基于测高卫星多轨脚点融合的大型湖泊水位时序加密方法技术

本发明专利技术公开基于测高卫星多轨脚点融合的大型湖泊水位时序加密方法。提取位于待测湖泊内的多轨道激光测高卫星脚点数据，并基于统一的大地水准面高程坐标系计算所有脚点提取的湖泊水位高程值，获取多轨道的日观测水位；以各待测湖泊观测次数最多的轨道作为参考轨道，其余轨道作为待校正轨道，计算参考轨道和待校正轨道间的偏移量，对校正轨道进行平移校正，实现多轨道融合；通过滤波方法优化多轨道校正融合后的水位时间序列，获取多轨道融合后的湖泊水位密集时间序列。本发明专利技术方法不依赖实测水位数据，可向全球具有多轨道测高卫星覆盖的湖泊进行推广，对湖泊水资源的管理与保护具有重要的应用意义。要的应用意义。要的应用意义。

【技术实现步骤摘要】
基于测高卫星多轨脚点融合的大型湖泊水位时序加密方法


[0001]本专利技术属于湖泊水文遥感领域，特别涉及基于测高卫星多轨脚点融合的大型湖泊水位时序加密方法。

技术介绍

[0002]监测湖泊的水位变化对理解地表水循环至关重要。然而，在全球范围内监测湖泊水位的实测数据非常有限。此外，这些水文站点水位数据通常不公开且难以获取。利用遥感技术（特别是卫星测高技术）对湖泊水位进行监测已成为迫切的需求。正是如此，越来越多的雷达或激光测高卫星被投入使用，用于研究水位的动态变化。
[0003]在这些测高卫星中，2018年9月NASA发射的冰、云和陆地高程2号卫星（ICESat
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2）提供了更精细的足迹测量，可用于监测较小的水体，如湖泊、水库和池塘。此外，ICESat
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2还携带了先进地形激光高度计系统（ATLAS），可以获得更精确的高程和地理定位，为中小型湖泊的水位监测带来了极大的帮助。ICESat
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2测高卫星的观测优势使其在研究湖泊水位动态方面受到更多的关注。尽管已有成功的案例利用ICESat
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2测高卫星提取了区域甚至全球范围内的湖泊水位，但是利用测高技术提取湖泊水位仍存在挑战。例如，提取的湖泊水位的时间间隔不够密集和数据准确性具有不确定性等。而且对于大型湖泊来说更有可能在一个重访周期内被ICESat
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2的多个轨道重复观测。然而，在处理ICESat
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2原始测高数据的水位高程时，我们通常不具体区分一个观测周期内不同的测量轨道。常见的处理方式是简单地将整个周期中不同轨道提取的湖泊水位平均值作为最终的湖泊水位。然而，由于不同轨道的大地水准面高度不同，不同轨道在大型湖泊水位提取时存在系统性偏差，这种简单的计算可能引入最终水位结果的不确定性。此外，较大的湖泊表面高程在不同的位置有明显的坡度差异。另外一种常见的处理方式为从一个轨道提取水位，比如观测日期最多的轨道。但是这种处理方式意味着其他轨道的高度测量值要被舍弃，进而减少了有效的观测日期。
[0004]综上，如何综合ICESat
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2的多轨道测高数据是准确获取大型湖泊密集水位时间序列的关键。现有的测高卫星水位提取方法无法兼顾观测时间的密度及水位提取的准确度。在此背景下，提出一种基于激光测高卫星多轨道脚点观测融合的大湖水位时序加密方法，对科学地理解陆地水文循环及陆地湖泊水资源的管理与保护具有重要的科学和实践意义。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于针对现有基于测高卫星的湖泊水位提取方法的不足，提出一种基于测高卫星多轨道脚点融合的大型湖泊水位时序加密方法。该方法采用公开可获取的激光测高卫星脚点数据，实现具有多轨道观测的大型湖泊的水位精细化提取。
[0006]为了实现上述技术目的，本专利技术采用如下技术方案：基于测高卫星多轨脚点融合的大型湖泊水位时序加密方法，包括：提取位于待测湖泊内的多轨道激光测高卫星脚点数据，并基于统一的大地水准面高程坐标系重新计算所有脚点提取的湖泊水位高程值，获取多轨道的日观测水位；
以各待测湖泊观测次数最多的轨道作为参考轨道，其余轨道作为待校正轨道，计算参考轨道和待校正轨道间的偏移量，对校正轨道进行平移校正，实现多轨道融合；通过滤波方法优化多轨道校正融合后的水位时间序列，获取多轨道融合后的湖泊水位密集时间序列。
[0007]作为一种优选的实施方式，所述待测湖泊内的多轨道激光测高卫星脚点数据的提取方式为：提取测高卫星属性信息二维表，将二维表格转换为空间矢量坐标点数据，结合湖泊水域范围矢量数据裁切测高卫星脚点生成的坐标点数据，以获取待测湖泊内的测高卫星脚点数据。
