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一种海冰厚度的遥感估算方法

阅读：287发布：2020-05-14

专利汇可以提供一种海冰厚度的遥感估算方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种海冰厚度的遥感估算方法，步骤包括从CryoSat-2雷达高度计中获取地物回波波形，采用复合三阶贝塞尔曲线拟合原始回波波形，解算波形重跟踪点的位置并计算出海冰的干舷高度，同时获取相同时期内的积雪深度和海冰类型等数据。将上述数据进行地理坐标匹配后获得包含海冰干舷高度、积雪深度和海冰类型的点数据；对一年冰和多年冰赋予不同的海冰密度，结合积雪密度和海水密度，通过流体静力学模型估算海冰厚度，最后通过投影变换、栅格转换和空间重采样，获取研究区内的海冰厚度分布图。本方法采用了一种新型的波形重跟踪方法——即复合三阶贝塞尔曲线拟合法，克服了原有方法对地物表面特性敏感的问题，进而提高了海冰厚度的估算精度。，下面是一种海冰厚度的遥感估算方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种海冰厚度的遥感估算方法，包括以下步骤：
第一步、准备数据，并对数据进行提取和筛选，包括如下两个方面的内容：
(Ⅰ)下载CryoSat-2卫星高度计SAR模式L1b级数据，并提取经纬度坐标、地物回波波形曲线，剔除不可用数据；
(Ⅱ)下载对应时间和空间范围的欧洲气象卫星应用组织海洋海冰应用中心的海冰类型数据，下载对应时间和空间范围的海表面高度模型的平均海表面高度数据和积雪模型的积雪深度数据，获取以上信息以及对应的经纬度信息,其中，所述海冰类型分为一年冰和多年冰；
第二步、采用复合的三阶贝塞尔曲线对地物回波波形进行拟合：将原始的地物回波波形曲线分割为5段子曲线，分割点分别为在前缘处波形最大功率值的5％、99％点位处和后缘处波形最大功率值的5％、99％点位处,将每个子曲线的横坐标作归一化处理，即调整到
0-1的范围，然后使用三阶贝塞尔曲线进行拟合，并且将拟合获得的曲线进行拼接得到复合的三阶贝塞尔拟合曲线，三阶贝塞尔曲线的拟合公式如下：
B(tk)＝(1-tk)3p0+3tk(1-tk)2p1+3tk2(1-tk)p2+tk3p3
其中，tk是第k个采样点归一化后的横坐标，pi表示三阶贝塞尔曲线的控制点参量；
第三步、针对海冰和冰间水道两种地物，分别将重跟踪点设置在其对应的复合的三阶贝塞尔拟合曲线最大功率值的50％和70％处，重跟踪点到复合的三阶贝塞尔拟合曲线的中心点之间的距离为重跟踪校正值HR，利用该重跟踪校正值HR进行波形重跟踪校正；接着进行地理校正，然后计算海冰和冰间水道的高程，公式表达如下：
H＝HS-R-HR-HG
式中，H为地物高程，HS是卫星高度计相对于WGS84椭球体的高程，R是卫星高度计到地物表面的距离，HR和HG分别代表重跟踪校正值和地理校正值，R通过真空中的光速乘以卫星高度计的波形信号的单次传播时间T得到，其中，T、HS和HG从CryoSat-2L1b数据中获得；
第四步、获取真实海表面高度并计算海冰雷达干舷高度：冰间水道的高程即为其所在位置的真实海表面高程，海冰处的真实海表面高程由平均海表面高程和海表面高程异常值相加得到，平均海表面高程取自海表面高度模型，海表面高程异常值是真实海表面高程与平均海表面高程之差，通过所有CryoSat-2数据中反演的冰间水道高程与对应的平均海表面高程之差在研究区内线性插值获得，海冰雷达干舷高度计算公式如下：
FR＝H-MSS-SSA
其中，FR为雷达干舷高度，H为海冰表面高程，MSS为平均海表面高程；
第五步、计算海冰干舷高度：海冰干舷高度计算公式如下：
Fi＝FR+hc
其中hc为校正因子：
hs为雪深，取值于积雪模型，雪层中脉冲信号的传播速度计算公式如下：
ρs为雪密度，ρs＝320g/cm3，c为光在真空中的传播速度；
第六步、分别将上述提取的海冰干舷高度、雪深以及海冰类型信息与对应的经纬度坐标进行匹配，并将匹配好的数据转换成矢量点数据；针对一年冰区域和多年冰区域，分别计算每个点位的海冰厚度值Hi，从而获得海冰厚度矢量点数据，海冰厚度值Hi的计算公式如下，
其中，ρw、ρi和ρs分别是海水密度、海冰密度和海冰上覆盖的积雪密度，Fi为海冰干舷高度，Hs为海冰上的积雪深度，一年冰和多年冰具有各自的海冰密度值；
第七步、将上述海冰厚度矢量点数据进行栅格化处理，获得海冰厚度栅格数据。
2.根据权利要求1所述海冰厚度的遥感估算方法，其特征在于：第一步的步骤(Ⅰ)中所述不可用数据是指指示性参数为1的数据，步骤(Ⅱ)中，所述海表面高度模型为DTU15模型；
积雪模型为UCL04模型。
3.根据权利要求1所述海冰体积的遥感估算方法，其特征在于：所述第一步中，CryoSat-2卫星SAR模式L1b级数据为DBL格式，欧洲气象卫星应用组织海洋海冰应用中心海冰类型数据格式为NetCDF4格式。
4.根据权利要求1所述海冰厚度的遥感估算方法，其特征在于：第二步中，拟合的完成条件是样本点和拟合点间的距离的平方和最小，即
其中，q(tk)表示地物回波波形曲线的采样点。
5.根据权利要求1所述海冰体积的遥感估算方法，其特征在于：所述第六步中，海水密度ρw取1024kg/m3，一年海冰和多年海冰的密度分别取916.7kg/m3和882.0kg/m3，积雪密度ρs取320.0kg/m3。
6.根据权利要求1所述海冰厚度的遥感估算方法，其特征在于：第七步中，栅格化处理的具体步骤如下：
a、对获得的海冰厚度矢量点数据在WGS_1984地理坐标系下进行极地立体方位投影；
b、将极地立体方位投影后的海冰厚度矢量点数据进行栅格转换，获得海冰厚度栅格数据；
c.通过空间重采样将上述栅格数据的空间分辨率采样至指定分辨率。
7.根据权利要求6所述海冰厚度的遥感估算方法，其特征在于：所述指定分辨率为25km×25km。
8.根据权利要求6所述海冰厚度的遥感估算方法，其特征在于：海冰厚度矢量点数据进行栅格化过程中，将栅格内矢量点的海冰厚度平均值作为该栅格的海冰厚度值。

