一种基于干涉成像高度计的垂线偏差计算方法及其系统技术方案

本发明专利技术属于海洋测绘技术领域，具体地说，涉及一种基于干涉成像高度计的垂线偏差计算方法，该方法包括：步骤1)对原始数据中的每个原始采样点进行重采样，同时计算每个重采样点的海面高度误差；步骤2)对重采样数据中的每个重采样点的海面高度进行异常值剔除和低通滤波，得到多个重采样点的平滑海面高度；步骤3)计算的每个重采样点的平滑数据；步骤4)将每个重采样点的平滑数据作为一个数据点，合并组成数据集；步骤5)对数据集进行空间划分，得到多个经纬度网格点；步骤6)对每个经纬度网格点，采用小邻域窗口方法，得到每个经纬度网格点的挑选的所有数据点；步骤7)利用最小二乘最优法则，计算每个经纬网格的垂线偏差分量。计算每个经纬网格的垂线偏差分量。计算每个经纬网格的垂线偏差分量。

【技术实现步骤摘要】
一种基于干涉成像高度计的垂线偏差计算方法及其系统


[0001]本专利技术属于海洋测绘、卫星高度计测高数据处理、海洋大地测量、遥感信息提取及海洋参数反演
，具体地说，涉及一种基于干涉成像高度计的垂线偏差计算方法及其系统。

技术介绍

[0002]卫星高度计是测量海表面高度的仪器，通常搭载在卫星平台上。干涉成像高度计测高的原理是利用双天线的相位差转化成距离差，从而测得海表面高度的具体数值。并且宽刈幅的特性使干涉成像高度计能够同时测量大范围的海域，通常可达到百公里级，大大改善了传统高度计在交轨方向上测高数据的缺失，对于海洋高度测量的空间分辨率提升到5
‑
10km，精度保证在3
‑
5cm，对海洋中尺度和亚中尺度过程海洋现象的反演提供了可靠的数据支撑。
[0003]海洋垂线偏差的定义是大地水准面上某点的重力方向与通过该点到正常椭球面的法线方向之间的夹角。海洋垂线偏差是计算海洋重力异常乃至计算海洋深度的中间量，对于物理海洋学、地球物理学、地球动力学、海洋动力学、海洋地质学等基础研究至关重要，同时在资源勘探、海啸预警、海底电缆铺设、惯性导航等民用或军用领域也发挥着作用。
[0004]海洋垂线偏差通常描述为北向(子午向)分量ξ和东向(卯酉向)分量η，星载雷达高度计的主要观测量包括：海表面高度、有效波高和海面风速。其中，海表面高度包含大地水准面高和海面地形两部分信息；其中，大地水准面高不仅可以直接反演海洋重力异常，还可用于获取垂线偏差信息。
[0005]早在20世纪80年代，国外学者最早提出基于原始海面高观测值计算沿轨垂线偏差的想法，相邻数据的差分过程能够削弱径向轨道误差等长波长误差项的影响，从而有效地揭示海洋大地水准面的短波起伏(文献[1]：D.T.Sandwell,“A Detailed Viewof the South
‑
Pacific Geoid from Satellite Altimetry,”J.Geophys.Res.,vol.89,no.B2,pp. 1089
–
1104,Feb.1984,doi:10.1029/JB089iB02p01089.)。1992年，Sandwell学者提出了一种交叉点处垂线偏差分量的严密计算方法，需要计算大地水准面对时间的导数以及星下点轨迹处的纬向和径向速率，该方法主要受限于交叉点的分布(文献[2]： D.T.Sandwell,“Antarctic marine gravity field from high
‑
density satellite altimetry,”Geophysical Journal International,vol.109,no.2,pp.437
–
448,May 1992)。1995年， Olgiati等学者在交叉点处计算与地面轨迹正交方向的垂线偏差，然后采用Akima样条插值法，推算每个数据点处的轨迹正交方向的垂线偏差，最后，联立沿轨垂线偏差信息，计算每个数据点处的垂线偏差方向分量，从而解除了对于交叉点分布的限制，但精度严重依赖于插值算法(文献[3]：A.Olgiati,G.Balmino,M.Sarrailh,and C.M. Green,“Gravity anomalies from satellite altimetry:comparison between computation viageoid heights and via deflections of the vertical,”Bulletin G
é
od
é
sique,vol.69,no.4,pp. 252
–
260,Dec.1995)。1998年，中国台湾学者黄金维提出一种基于沿轨垂线偏差和方位
角信息最小二乘解算垂线偏差分量的网格化方法，称为沿轨加权最小二乘法，该方法可以有效地融合使用多代卫星测高资料(文献[4]：C.Hwang,E.
‑
C.Kao,and B.Parsons,
ꢀ“
Global derivation of marine gravity anomalies from Seasat,Geosat,ERS
‑
1andTOPEX/POSEIDON altimeter data,”Geophysical Journal International,vol.134,no.2,pp. 449
–
459,Aug.1998)。
[0006]然而，目前的卫星高度计垂线偏差计算方法都是针对星下点观测方式的传统型高度计，计算方法仅适用于单条测线。对于干涉成像高度计宽刈幅的相位测量模式，现有的方法仅从单一方向坡度计算垂线偏差，会大大增加误差。同时，也没有考虑精确度低、误差噪声大的远幅侧和近幅侧对垂线偏差精度的影响。

