基于北斗GEO卫星反射信号的洪涝监测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于北斗GEO卫星反射信号的洪涝监测方法，包括如下步骤：S1、读取监测日北斗GEO卫星原始观测值；S2、对原始信噪比进行数据处理得到反射信号信噪比；S3、通过反射信号信噪比获取反射信号信噪比幅度值；S4、采用分卫星分频率的方法建立北斗GEO卫星基于第一监测量和第二监测量的参考监测模型；S5、联合北斗GEO三频信号的第一监测量和第二监测量通过参考监测模型对洪涝进行监测，并根据监测阈值将结果进行标记。该方法不仅消除了直射信号的影响，同时反射信号信噪比幅度值受环境影响小，且北斗GEO卫星属于静止卫星，相应的反射信号信噪比时间序列特征更加明显，因此可以有效提高洪涝监测的精确性和实时性。效提高洪涝监测的精确性和实时性。效提高洪涝监测的精确性和实时性。

【技术实现步骤摘要】
基于北斗GEO卫星反射信号的洪涝监测方法


[0001]本专利技术涉及导航卫星遥感反演
，具体指一种基于北斗GEO（Geostationary Orbit，地球静止轨道卫星）卫星反射信号信噪比和幅度值的洪涝监测方法。

技术介绍

[0002]洪涝灾害有着发生速度快、影响范围广和灾害量极大等显著特点，特别是城乡环境下的短时洪涝灾害位于人口集中地区，严重影响着人民的生命和财产安全，是威胁人类生存和发展的主要自然灾害之一。据统计显示，近二十年来，全球范围受洪涝灾害影响的总人口数超过10亿人，经济损失高达3万亿美元。在我国，由于水文和气候分布具有显著特点，南方地区雨季会导致洪涝灾害频繁发生，而北方地区的极端气候也极易引起洪涝灾害。比如，2021年在北方就发生过三次极端强降雨导致的城市洪涝灾害，已造成300多万人次受灾，经济损失高达2000多亿元。因此，如何建立科学、有效和高精度的洪涝监测方法，提高洪涝灾害监测的实时性，保障人民的生命和财产安全，是当前洪涝灾害监测管理的迫切需求，也是洪涝灾害预警和防范领域亟待解决的问题之一。
[0003]当前，洪涝监测方法主要可以分为三大类，第一类是基于传统雨量测量计的监测方法，其测量精度较高，单个测站成本低。然而，该方法测量范围小，导致监测的时间和空间分辨率较低，且难以大范围布站。第二类是基于遥感成像卫星的洪涝监测，该方法测量精度较高，监测范围广。然而，遥感成像卫星受天气环境影响较大，恶劣天气环境会导致监测方法失效或精度降低，且监测数据需要回传地面处理，导致实时性较低。第三类是基于导航系统卫星的洪涝监测。该方法通过大地测量型接收机接收导航卫星信号进行反演测量，测量精度高，且测量范围广。然而，现有基于导航卫星的洪涝监测是利用信号原始信噪比直接建模，而原始信噪比包含的直射信号会导致建模精度降低，且采用的相位值监测法受环境影响大，对测量地的土壤类型更加敏感，导致监测精度低等问题。此外，现有的监测方法往往基于IGSO（Inclined Geosynchronous Satellite Orbit）倾斜轨道卫星或MEO（Medium Earth Orbit）中轨道卫星进行监测，而这两类卫星轨道始终处于运动状态，卫星的信噪比误差较大，导致洪涝监测精度降低。