说明书全文

一种海冰厚度的遥感估算方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种海冰厚度的遥感估算方法，属于遥感地学应用技术领域。技术背景

[0002] 海冰是气候系统中最为敏感的环境因子之一，对地区内的物质平衡和热量交换过程有着重要的影响。海冰厚度是描述海冰性质最为重要的特征之一，也是描述海冰变化的常用指标。近50年来北极海冰厚度呈现持续降低的趋势，且在不同区域和季节降低的程度不同，厚度较厚的多年冰的厚度降低幅度最大，已对北极气候造成了深远的影响，同时也作用于全球气候的变化。因此，研究海冰厚度的变化对理解气候变化的影响机制及其变化过程具有重要的现实意义。

[0003] 近年来，卫星高度计技术的发展为大范围的海冰监测提供了机遇，卫星高度计可以实现大空间范围(半球或全球尺度)的海冰厚度监测，且拥有较高的时间分辨率。CryoSat-2卫星发射于2010年4月，携带有目前最为先进的基于Ku波段的合成孔径干涉雷达高度计SIRAL，相较于ERS-1/2、ENVISAT、Jason-1等传统的卫星高度计其具有更高的空间分辨率(沿轨约360m，跨轨约1500m)，其观测范围最高达到北极88°N的区域。另外，该卫星雷达高度计对地表点进行多视处理以减少雷达斑点引起的噪声，垂直测量精度可以达到1～
3cm，测量海平面高度数据精度约为传统雷达高度计的2倍。

