一种基于卫星测高数据的大型内陆湖泊和湿地水位反演方法技术

本发明专利技术涉及一种基于卫星测高数据的大型内陆湖泊和湿地水位反演方法，包括以下步骤：对回波数据进行预处理，通过提取出预处理后的回波波形中的主导上升前缘，并进行回波波形重定；在研究区域内任意选取多条轨迹线中的连续回波数据，使用不同的阈值进行回波重定，并计算出回波重定后对应的改善值；找出改善值的最大值，将该改善值最大值对应的阈值作为最优阈值；使用最优阈值进行回波波形重定，计算出水位高度；对研究区域内的所有水位高度进行后处理；最后，对最终的时间序列水位高度进行数据校验，判断数据校验后的精度是否在允许范围内，如是，则输出该时间序列水位高度；如否，则继续回波重定。该水位反演方法的计算简单、速度快且精度高。

An inversion method for water level of large inland lakes and wetlands based on satellite altimetry data

【技术实现步骤摘要】
一种基于卫星测高数据的大型内陆湖泊和湿地水位反演方法
本专利技术涉及数据测量领域，特别涉及一种基于卫星测高数据的大型内陆湖泊和湿地水位反演方法。
技术介绍
大型内陆湖泊和湿地给野生动植物提供了重要的生息场所，具有不可替代的生态功能，但是由于其占地范围大，地理环境复杂，水位节令变化大，给水位研究带来了巨大的困难。传统水位测量主要由水文站完成，具有测量精度高，获取水位信息连续等优势，但不足之处也很明显，水文站维护成本高，只能以点带面，且大型内陆湖泊和湿地一般地处偏远欠发达地区，由于经济设施因素及下垫面地理条件限制，形成一定的观测盲区，给相关科学研究带来了一定的障碍。卫星测高是利用人造地球卫星携带的测高仪，测定卫星到瞬时海平面(或平坦地面)的垂直距离的技术，具有覆盖范围大、重返周期短、精度较高等特点。卫星测高的最初目的是为测量全球海平面变化，随着技术的发展，卫星测高在反演陆地水域水面高度的应用潜力慢慢被挖掘。现有技术中，采用卫星测高数据进行湖库水位的测量，如已有申请号为201810221252.5的中国专利技术专利公开了一种基于筛选的卫星测高数据提取湖库水位的方法，包括：卫星测高数据选取下载和基本编辑处理；利用卫星测高数据和水位测高公式初步计算湖库水位；根据初步计算的水位，对卫星测高数据进行质量评价和质量分级；基于质量评价结果筛除异常数据，保留优质数据集，计算测高平均水位，作为当期湖库水位；最后将不同周期的水位数据约化到同一参考点上，并在整个时间序列上行滤波处理，剔除粗差，得到相对一致的时间序列湖库水位。该专利中的提取方法可有效消除卫星测高数据噪声造成的干扰，提高卫星测高数据的可用性和监测湖库水位的精度。但是，在上述专利里由于湖库水位计算时直接采用卫星测高数据代入湖库测高公式中计算，未对卫星测高数据中的回波数据进行处理，该方法中未考虑到近海区域内，由于沿海陆地地形、岛屿、潮汐、地球物理因素和仪器硬件等影响造成卫星测高脉冲的反射波形不规则的现象。目前，现有的技术中，卫星测高波形重定方法有OCOG算法、Ice2算法、Threshold算法以及改进的Threshold算法，OCOG算法是先找到每个返回波形的重心，以数值方式统计出波形振幅、宽度与重心位置，该方法计算简单方便，但由于OCOG算法中使用了全部的波形数据，而波形受到近海岸地形、地球物理因素、硬件和偏离星下点等的影响时，波形中含有较大的噪声，因此该算法受噪声影响大，计算得到的海面高精度低；Ice2算法针对冰盖回波波形进行重定，主要用于冰盖区域；Threshold算法是根据振幅、最大波形采样等给出门槛值，在与前缘陡峭部分相交门槛的几个临近采样值之间进行线性内插，以确定重定点，但该算法中的门槛值确定不准确，具有很大的误差；在改进的Threshold算法中首先进行波形分析，找到波形中所包含的所有子波形，然后利用改进的波形公式进行重定，该算法中一个波形可能确定多个前缘，计算得到多个重定后的距离改正，但对于多个前缘重定后如何取舍仍需要辅助数据，因此该算法对于不同的测高卫星需采用不同的子波形的判断标准，不能直接确定出最优的结果，且计算复杂，需要进一步改进。