技术实现思路

[0007]为解决现有技术存在的上述缺陷，本专利技术提出了一种基于干涉成像高度计的垂线偏差计算方法，该方法包括：
[0008]步骤1)对原始数据中的每个原始采样点进行重采样，得到由多个重采样点组成的重采样数据，同时计算每个重采样点的海面高度误差；
[0009]步骤2)对重采样数据中的每个重采样点的海面高度进行异常值剔除和低通滤波，得到多个重采样点的平滑海面高度；
[0010]步骤3)分别沿卫星轨道飞行方向、垂直于卫星轨道方向和倾斜于卫星轨道方向，根据步骤1)得到的每个重采样点的海面高度误差和步骤2)得到的每个重采样点的平滑海面高度，计算的每个重采样点的平滑数据；其中，上述平滑数据包括：每个重采样点的海面高度的海面坡度、海面方位角和海面坡度误差；
[0011]步骤4)将每个重采样点的平滑数据作为一个数据点，合并组成数据集；
[0012]步骤5)根据实际需求，确定均匀分布的经纬度网格的尺寸，对数据集进行空间划分，得到多个经纬度网格点；其中，每个经纬度网格点内包括多个数据点；
[0013]步骤6)对每个经纬度网格点，采用小邻域窗口方法，挑选出小邻域窗口内的所有数据点，得到每个经纬度网格点的挑选的所有数据点；
[0014]步骤7)利用最小二乘最优法则，使用每个经纬度网格点的挑选的所有数据点，计算每个经纬网格的垂线偏差分量。
[0015]作为上述技术方案的改进之一，所述步骤1)具体包括：
[0016]将原始数据中的每个50m
×
50m空间分辨率的原始采样点进行重采样，得到由多个2km
×
2km空间分辨率的重采样点组成的重采样数据，包括经度、纬度、海面高度，并在重采样的过程中，计算每个重采样点的海面高度误差：
[0017]重采样点邻域窗口尺寸范围为1km
×
1km，在重采样点邻域窗口内计算邻域窗口尺寸范围内的所有原始采样点的海面高度的标准差，作为该采样点的海面高度误差σ
SSH
：本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于干涉成像高度计的垂线偏差计算方法，该方法包括：步骤1)对原始数据中的每个原始采样点进行重采样，得到由多个重采样点组成的重采样数据，同时计算每个重采样点的海面高度误差；步骤2)对重采样数据中的每个重采样点的海面高度进行异常值剔除和低通滤波，得到多个重采样点的平滑海面高度；步骤3)分别沿卫星轨道飞行方向、垂直于卫星轨道方向和倾斜于卫星轨道方向，根据步骤1)得到的每个重采样点的海面高度误差和步骤2)得到的每个重采样点的平滑海面高度，计算的每个重采样点的平滑数据；其中，上述平滑数据包括：每个重采样点的海面高度的海面坡度、海面方位角和海面坡度误差；步骤4)将每个重采样点的平滑数据作为一个数据点，合并组成数据集；步骤5)根据实际需求，确定均匀分布的经纬度网格的尺寸，对数据集进行空间划分，得到多个经纬度网格点；其中，每个经纬度网格点内包括多个数据点；步骤6)对每个经纬度网格点，采用小邻域窗口方法，挑选出小邻域窗口内的所有数据点，得到每个经纬度网格点的挑选的所有数据点；步骤7)利用最小二乘最优法则，使用每个经纬度网格点的挑选的所有数据点，计算每个经纬网格的垂线偏差分量。2.根据权利要求1所述的基于干涉成像高度计的垂线偏差计算方法，其特征在于，所述步骤1)具体包括：将原始数据中的每个50m
×
50m空间分辨率的原始采样点进行重采样，得到由多个2km
×
2km空间分辨率的重采样点组成的重采样数据，包括经度、纬度、海面高度，并在重采样的过程中，计算每个重采样点的海面高度误差：重采样点邻域窗口尺寸范围为1km
×
1km，在重采样点邻域窗口内计算邻域窗口尺寸范围内的所有原始采样点的海面高度的标准差，作为该采样点的海面高度误差σ
SSH
：σ
SSHi
＝std(SSH
near
)其中，σ
SSHi
表示第i个重采样点的海面高度误差，SSH
near
表示该重采样点对应的邻域窗口尺寸范围内的所有原始采样点的海面高度，符号std表示计算标准差；将第i个重采样点的经度、纬度、海面高度、海面高度误差组成卫星高度计重采样后的第i个重采样数据。3.根据权利要求1所述的基于干涉成像高度计的垂线偏差计算方法，其特征在于，所述步骤2)具体包括：根据卫星高度计重采样后的所有重采样数据中的每个重采样点的海面高度SSH的经度和纬度组成的位置信息，在已发布的平均海面高数据集中，插值出对应点的平均海面高MSS；重采样后的所有海面高度与对应位置的平均海面高度做差，得到二者的差值，并计算该差值的标准差，记为σ