[0004] 利用卫星高度计进行海冰厚度反演的关键问题是波形重跟踪，波形重跟踪直接影响卫星高度计的测高精度。现有的波形重跟踪方法中，物理模型法应用困难，且经常出现无解的情况；阈值法较为简单，难以使用大尺度海冰厚度反演的需要；简单的波形拟合法拟合精度差，反演精度较低。综上，需要一种稳健性好、拟合精度高的波形拟合法进行波形重跟踪校正，对精确反演海冰厚度具有重要的意义。

发明内容

[0005] 本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的上述缺陷，提供一种基于贝塞尔曲线拟合的CryoSat-2海冰厚度反演方法。同时，本发明海冰厚度估算方法考虑了积雪深度、多年冰和一年冰海冰密度的差别，大大提高了海冰厚度的估算精度。

[0006] 为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是：海冰厚度的遥感估算方法，包括以下步骤：

[0007] 第一步、准备数据，并对数据进行提取和筛选，包括如下两个方面的内容：

[0008] (Ⅰ)下载CryoSat-2卫星高度计SAR模式L1b级数据，并提取经纬度坐标、地物回波波形曲线，剔除不可用数据；

[0009] (Ⅱ)下载对应时间和空间范围的欧洲气象卫星应用组织海洋海冰应用中心的海冰类型数据，下载对应时间和空间范围的海表面高度模型的平均海表面高度数据和积雪模型的积雪深度数据，获取以上信息以及对应的经纬度信息,其中，所述海冰类型分为一年冰和多年冰；

[0010] 第二步、采用复合的三阶贝塞尔曲线对地物回波波形进行拟合：将原始的地物回波波形曲线分割为5段子曲线，分割点分别为在前缘处波形最大功率值的5％、99％点位处和后缘处波形最大功率值的5％、99％点位处,将每个子曲线的横坐标作归一化处理，即调整到0-1的范围，然后使用三阶贝塞尔曲线进行拟合，并且将拟合获得的曲线进行拼接得到复合的三阶贝塞尔拟合曲线，三阶贝塞尔曲线的拟合公式如下：

[0011] B(tk)＝(1-tk)3p0+3tk(1-tk)2p1+3tk2(1-tk)p2+tk3p3

[0012] 其中，tk是第k个采样点归一化后的横坐标，pi表示三阶贝塞尔曲线的控制点参量；

[0013] 第三步、针对海冰和冰间水道两种地物，分别将重跟踪点设置在其对应的复合的三阶贝塞尔拟合曲线最大功率值的50％和70％处，重跟踪点到复合的三阶贝塞尔拟合曲线的中心点之间的距离为重跟踪校正值HR，利用该重跟踪校正值HR进行波形重跟踪校正；接着进行地理校正，然后计算海冰和冰间水道的高程，公式表达如下：

[0014] H＝HS-R-HR-HG

[0015] 式中，H为地物高程，HS是卫星高度计相对于WGS84椭球体的高程，R是卫星高度计到地物表面的距离，HR和HG分别代表重跟踪校正值和地理校正值，R通过真空中的光速乘以卫星高度计的波形信号的单次传播时间T得到，其中，T、HS和HG从CryoSat-2L1b数据中获得；

[0016] 第四步、获取真实海表面高度并计算海冰雷达干舷高度：冰间水道的高程即为其所在位置的真实海表面高程，海冰处的真实海表面高程由平均海表面高程和海表面高程异常值相加得到，平均海表面高程取自海表面高度模型，海表面高程异常值是真实海表面高程与平均海表面高程之差，通过所有CryoSat-2数据中反演的冰间水道高程与对应的平均海表面高程之差在研究区内线性插值获得，海冰雷达干舷高度计算公式如下：

[0017] FR＝H-MSS-SSA

[0018] 其中，FR为雷达干舷高度，H为海冰表面高程，MSS为平均海表面高程；

[0019] 第五步、计算海冰干舷高度：海冰干舷高度计算公式如下：

[0020] Fi＝FR+hc

[0021] 其中hc为校正因子：

[0022]

[0023] hs为雪深，取值于积雪模型，雪层中脉冲信号的传播速度计算公式如下：

[0024]