技术实现思路

[0004]本专利技术提出一种基于北斗GEO卫星反射信号的洪涝监测方法,不仅消除了直射信号的影响，同时反射信号信噪比幅度值受环境影响小，且北斗GEO卫星属于静止卫星，相应的反射信号信噪比时间序列特征更加明显，因此可以有效提高洪涝监测的精确性和实时性，也可以保证洪涝监测的成功率和稳定性，为洪涝灾害预警提供强有力的支撑。
[0005]为了解决上述技术问题，本专利技术的技术方案为：一种基于北斗GEO卫星反射信号的洪涝监测方法，包括如下步骤：S1、读取监测日北斗GEO卫星原始观测值，并计算相应历元时刻的高度角信息和时
间信息，所述原始观测值包括原始信噪比、原始伪距和原始载波；S2、对原始信噪比进行数据处理得到反射信号信噪比，并作为第一监测量；S3、通过反射信号信噪比获取反射信号信噪比幅度值，并作为第二监测量；S4、采用分卫星分频率的方法建立北斗GEO卫星基于第一监测量和第二监测量的参考监测模型,所述参考监测模型是以数据库文本的形式将历年相应历元时刻的第一监测量和第二监测量存储在本地电脑中，另外还存储相应历元时刻的高度角和时间信息，同时也将相应的监测阈值进行存储；S5、联合北斗GEO三频信号的第一监测量和第二监测量通过参考监测模型对洪涝进行监测，并根据监测阈值将结果进行标记。
[0006]作为优选，所述步骤S2中，对原始信噪比进行数据处理的方法为：S2
‑
1、采用基于高斯拟合方法消除直射信号信噪比的影响；S2
‑
2、采用基于经验模态分解去噪算法滤除高频随机噪声，得到仅保留含有反射信号信噪比的信号。
[0007]作为优选，所述步骤S2
‑
1的具体方法如下：S2
‑1‑
1、利用高斯拟合算法对原始信噪比的观测值进行拟合，得到高斯拟合函数，其中高斯拟合函数求解过程表示如下：假设原始信噪比观测数据集为（x
i
,S
i
）(i=1,2,3,....,N)，N表示信号长度，x表示信号的时间序列，S表示该时间下的原始信噪比，该数据集可以用高斯函数进行描述，描述公式为：
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（1）式中，S
i
和x
i
是已知的，exp表示指数运算，数学领域常识计算，a，b和c为未知参数，分别表示高斯函数曲线的峰高、峰的位置和半宽度信息，a，b和c这三个参数可以通过下列过程求解：将式（1）两边取自然对数，可以将式（1）转换为：
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（2）令：，,
ꢀꢀ
,，则式（2）可以化为二次多项式拟合函数，表示如下：
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（3）考虑全部数据和测量误差，并以矩阵形式表示如下：
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（4）上式可以化简为：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（5）式中，Z为已知量，由计算得到，X为已知量，由x
i
得到，因此，在不考虑总体测量误差E影响的情况下，根据最小二乘原理可以求得拟合常数b0， b1， b2构成的矩阵B的广义最小二乘解，表示为：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（6）式中，X和Z都是已知量，T表示矩阵转置运算，通过式（6）即可求出拟合常数b0， b1， b2，进一步可以通过下列式子求出未知参数a, b, c：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（7）式（7）中b0， b1， b2已通过式（6）求出，e为自然常数，因此，通过式（7）即可求出未知参数a， b， c，进而可以得到由原始信噪比数据拟合的高斯函数，也即式（1）；S2
‑1‑
2、利用上步求到的高斯拟合函数计算每一个历元时刻的拟合值，表示为S
G
，计算过程可以表示为：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（8）式（8）中a， b， c已经通过式（7）求出，而x
i
代表时间序列，因此可以求出对应时刻的拟合值S
G
；S2
‑1‑
3、利用原始信噪比S
d+r+n
减去上步计算出来的拟合值S
G
，得到仅包含反射信号信噪比和随机噪声的信号，公式表示为：S
r+n
=S
d+r+n
‑
S
G
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（9）通过上述过程可以从原始信噪比观测值中消除直射信号信噪比影响，得到仅包含反射信号信噪比和随机噪声的信号S
r+n
。
[0008]作为优选，所述步骤S2
‑
2的具体方法如下：S2
‑2‑
1、信号分解对给定信号S
r+n
(x)进行处理，找到该信号上所有局部本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于北斗GEO卫星反射信号的洪涝监测方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、读取监测日北斗GEO卫星原始观测值，并计算相应历元时刻的高度角信息和时间信息，所述原始观测值包括原始信噪比、原始伪距和原始载波；S2、对原始信噪比进行数据处理得到反射信号信噪比，并作为第一监测量；S3、通过反射信号信噪比获取反射信号信噪比幅度值，并作为第二监测量；S4、采用分卫星分频率的方法建立北斗GEO卫星基于第一监测量和第二监测量的参考监测模型,所述参考监测模型是以数据库文本的形式将历年相应历元时刻的第一监测量和第二监测量存储在本地电脑中，另外还存储相应历元时刻的高度角和时间信息，同时也将相应的监测阈值进行存储；S5、联合北斗GEO三频信号的第一监测量和第二监测量通过参考监测模型对洪涝进行监测，并根据监测阈值将结果进行标记。2.根据权利要求1所述的基于北斗GEO卫星反射信号的洪涝监测方法，其特征在于，所述步骤S2中，对原始信噪比进行数据处理的方法为：S2