[0008]作为一种优选的实施方式，通过空间相交判断，获取与待测湖泊水域边界相交的所有时刻测高卫星脚点数据，将其合并后作为该待测湖泊内的激光测高卫星脚点数据。
[0009]作为一种优选的实施方式，所述方法还包括，对获取的多轨道的日观测水位进行去噪声处理，剔除异常值后用于多轨道融合计算。优选的，采用归一化中值绝对偏差法（Normalized Median Absolute Deviation，NMAD）进行去噪声处理，以去除云、雪或饱和反射信号的误差；并排除每个观测日水位观测小于n次的观测脚点，剔除与高程均值的差值大于m倍水位标准差的脚点数据，以避免时间采样不足引起的趋势偏差，n、m为预设常数。采用NMAD去噪方法可以根据不同湖泊的水位时间序列自动生成阈值范围进行数据约束。
[0010]作为一种优选的实施方式，基于EGM2008大地水准面参考坐标系统的椭球高，计算所有脚点提取的湖泊水位高程值。EGM2008重力场模型的球谐系数扩展至2190阶，分辨率为9 km，具有更高的精度和分辨率。
[0011]作为一种优选的实施方式，当有多条轨道同时满足观测次数最多（以ICESat
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2卫星为例，即ICESat
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2卫星91天重访周期的循环次数最多的那条轨道）时，则采用该多条轨道中第一次遍历出的轨道作为参考轨道。
[0012]作为一种优选的实施方式，计算参考轨道和待校正轨道间的偏差平均值作为待校正轨道偏移量。
[0013]作为一种优选的实施方式，计算湖泊范围内同一天的多轨道校正后的日观测水位平均值，作为观测日期的水位值，之后通过滤波方法优化多轨道校正融合后的水位时间序列。
[0014]作为一种优选的实施方式，采用集合卡尔曼滤波方法优化多轨道校正融合后的水位时间序列，克服了其他滤波方法只能处理线性问题的限制。
[0015]本专利技术具有以下优势：（1）本专利技术不依赖实测数据，只采用公开可获取的激光卫星测高数据便可完成大型湖泊的水位提取工作；（2）本专利技术原理简单，易操作，实现了只输入多轨道测高水位数据便获取融合优化后的水位时间序列的自动化处理；（3）本专利技术适用于所有多轨道测高卫星覆盖的湖泊，并可以向其他具有多轨道观测的激光或者雷达测高卫星提取湖泊水位的工作进行推广。
附图说明
[0016]图1是本专利技术的实例提供的样区图。
[0017]图2是本专利技术的算法流程图。
[0018]图3是本专利技术实例的多轨道观测示意图。
[0019]图4是本专利技术实例中多轨道融合概念及效果图。
[0020]图5是本专利技术实例的湖泊水位验证结果。
[0021]图6是本专利技术实例中普通卡尔曼滤波和集合卡尔曼滤波方法的优化对比结果。
[0022]图7是本专利技术实例湖泊的多轨道测高水位融合结果。
具体实施方式
[0023]下面结合附图和实施例，对本专利技术的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本专利技术，但不用来限制本专利技术的范围。
[0024]本申请的实施例选择全球各大洲分布的18个面积在500平方公里以上的大型湖泊（图1），作为本专利技术的实施例。其中包括6个具有实测水位的湖泊用于本专利技术的验证，另外12个湖泊用于本专利技术的外推。
[0025本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于测高卫星多轨脚点融合的大型湖泊水位时序加密方法，其特征在于，包括：提取位于待测湖泊内的多轨道激光测高卫星脚点数据，并基于统一的大地水准面高程坐标系重新计算所有脚点提取的湖泊水位高程值，获取多轨道的日观测水位；以各待测湖泊观测次数最多的轨道作为参考轨道，其余轨道作为待校正轨道，计算参考轨道和待校正轨道间的偏移量，对校正轨道进行平移校正，实现多轨道融合；通过滤波方法优化多轨道校正融合后的水位时间序列，获取多轨道融合后的湖泊水位密集时间序列。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述待测湖泊内的多轨道激光测高卫星脚点数据的提取方式为：提取测高卫星属性信息二维表，将二维表格转换为空间矢量坐标点数据，结合湖泊水域范围矢量数据裁切测高卫星脚点生成的坐标点数据，以获取待测湖泊内的测高卫星脚点数据。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过空间相交判断，获取与待测湖泊水域边界相交的所有时刻测高卫星脚点数据，将其合并后作为该待测湖泊内的激光测高卫星脚点数据。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈探，宋春桥，
申请(专利权)人：中国科学院南京地理与湖泊研究所，
类型：发明
国别省市：