all
；判断每个重采样点的海面高度是否为异常值：对第i个重采样点的海面高度SSH
i
与对应位置的平均海面高度MSS
i
做差，得到第i个重采样点的差值，若该第i个重采样点的差值的绝对值大于3σ
all
，则认为该重采样点的海面高度是异常值，并删除该重采样点的海面高度；|SSH
i
‑
MSS
i
|＞3
×
σ
all
若该第i个重采样点的差值的绝对值小于或等于3σ
all
，则认为该重采样点的海面高度是正常值，保留该重采样点的海面高度；根据判断结果，得到剔除异常值后的重采样数据点；重复上述过程，对重采样数据中的每个重采样点的海面高度进行异常值剔除，得到由多个剔除异常值后的重采样数据点组成的剔除后的数据集；采用高斯加权滤波器，对剔除异常值后的数据集中的重采样数据点中的海面高度进行低通滤波，降低高频噪声影响，得到滤波后的海面高度，记为多个重采样点的平滑海面高度。4.根据权利要求1所述的基于干涉成像高度计的垂线偏差计算方法，其特征在于，所述步骤3)具体包括：针对沿卫星轨道飞行方向：假设步骤2)中得到的每个重采样点的平滑海面高度中对应的重采样点为数据点，将沿卫星轨道飞行方向的两个数据点的平滑海面高度做差，将该差值除以两个相邻数据点之间的真实距离，得到两个相邻数据点之间的沿卫星轨道飞行方向的海面坡度SSS
n
：其中，H
i
,H
j
分别表示两个相邻的数据点中的第i个数据点和第j个数据点的沿卫星轨道飞行方向的平滑海面高度；s
ij
表示两个相邻数据点间的真实距离；在计算两个相邻数据点之间的海面坡度的同时，计算该两个相邻数据点之间的海面坡度的坡度方向的方位角α，记为沿卫星轨道飞行方向的海面方位角：其中，是两个相邻的数据点中的第i个数据点的纬度；λ
i
是两个相邻的数据点中的第i个数据点的经度；是两个相邻的数据点中的第j个数据点的纬度；λ
j
是两个相邻的数据点中的第j个数据点的经度；此外，计算沿卫星轨道飞行方向的海面坡度误差σ
SSS
：其中，是两个相邻数据点中的第i个数据点的海面高度误差；分别是两个相邻数据点中的第j个数据点的海面高度误差；将沿卫星轨道飞行方向的海面坡度SSS
n
，沿卫星轨道飞行方向的海面方位角α和沿卫星轨道飞行方向的海面坡度误差σ
SSS
作为沿卫星轨道飞行方向的每个重采样点的平滑数据；针对垂直于卫星轨道方向：计算两个相邻数据点之间的垂轨向的海面坡度SSS
N
：其中，H
I
,H
J
分别表示两个相邻的数据点中的第I个数据点和第J个数据点的垂直于卫星
轨道方向的平滑海面高度；s
IJ
表示两个相邻数据点间的垂直于卫星轨道方向的真实距离；在计算两个相邻数据点之间的垂轨向的海面坡度的同时，计算该两个相邻数据点之间的海面坡度的坡度方向垂轨向的海面方位角α
N
：其中，是两个相邻的数据点中的第I个数据点的垂轨向的纬度；λ
I
是两个相邻的数据点中的第I个数据点的垂轨向的经度；是两个相邻的数据点中的第J个数据点的垂轨向的纬度；λ
J
是两个相邻的数据点中的第J个数据点的垂轨向的经度；此外，计算垂轨向海面坡度误差σ
SSSN
：其中，是两个相邻数据点中的第I个数据点的垂轨向的海面高度误差；分别是两个相邻数据点中的第J个数据点的垂轨向的海面高度误差；将垂轨向的海面坡度SSS
N
，垂轨向的海面方位角α
N
和垂轨向海面坡度误差σ
SSSN
作为沿垂直于卫星轨道方向的每个重采样点的平滑数据；针对倾斜于卫星轨道135
°
方向：计算两个相邻数据点之间的倾斜于卫星轨道135
°
方向的海面坡度SSS
M
：其中，H
P
,H
Q
分别表示两个相邻的数据点中的第P个数据点和第Q个数据点的倾斜于卫星轨道135
°
方向的平滑海面高度；s
PQ
表示两个相邻数据点间的倾斜于卫星轨道135
°
方向的真实距离；在计算两个相邻数据点之间的倾斜于卫星轨道135
°
方向的海面坡度的同时，计算该两个相邻数据点之间的海面坡度的坡度方向倾斜于卫星轨道135
°
方向的海面方位角α
M
：其中，是两个相邻的数据点中的第P个数据点的倾斜于卫星轨道135
°
方向的纬度；λ
P
是两个相邻的数据点中的第P个数据点的倾斜于卫星轨道135
°<...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙孟，张云华，石晓进，董晓，张本涛，唐军武，
申请(专利权)人：青岛海洋科学与技术国家实验室发展中心，
类型：发明
国别省市：