‑
1、采用基于高斯拟合方法消除直射信号信噪比的影响；S2
‑
2、采用基于经验模态分解去噪算法滤除高频随机噪声，得到仅保留含有反射信号信噪比的信号。3.根据权利要求2所述的基于北斗GEO卫星反射信号的洪涝监测方法，其特征在于，所述步骤S2
‑
1的具体方法如下：S2
‑1‑
1、利用高斯拟合算法对原始信噪比的观测值进行拟合，得到高斯拟合函数，其中高斯拟合函数求解过程表示如下：假设原始信噪比观测数据集为（x
i
,S
i
）(i=1,2,3,....,N)，N表示信号长度，x表示信号的时间序列，S表示该时间下的原始信噪比，该数据集可以用高斯函数进行描述，描述公式为：
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（1）式中，S
i
和x
i
是已知的，exp表示指数运算，a，b和c为未知参数，分别表示高斯函数曲线的峰高、峰的位置和半宽度信息，a，b和c这三个参数可以通过下列过程求解：将式（1）两边取自然对数，可以将式（1）转换为：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（2）令：，,
ꢀꢀ
,，则式（2）可以化为二次多项式拟合函数，表示如下：
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（3）考虑全部数据和测量误差，并以矩阵形式表示如下：
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（4）上式可以化简为：
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（5）式中，Z为已知量，由计算得到，X为已知量，由x
i
得到，因此，在不考虑总体测量误差E影响的情况下，根据最小二乘原理可以求得拟合常数b0， b1， b2构成的矩阵B的广义最小二乘解，表示为：
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（6）式中，X和Z都是已知量，T表示矩阵转置运算，通过式（6）即可求出拟合常数b0， b1， b2，进一步可以通过下列式子求出未知参数a, b, c：
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（7）式（7）中b0， b1， b2已通过式（6）求出，e为自然常数，因此，通过式（7）即可求出未知参数a， b， c，进而可以得到由原始信噪比数据拟合的高斯函数，也即式（1）；S2
‑1‑
2、利用上步求到的高斯拟合函数计算每一个历元时刻的拟合值，表示为S
G
，计算过程可以表示为：
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（8）式（8）中a， b， c已经通过式（7）求出，而x
i
代表时间序列，因此可以求出对应时刻的拟合值S
G
；S2
‑1‑
3、利用原始信噪比S
d+r+n
减去上步计算出来的拟合值S
G
，得到仅包含反射信号信噪比和随机噪声的信号，公式表示为：S
r+n
=S
d+r+n
‑
S
G
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（9）通过上述过程可以从原始信噪比观测值中消除直射信号信噪比影响，得到仅包含反射信号信噪比和随机噪声的信号S
r+n
。
4.根据权利要求3所述的基于北斗GEO卫星反射信号的洪涝监测方法，其特征在于，所述步骤S2
‑
2的具体方法如下：S2
‑2‑
1、信号分解对给定信号S
r+n
(x)进行处理，找到该信号上所有局部极大值和极小值所处的位置，然后将所有的极大值点和极小值点通过插值函数生成给定信号S
r+n
(x)的上下两条包络线，上包络线由极大值插值生成，表示为a1，下包络线由极小值插值生成,表示为b1，将得到的两条包络线求均值，表示为：
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（10）式中a1和b1即通过插值函数生成的上下包络线，然后用给定信号S
r+n
(x)减去式（10）中得到的，得到第一组残差，表示为：
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（11）判断式（11）中计算得到的是否符合本征模态函数的两个假设条件，若不符合，将作为新的输入信号重复上述分解过程，直到分解出来的符合本征模态函数的两个假设条件为止，假设分解到第k次后符合本征模态函数（IMF）的两个假设条件，第k次分解表示为：
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（12）则此时的便是S
r+n
(x)分解出来的第一个本征模态函数，表示为IMF1，它的周期是后续所有分解出来的本征模态函数中最短的，频率最高的，用原始信号减去第一个本征模态函数IMF1，得到去除IMF1的新的数据序列r1，对这个新序列r1继续重复进行IMF1的求取过程，得到第二个本征模态函数IMF2，接着用r1减去第二个本征模态函数IMF2，得到新的数据序列r2；如此重复计算，直到最后的r
m
无法再继续分解为止，上述过程表示为：
ꢀꢀ...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏明坤，杨艳茜，乔磊，孙闽红，吴超，宋慧娜，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：