地基GPS用于阿勒泰積雪深度反演研究

王力福，張雙成，張成龍，車 濤，蘇 磊，萬田荷，張曉娟

（1.阿勒泰市氣象局，新疆 阿勒泰836500；2.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊830002；3.長安大學地質(zhì)工程與測繪學院，陜西 西安710054；4.中國科學院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院，甘肅 蘭州730000）

人類面臨全球變暖對大陸積雪產(chǎn)生巨大影響，使積雪對全球變暖的響應(yīng)研究成為全球變化研究中的熱點。新疆為中國西北干旱區(qū)的主體，也是中國季節(jié)性積雪水資源最為豐富的地區(qū)之一，北疆平原地區(qū)降雪量占年降水量的30%以上，山區(qū)高達80%以上，對于冬季嚴寒而漫長和以干旱著稱的新疆，雪是重要的水分氣候資源[1]。阿勒泰地區(qū)地處中國西北邊，在新疆最北邊，是全國積雪資源最豐富的地區(qū)之一，也是雪災(zāi)多發(fā)區(qū)之一，積雪融水成為當?shù)厣鐣囈陨娴馁Y源之一，農(nóng)業(yè)灌溉和畜牧業(yè)發(fā)展主要依賴于積雪融水，冬季牧場的水源也依賴于積雪融水[2]。因此積雪作為重要的淡水資源，準確地監(jiān)測新疆阿勒泰地區(qū)的積雪分布及雪深具有十分重要的意義。

隨著遙感技術(shù)和GNSS技術(shù)的快速發(fā)展，積雪監(jiān)測越來越受國內(nèi)外學者的重視，并做了大量的相關(guān)研究，獲得了豐富的研究成果。2011年于惠等[3]基于AMSR-E數(shù)據(jù)對青海省積雪深度變化趨勢進行了監(jiān)測研究分析。2013年李震等[4]利用基于MEMLS模型的AMSR-E數(shù)據(jù)進行積雪深度反演，實驗表明相比AMSR-E雪深產(chǎn)品該算法的雪深探測精度和準確度得到了明顯的改善。2014年蔣玲梅等[5]建立微波像元下的高精度的雪深反演算法，并將算法應(yīng)用于FY3B-MWRI數(shù)據(jù)在北半球進行了估算測試，結(jié)果顯示FY3B-MWRI雪深估算值與站點觀測值高度吻合。2015年侯小剛等[2]利用FY3BMWRI反演的雪深數(shù)據(jù)、IMS積雪面積數(shù)據(jù)、阿勒泰及周邊地區(qū)實測雪深數(shù)據(jù)3類數(shù)據(jù)建立修正模型對阿勒泰地區(qū)進行積雪深度反演，該方法大大提高了FY3B-MWRI數(shù)據(jù)反演阿勒泰地區(qū)積雪深度的準確性。2017年周勝男等[6]對地面站點類型代表性的積雪遙感產(chǎn)品進行精度評價，實驗結(jié)果表明：遙感產(chǎn)品在較平坦的森林、灌木、裸地以及草地地區(qū)的平均偏差分別為-5.56、4.8、1.17、1.16 cm。

2009年Larson[7]提出一種利用現(xiàn)有的GPS連續(xù)運行觀測站進行積雪厚度測量的方法，并獲得了極有參考價值的研究與應(yīng)用成果。2011年Masaru Ozeki[8]針對GPS-MR技術(shù)中使用SNR觀測值的不足，提出了一種基于GPS無幾何距離的L4觀測值進行雪深探測算法，并獲取了與SNR法較一致的探測結(jié)果。2013年Jan Hefty[9]在中歐地區(qū)利用L4和SNR兩種監(jiān)測手段獲取分析了土壤濕度和積雪深度的變化。2015年余根科等[10]采用三頻組合相位有效地獲取了積雪深度的變化。

近年來有關(guān)GPS-MR技術(shù)用于積雪探測研究在國內(nèi)也陸續(xù)展開了研究。2016年戴凱陽等[11]對GPS-MR理論進行了完善，給出了多路徑與信噪比的關(guān)系并證明了該技術(shù)的有效性。2016年金雙根等[12]通過對比分析PBO網(wǎng)的GPS觀測數(shù)據(jù)證明了L2P的信噪比數(shù)據(jù)能夠有效反演雪深，L2P信號探測精度達到14 cm，進一步完善了GPS-MR技術(shù)反演雪深理論。2016年張雙成等[13]針對GPS-MR技術(shù)開展了多顆衛(wèi)星積雪深度反演分析，其實驗結(jié)果精度優(yōu)于10 cm。2016年劉智康[14]在北極黃河站開展了基于GNSS-R技術(shù)的雪深反演研究，得到了良好的實驗結(jié)果。