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对现有技术的现状，提供一种能提高水位反演速度和精度的基于卫星测高数据的大型内陆湖泊和湿地水位反演方法。本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于卫星测高数据的大型内陆湖泊和湿地水位反演方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1、利用研究区域的经纬度进行卫星测高数据航迹线筛查，根据轨迹号下载相应的回波数据和对应的参数数据；步骤2、对回波数据进行预处理：对回波数据中的不稳定测量值和奇异值进行剔除，得到预处理之后的回波数据；步骤3、对步骤2中预处理之后的回波数据进行回波重定：提取出回波波形的主导上升前缘，并通过主导上升前缘计算得到回波波形上升前缘的中点该回波波形上升前缘的中点为回波重定后的采样门；其中，回波重定的具体步骤为：步骤3-1、从第一个采样门开始，依次按照先后顺序计算回波波形中两相邻采样门对应的功率差dj，dj＝yj+1-yj，j＝1,2,...,N-1，N为回波波形的采样门总数；yj+1为第j+1个采样门对应的功率，yj为第j个采样门对应的功率；步骤3-2、判断功率差dj是否大于ε1，如是，则判定回波波形的上升前缘开始，并转至步骤3-3；如否，则转入步骤3-5；j的初始值为1；ε1的计算公式为：其中，yi+2为第i+2个采样门对应的功率，yi为第i个采样门对应的功率；步骤3-3、判断j是否大于N-1，如是，则结束；如否，将j值加1作为新的j值，并转入步骤3-4；步骤3-4、判断功率差dj是否小于ε2，如是，则判定回波波形的上升前缘终止，如否，则转至步骤3-3；其中，ε2的计算公式为：其中，yi+1为第i+1个采样门对应的功率，yi为第i个采样门对应的功率；步骤3-5、判断j是否大于N-1，如是，则结束；如否，将j值加1作为新的j值，并转入步骤3-2；步骤3-6、将通过ε1和ε2判定出的回波波形上升前缘作为回波波形的主导上升前缘，将该回波波形主导上升前缘的起始采样门记为M0，终止采样门记为M1，其中，M0和M1均为正整数；步骤3-7、在步骤3-6中计算得到的起始采样门和终止采样门前后位置各增加n个偏差采样门，得到主导上升前缘波形中新的起始采样门和新的终止采样门，提取回波波形中该主导上升前缘波形，其中，主导上升前缘波形新的起始采样门为M0-n，新的终止采样门为M1+n；步骤3-8、对步骤3-7中提取出的主导上升前缘波形进行重定采样门计算，得到上升前缘的中点该上升前缘的中点为回波重定后的采样门，其中，上升前缘的中点计算公式为：其中，为上升前缘的中点，TL＝α(A-P0)+P0；α为阈值，A为振幅，n为偏差采样门的个数，yt为第t个采样门对应的功率，P0为高频噪声，Gk是首个功率值比TL大的采样门，Gk-1是Gk的前一个采样门；yGk为Gk对应的功率；为Gk-1对应的功率，M0-n≤Gk≤M1+n+1；M0为主导上升前缘波形起始的采样门；步骤4、在研究区域内任意选取多条轨迹线中的连续回波数据，使用不同的阈值α对选取的回波数据进行步骤3中的回波重定，利用回波重定后的采样门计算出水位高度WL，并计算出回波重定后的改善值IMP；步骤5、找出步骤4中改善值IMP的最大值，将该改善值IMP最大值对应的阈值α作为最优阈值；步骤6、使用步骤5中的最优阈值重复步骤3中的回波重定，并计算出水位高度；步骤7、对研究区域内的所有水位高度进行后处理：分别对同一时期和长时间序列中的水位奇异值进行剔除，提取出最终的时间序列水位高度；步骤8、对最终的时间序列水位高度进行数据校验，判断数据校验后的精度是否在允许范围内，如是，则转入步骤9；如否，则转至步骤3；步骤9、输出该时间序列水位高度。作为优选，所述步骤4中阈值α的取值范围为5％～50％。