[0025] ρs为雪密度，ρs＝320g/cm3，c为光在真空中的传播速度；

[0026] 第六步、分别将上述提取的海冰干舷高度、雪深以及海冰类型信息与对应的经纬度坐标进行匹配，并将匹配好的数据转换成矢量点数据；针对一年冰区域和多年冰区域，分别计算每个点位的海冰厚度值Hi，从而获得海冰厚度矢量点数据，海冰厚度值Hi的计算公式如下，

[0027]

[0028] 其中，ρw、ρi和ρs分别是海水密度、海冰密度和海冰上覆盖的积雪密度，Fi为海冰干舷高度，Hs为海冰上的积雪深度，一年冰和多年冰具有有各自的海冰密度值；

[0029] 第七步、将上述海冰厚度矢量点数据进行栅格化处理，获得海冰厚度栅格数据。

[0030] 本发明方法的执行步骤简单易行，效果较好。目前海冰厚度大面积反演方法精度较低，传统的经验方法可行性差。本发明使用一种新型的基于复合贝赛尔曲线拟合的波形重跟踪方法来精确获取地物高程，同时考虑海冰密度的影响，根据流体静力学平衡原理反演海冰厚度，对深入分析研究南北极海冰物质平衡变化、气候变化的规律具有深远的科学意义。附图说明

[0031] 下面结合附图对本发明作进一步的说明。

[0032] 图1是本发明海冰厚度遥感估算方法流程图。

[0033] 图2(a)为冰间水道波形的复合三阶贝塞尔曲线拟合结果图。

[0034] 图2(b)为海冰波形的复合三阶贝塞尔曲线拟合结果图。

[0035] 图3为海冰干舷高度计算结果。

[0036] 图4为包含海冰干舷高度、积雪厚度、海冰类型等信息的点数据。

[0037] 图5为海冰厚度计算结果。

[0038] 图6为25km×25km的2015年3月北极海冰厚度的估算结果。

具体实施方式

[0039] 下面根据附图详细阐述本发明，使本发明的技术路线和操作步骤更加清晰。本发明实例采用的数据是CryoSat-2卫星L1b级SAR模式数据和欧洲气象卫星应用组织海洋海冰应用中心的10km分辨率海冰类型数据OSI SAF。CryoSat-2数据获取时间为2015年3月1日——2015年3月30日，OSI SAF数据获取时间为2015年3月15日。

[0040] 图1为海冰厚度遥感估算方法流程图，具体步骤如下:

[0041] 第一步、准备数据，并对数据进行提取和筛选，包括如下两个方面的内容：

[0042] Ⅰ.下载CryoSat-2卫星高度计SAR模式L1b级数据，并提取经纬度坐标、地物回波波形曲线(由点数据构成的)，并根据指示性参数剔除不可用的数据；指示性参数为0，代表数据可用，指示性参数为1，则该数据受干扰较大，不建议使用。本实施例中用，剔除掉指示性参数为1的数据，仅保留指示性参数为0的可用数据。

[0043] Ⅱ.下载对应时间和空间范围的欧洲气象卫星应用组织海洋海冰应用中心的海冰类型数据，下载对应时间和空间范围的DTU15模型(Technical University of Denmark发布)的平均海表面高度数据和UCL04模型(University College London发布)的积雪深度数据，获取以上信息以及对应的经纬度信息。其中，海冰类型分为一年冰和多年冰(分别用“0”和“1”表示)。

[0044] CryoSat-2卫星SAR模式L1b级数据为DBL格式，欧洲气象卫星应用组织海洋海冰应用中心海冰类型数据格式为NetCDF4格式。

[0045] 第二步、采用复合的三阶贝塞尔曲线对地物回波波形进行拟合：将原始的地物回波波形曲线分割为5段子曲线，分割点分别为在前缘处波形最大功率值的5％、99％点位处和后缘处波形最大功率值的5％、99％点位处。对于每个子曲线，应用三阶贝塞尔曲线进行拟合：

[0046] B(tk)＝(1-tk)3p0+3tk(1-tk)2p1+3tk2(1-tk)p2+tk3p3

[0047] 其中，tk是第k个采样点归一化后的横坐标，pi表示三阶贝塞尔曲线的控制点参量。拟合的完成条件是样本点和拟合点间的距离的平方和最小，即

[0048]