目前新疆阿勒泰地區(qū)積雪監(jiān)測主要依托臺站和衛(wèi)星遙感監(jiān)測手段，有關(guān)地基GPS用于阿勒泰區(qū)域積雪深度監(jiān)測研究成果較少。本文將以現(xiàn)有的研究成果為基礎(chǔ)，以新疆阿勒泰氣象站地基GPS試驗站為研究對象，利用GPS-MR技術(shù)進行雪深反演研究，并進一步分析GPS衛(wèi)星高度角區(qū)間對積雪反演精度的影響，以期為積雪遙感探測提供新的補充手段。

1 GPS-MR反演積雪深度基本理論

由GPS測站的地表環(huán)境所反射的衛(wèi)星信號進入接收機天線，將和直接來自GPS衛(wèi)星的直射信號產(chǎn)生干涉，從而使觀測值偏離真值產(chǎn)生所謂的多路徑誤差，多路徑誤差的影響會降低定位精度。GPS無線電導航信號經(jīng)不同地表介質(zhì)反射后，被反射的GNSS多路徑信號承載反射面的特性信息，通過對GPS反射信號中波形、極化特性、振幅、相位和頻率等參數(shù)的分析，可有效獲取反射面的物理特性，進而使其成為一種全新概念的GNSS遙感方法?；诖?，近年來發(fā)展了一種基于地基GPS接收機多路徑反射效應(yīng)的 GPS-MR（GPS Multipath Reflectometry）技術(shù)，可用于地基GNSS測站周圍積雪、潮位、土壤濕度、植被指數(shù)等近地空間環(huán)境參數(shù)反演。

GPS測量中用信噪比SNR表示信號強度和噪聲強度的比值。由于多路徑的變化，信噪比會隨著衛(wèi)星高度角的降低受到多路徑影響，從低高度角的信噪比大小值可以直觀地看出多路徑的影響。參考Larson提出的GPS信噪比能量方程[15]：

式（1）中Pd為GPS直射信號能量，Pr是GPS反射信號能量，φ為直射信號與反射信號夾角。為了獲取SNR中因地表反射引起GPS多路徑的變化信息，多路徑效應(yīng)需從接收到的SNR觀測值中分離出來（圖 1）。

圖1 GPS衛(wèi)星的SNR變化

圖1為GPS衛(wèi)星原始信噪比數(shù)據(jù)，橫軸為采樣歷元，縱軸為SNR值。由于多路徑效應(yīng)的影響，圖1可以看出在低高度角SNR表現(xiàn)為局部周期性振蕩，且SNR的趨勢項呈拋物線形式。將圖1的整體趨勢項去除后便可得到SNR值的殘差序列（圖2）。

圖2 扣除趨勢項的SNR殘差序列

圖2中橫軸為隨高度角變化的重采樣時間點，縱軸為信噪比值的線性變化值。從圖2中可以看出，低高度角區(qū)間的多路徑信息對SNR影響較嚴重。參考Larson提出的GPS信噪比能量方程[15]，SNR殘差序列的振幅可表示為式（2）：

式（2）中A為振幅，H為反射高度，λ為GPS載波的波長，E為衛(wèi)星高度角，φ為相位。記t=sinE，f=2H/λ，可采用Lomb-Scargle頻譜分析法對非等間隔采樣的SNR殘差序列進行頻譜分析獲取其頻率[5]。

圖3中橫軸為頻率f，縱軸為振幅?；趫D3中的頻率峰值f，參考公式f=2H/λ即可得到天線相位中心至積雪表面的垂直反射距離H，進而由站高與反射垂直距離的差值得到積雪厚度Hsnow=Hsation-H。由此實現(xiàn)基于地基GPS監(jiān)測站的SNR觀測值反演雪深參數(shù)。

圖3 SNR殘差序列的Lomb-Scargle頻譜分析

2 地基GPS反演阿勒泰雪深實驗分析

2.1 實驗數(shù)據(jù)來源

阿勒泰GPS積雪監(jiān)測試驗站（ALTA）位于新疆阿勒泰氣象站積雪監(jiān)測場內(nèi)，該監(jiān)測站建于2016年12月，于2017年1月正式采集GPS數(shù)據(jù)。GPS積雪監(jiān)測站采用TRIMBLE NETR9，天線類型為TRIMBLE59900，衛(wèi)星數(shù)據(jù)采樣間隔為1 s，衛(wèi)星截止高度角設(shè)置為0°。圖4為積雪監(jiān)測站周圍環(huán)境，該測站周圍平坦開闊，冬季長期被積雪覆蓋。

圖4 阿勒泰GPS積雪監(jiān)測實驗站

2.2 地基GPS監(jiān)測阿勒泰積雪深度精度分析

為驗證GPS-MR技術(shù)用于阿勒泰積雪深度監(jiān)測的有效性，本文收集了阿勒泰積雪監(jiān)測站（ALTA）2017年1—3月、采樣率為30 s的GPS數(shù)據(jù)。GPS數(shù)據(jù)采用L1波段多顆衛(wèi)星的SNR數(shù)據(jù)，基于GPSMR技術(shù)反演了阿勒泰站的積雪深度。為了驗證GPS-MR反演雪深的精度，與阿勒泰氣象站的實測雪深數(shù)據(jù)進行對比分析（圖5）。