在水位反演过程中，对于平整海面回波为标准海洋波形，阈值选定50％，而内陆水体回波易受地形和地物的影响，回波波形呈现单峰或密集多峰，经验阈值在10-35％区间，需要根据研究区实际情况进行测试，因此为了提高水位反演的精度，该湖泊和湿地的回波波形的阈值取值范围为5％～50本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于卫星测高数据的大型内陆湖泊和湿地水位反演方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1、利用研究区域的经纬度进行卫星测高数据航迹线筛查，根据轨迹号下载相应的回波数据和对应的参数数据；步骤2、对回波数据进行预处理：对回波数据中的不稳定测量值和奇异值进行剔除，得到预处理之后的回波数据；步骤3、对步骤2中预处理之后的回波数据进行回波重定：提取出回波波形的主导上升前缘，并通过主导上升前缘计算得到回波波形上升前缘的中点

【技术特征摘要】
1.一种基于卫星测高数据的大型内陆湖泊和湿地水位反演方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1、利用研究区域的经纬度进行卫星测高数据航迹线筛查，根据轨迹号下载相应的回波数据和对应的参数数据；步骤2、对回波数据进行预处理：对回波数据中的不稳定测量值和奇异值进行剔除，得到预处理之后的回波数据；步骤3、对步骤2中预处理之后的回波数据进行回波重定：提取出回波波形的主导上升前缘，并通过主导上升前缘计算得到回波波形上升前缘的中点该回波波形上升前缘的中点为回波重定后的采样门；其中，回波重定的具体步骤为：步骤3-1、从第一个采样门开始，依次按照先后顺序计算回波波形中两相邻采样门对应的功率差dj，dj＝yj+1-yj，j＝1,2,...,N-1，N为回波波形的采样门总数；yj+1为第j+1个采样门对应的功率，yj为第j个采样门对应的功率；步骤3-2、判断功率差dj是否大于ε1，如是，则判定回波波形的上升前缘开始，并转至步骤3-3；如否，则转入步骤3-5；j的初始值为1；ε1的计算公式为：其中，yi+2为第i+2个采样门对应的功率，yi为第i个采样门对应的功率；步骤3-3、判断j是否大于N-1，如是，则结束；如否，将j值加1作为新的j值，并转入步骤3-4；步骤3-4、判断功率差dj是否小于ε2，如是，则判定回波波形的上升前缘终止，如否，则转至步骤3-3；其中，ε2的计算公式为：其中，yi+1为第i+1个采样门对应的功率，yi为第i个采样门对应的功率；步骤3-5、判断j是否大于N-1，如是，则结束；如否，将j值加1作为新的j值，并转入步骤3-2；步骤3-6、将通过ε1和ε2判定出的回波波形上升前缘作为回波波形的主导上升前缘，将该回波波形主导上升前缘的起始采样门记为M0，终止采样门记为M1，其中，M0和M1均为正整数；步骤3-7、在步骤3-6中计算得到的起始采样门和终止采样门前后位置各增加n个偏差采样门，得到主导上升前缘波形中新的起始采样门和新的终止采样门，提取回波波形中该主导上升前缘波形，其中，主导上升前缘波形新的起始采样门为M0-n，新的终止采样门为M1+n；步骤3-8、对步骤3-7中提取出的主导上升前缘波形进行重定采样门计算，得到上升前缘的中点该上升前缘的中点为回波重定后的采样门，其中，上升前缘的中点计算公式为：其中，为上升前缘的中点，TL＝α(A-P0)+P0；α为阈值，A为振幅，n为偏差采样门的个数，yt为第t个采样门对应的功率，P0为高频噪声，Gk是首个功率值比TL大的采样门，Gk-1是Gk的前一个采样门；为Gk对应的功率；为Gk-1对应的功率，M0-n≤Gk≤M1+n+1；M0为主导上升前缘波形起始的采样门；步骤4、在研究区域内任意选取多条轨迹线中的连续回波数据，使用不同的阈值α对选取的回波数据进行步骤3中的回波重定，利用回波重定后的采样门计算出水位高度WL，并计算出回波重定后的改善值IMP；步骤5、找出步骤4中改善值IMP的最大值，将该改善值IMP最...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈海珍，井发明，包颖，梅元勋，赵赛帅，
申请(专利权)人：宁波市测绘设计研究院，宁波市阿拉图数字科技中心，
类型：发明
国别省市：浙江,33