熱噪聲區(qū)域已經(jīng)發(fā)生嚴(yán)重變形(第三類波形),即回波能量值普遍高于所設(shè)定閾值,則對此數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除[12-15]。若波形呈現(xiàn)尖錐狀(第四類波形),即回波能量有明顯升高,但沒有有效后緣,即進(jìn)行如下判斷:在波形能量連續(xù)上升的過程中,回波能量大于所設(shè)定閾值,且與前面2個(gè)門所對應(yīng)平均能量值的比值和后面2個(gè)門所對應(yīng)平均能量值的比值的和的平均值大于設(shè)定閾值時(shí),認(rèn)為此波形為尖錐狀,對此數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除。如式(1):

(1)

式中:i——門號;P(i)——第i號門對應(yīng)的回波能量;T1、T2——設(shè)定閾值。

針對第一類與第二類波形,進(jìn)行如下操作求取前緣中點(diǎn):當(dāng)波形能量大于設(shè)定閾值且連續(xù)上升達(dá)到最大值時(shí),由此向前尋找前緣中點(diǎn),即當(dāng)前波形能量的2倍與其前后波形能量求差值的絕對值,小于當(dāng)前波形能量時(shí),向前迭代,直到不滿足條件,且需找到與最大能量值的1/2最接近的能量值所對應(yīng)的門,即為前緣中點(diǎn)。如式(2):

(2)

式中：T3——設(shè)定閾值。

根據(jù)所求前緣中點(diǎn)與預(yù)設(shè)門求得改正量:

(3)

式中:ΔR——所求改正量;Gr——所求前緣中點(diǎn);G0——預(yù)設(shè)門;ΔR0——總閾門間的距離。

2　實(shí)際效果分析

對重定前后的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行粗差剔除、共線平均,并進(jìn)行對比,結(jié)果如圖4所示。為便于觀察,對圖4中未重定數(shù)據(jù)整體上移1 m。

圖4　進(jìn)行波形重定前后數(shù)據(jù)對比結(jié)果Fig. 4　Comparison of data before and after waveform retracking

由圖4(a)可以看出,未進(jìn)行波形重定數(shù)據(jù)的趨勢性不明顯,且存在明顯粗差,而進(jìn)行波形重定后的數(shù)據(jù)在緯度27.8°以后呈現(xiàn)下降趨勢,分析原因是隨著緯度升高,由海洋向陸地過渡,故海面高呈現(xiàn)下降趨勢;由圖4(b)可以看出,未進(jìn)行波形重定數(shù)據(jù)在緯度30.3°附近,由陸地向海洋過渡時(shí)存在明顯粗差,在經(jīng)過島礁(緯度30.6°附近)時(shí)海面高有明顯波動,而進(jìn)行波形重定后的數(shù)據(jù)趨勢性較好,且波動較弱。圖4(a)中未進(jìn)行波形重定的數(shù)據(jù)求得的平均海面高為10.770 m、標(biāo)準(zhǔn)差為4.515 m,而進(jìn)行波形重定的數(shù)據(jù)求得的平均海面高為12.601 m、標(biāo)準(zhǔn)差為1.264 m;圖4(b)中未進(jìn)行波形重定的數(shù)據(jù)求得的平均海面高為12.236 m、標(biāo)準(zhǔn)差為1.877 m,而進(jìn)行波形重定的數(shù)據(jù)求得的平均海面高為12.503 m、標(biāo)準(zhǔn)差為0.419 m,可見進(jìn)行波形重定后數(shù)據(jù)質(zhì)量明顯提高。將測高數(shù)據(jù)與驗(yàn)潮站數(shù)據(jù)對比,結(jié)果如下:下干山、海黃山、灘滸山驗(yàn)潮站進(jìn)行波形重定后的測高數(shù)據(jù)與驗(yàn)潮站數(shù)據(jù)的差值分別為0.111 m、0.003 m、0.025 m,未進(jìn)行波形重定后的測高數(shù)據(jù)與驗(yàn)潮站數(shù)據(jù)的差值分別為0.153 m、0.019 m、0.653 m?？梢钥闯?未重定的測高數(shù)據(jù)與驗(yàn)潮站數(shù)據(jù)差值平均值為0.275 m、標(biāo)準(zhǔn)差為0.273 m,進(jìn)行波形重定后的測高數(shù)據(jù)與驗(yàn)潮站數(shù)據(jù)差值的平均值為0.046 m、標(biāo)準(zhǔn)差為0.049 m。以上結(jié)果表明進(jìn)行波形重定后的測高數(shù)據(jù)更接近驗(yàn)潮站數(shù)據(jù),本文的波形重定方法有效。

3　結(jié)　　論

利用AVISO提供的SARAL衛(wèi)星浙江近海海域周年的WAVEFORM數(shù)據(jù),通過進(jìn)行衛(wèi)星波形分析,探討一種新的波形重定方法,對近海岸波形進(jìn)行波形重定。通過對重定前后的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行粗差剔除、共線平均和對比分析,得到重定后數(shù)據(jù)質(zhì)量得到提高。通過對波形重定前后測高數(shù)據(jù)與驗(yàn)潮站數(shù)據(jù)對比,得到未進(jìn)行波形重定的測高數(shù)據(jù)與驗(yàn)潮站數(shù)據(jù)差值的平均值為0.275 m、標(biāo)準(zhǔn)差為0.273 m,進(jìn)行波形重定后的測高數(shù)據(jù)與驗(yàn)潮站數(shù)據(jù)差值的平均值為0.046 m、標(biāo)準(zhǔn)差為0.049 m,表明采用波形重定技術(shù)能顯著提高衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)精度,本文研究的波形重定方法有效,為提高近海平均海面精度以及深度基準(zhǔn)面的精度提供了新的方法。

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A new method of offshore waveform retracking using SARAL altimetry satellite

LI Jing, YUE Jianping, SONG Yahong, PENG Gangyue

(SchoolofEarthScienceandEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

Using the annual WAVEFORM data of the Zhejiang offshore area from the SARAL satellite provided by AVISO, we analyzed the satellite waveform and proposed a new method of waveform retracking for offshore areas. With this method, a waveform was retracked according to its characteristics based on the physical mechanism. Through gross error elimination, collinear averaging, and comparison analysis of the waveform before and after retracking, we found that at 27° latitude around, the mean sea level drawn from raw data was 10.770 m, and the standard deviation was 4.515 m; the mean sea level drawn from retracked data was 12.601 m, and the standard deviation was 1.263 9 m. Around 30° latitude, the mean sea level drawn from raw data was 12.236 m, and the standard deviation was 1.877 m; the mean sea level drawn from retracked data was 12.503 m, and the standard deviation was 0.419 m. We compared the altimetry data with tidal gauge data, and obtained the following results: the mean difference between the raw data and tidal gauge data was 0.275 m, and the standard deviation was 0.273 m; the mean difference between the retracked data and tidal gauge data was 0.046 m, and the standard deviation was 0.049 m. The results show that the method discussed in this paper can greatly improve the accuracy and quality of satellite altimetry data.

waveform retracking with satellite; SARAL altimetry satellite; WAVEFORM data; waveform retracking effect analysis; Zhejiang offshore area

1000-1980(2016)04-0335-05

10.3876/j.issn.1000-1980.2016.04.009

2015-07-02

李靜(1992—),女,山東菏澤人,碩士研究生,主要從事衛(wèi)星大地測量研究。E-mail: hhu_lj@sina.com

P228

A