圖5 ALTA站GPS-MR反演雪深與實測雪深對比

圖5中橫軸表示時間月份，縱軸表示積雪深度，圖5中紅色方塊表示用GPS-MR技術(shù)反演的雪深數(shù)據(jù)，藍色圓點表示用氣象站獲取的人工觀測雪深數(shù)據(jù)（下文相同）。由圖5可知，基于GPS-MR反演的雪深與實測雪深數(shù)值吻合較好，高精度捕獲了積雪累積與消融階段的雪深變化。經(jīng)統(tǒng)計分析，兩者相差小于3 cm，兩者的相關(guān)系數(shù)為0.94（圖6）。實驗結(jié)果顯示阿勒泰地基GPS監(jiān)測站可用于雪深探測，為阿勒泰氣象站的雪深監(jiān)測提供了一種新的監(jiān)測手段。

圖6 GPS-MR反演雪深與實測雪深相關(guān)性

2.3 衛(wèi)星高度角區(qū)間對GPS-MR積雪深度監(jiān)測影響分析

低高度角的SNR觀測數(shù)據(jù)含有更多的多路徑信息，通過對低高度角數(shù)據(jù)的處理可以得到積雪參數(shù)信息。目前地基GPS跟蹤站主要用于定位服務(wù)和地殼形變監(jiān)測，因此為了減小多路徑效應(yīng)的影響，GPS站點的衛(wèi)星截止高度角通常設(shè)置為5°。低高度角區(qū)間如何選取將與反演雪深精度密切相關(guān)，本文將選取不同衛(wèi)星高度角區(qū)間（5°～20°、5°～25°、5°～30°）對2017年90 d數(shù)據(jù)采用GPS-MR技術(shù)提取雪深參數(shù)，并與實測雪深進行比對分析（圖7～9和表1）。

圖7～9分別給出了不同高度角區(qū)間的反演雪深與實測雪深對比，表1為積雪監(jiān)測站不同高度角反演雪深與實測雪深統(tǒng)計。由圖7～9可以看出衛(wèi)星高度角在5°～20°時GPS反演的雪深結(jié)果最好，而衛(wèi)星高度角在5°～30°時GPS反演的雪深結(jié)果最差。當衛(wèi)星高度角低于20°時，與實測雪深對比其偏差小于3 cm，相關(guān)系數(shù)為0.94。實驗對比結(jié)果也說明衛(wèi)星高度角較高時受多路徑影響較小，而地表積雪參數(shù)信息主要體現(xiàn)在低高度角區(qū)間，因此基于地基GPS反演雪深要盡可能利用20°以下的衛(wèi)星高度區(qū)間的數(shù)據(jù)進行計算。

表1 阿勒泰積雪監(jiān)測站不同高度角反演雪深與實測雪深統(tǒng)計

3 結(jié)論

地基GPS不僅可用于精密定位，還可以用于地表環(huán)境監(jiān)測，近幾年基于GPS衛(wèi)星發(fā)射的L波段信號開展的GPS遙感引起眾多學者的關(guān)注。本文主要圍繞新疆阿勒泰GPS試驗站數(shù)據(jù)，采用GPS-MR技術(shù)進行了雪深反演研究與精度分析，并進一步開展了GPS衛(wèi)星高度角區(qū)間對雪深反演的影響分析。獲得的結(jié)論如下：

（1）地基GPS可有效地用于阿勒泰站周圍的雪深反演，其精度可優(yōu)于3 cm。

（2）地基GPS用于雪深反演盡可能使用低高度角區(qū)間的觀測數(shù)據(jù)，衛(wèi)星高度最好要低于20°，因為低高度角數(shù)據(jù)包含了更多路徑效應(yīng)引起的地表信息。

圖7 GPS-MR反演雪深與實測雪深對比（5°～20°）

圖8 GPS-MR反演雪深與實測雪深對比（5°～25°）

圖9 GPS-MR反演雪深與實測雪深對比（5°～30°）

（3）地基GPS用于雪深反演具有全天候、連續(xù)、實時、高精度、成本低等優(yōu)點，可構(gòu)建實時GNSS積雪監(jiān)測系統(tǒng)。

新疆積雪區(qū)布設(shè)了多個用于水汽監(jiān)測的GNSS監(jiān)測站，隨著地基GNSS遙感積雪深度和雪水當量理論的不斷完善，將進一步發(fā)揮新疆地區(qū)地基GNSS監(jiān)測站（網(wǎng)）在積雪監(jiān)測領(lǐng)域潛在的應(yīng)用價值，以期作為積雪探測手段的有效補充。