[0049] 其中，q(tk)表示地物回波波形曲线的采样点。冰间水道和海冰波形的分割点设置和拟合结果如图2(a)、图2(b)所示。

[0050] 第三步、针对海冰和冰间水道两种地物，分别将重跟踪点设置在其对应的复合的三阶贝塞尔拟合曲线最大功率值的50％和70％处，重跟踪点到复合的三阶贝塞尔拟合曲线的中心点之间的距离为重跟踪校正值HR，利用该重跟踪校正值HR进行波形重跟踪校正；之后进行地理校正，以校正大气、海洋等带来的误差(主要包括干湿对流层校正、潮汐校正等),计算海冰和冰间水道的高程，公式表达如下：

[0051] H＝HS-R-HR-HG

[0052] 式中，H为地物高程，HS是卫星高度计相对于WGS84椭球体的高程，R是卫星高度计到地物表面的距离，HR和HG分别代表重跟踪校正值和地理校正值，R通过真空中的光速乘以卫星高度计的波形信号的单次传播时间T得到，其中，T、HS和HG从CryoSat-2L1b数据中获得。

[0053] 第四步、获取真实海表面高度并计算海冰雷达干舷高度：冰间水道的高程即为其所在位置的真实海表面高程，海冰处的真实海表面高程由平均海表面高程和海表面高程异常值相加得到，平均海表面高程取自海表面高度模型，海表面高程异常值是真实海表面高程与平均海表面高程之差，通过所有CryoSat-2数据中反演的冰间水道高程与对应的平均海表面高程之差在研究区内线性插值获得，海冰雷达干舷高度计算公式如下：

[0054] FR＝H-MSS-SSA

[0055] 其中，FR为雷达干舷高度，H为海冰表面高程，MSS为平均海表面高程。

[0056] 第五步、计算海冰干舷高度。考虑脉冲信号在积雪中传输时传输速度减慢带来的影响，根据海冰上的积雪厚度进行脉冲信号传播速度的校正，最终的海冰干舷高度计算公式如下，计算结果如图3所示：

[0057] Fi＝FR+hc

[0058] 其中hc为校正因子：

[0059]

[0060] hs为雪深，取值于UCL04模型，雪层中脉冲信号的传播速度计算公式如下：

[0061]

[0062] ρs为雪密度，ρs＝320g/cm3。

[0063] 第六步、分别将上述提取的海冰干舷高度、雪深以及海冰类型信息与对应的经纬度坐标进行匹配，并将匹配好的数据转换成矢量点数据,如图4所示。本例中，使用MATLAB 软件中shapewrite函数将匹配好的数据转换成带经纬度坐标的矢量点数据，存储为shapefile文件。

[0064] 然后，通过流体静力平衡公式计算每个点位的海冰厚度值Hi，计算结果如图5所示，从而获得海冰厚度矢量点数据。海冰厚度值Hi的计算公式如下，

[0065]

[0066] 其中，ρw、ρi和ρs分别是海水密度、海冰密度和海冰上覆盖积雪的密度，Fi为海冰干舷高度，Hs为海冰上的积雪深度，海水密度取1024kg/m3。一年冰和多年冰有各自的海冰密度值，分别取916.7kg/m3和882.0kg/m3，积雪密度取320.0kg/m3。本例中，针对一年冰区域和多年冰区域，分别计算每个点位的海冰厚度值。

[0067] 第七步、将上述数据栅格化为25km×25km空间分辨率的格网，主要包含以下步骤：

[0068] a、对获得的海冰厚度矢量点数据在WGS_1984地理坐标系下进行极地立体方位投影；

[0069] b、将极地立体方位投影后的海冰厚度矢量点数据进行栅格转换，获得海冰厚度栅格数据；海冰厚度矢量点数据进行栅格化过程中，将栅格内矢量点的海冰厚度平均值作为该栅格的海冰厚度值；

[0070] c.通过空间重采样将上述栅格数据的空间分辨率采样至25km×25km分辨率。

[0071] 第七步在软件中的操作流程如下：

[0072] a.定义投影。将点文件加载到ArcGIS中，定义WGS_1984地理坐标系，进行极地立体方位投影。

[0073] b.获得栅格数据集。利用ArcGIS工具Conversion Tools->To Raster->Point to Raster，计算方式选择mean，栅格大小为默认值。获得海冰厚度栅格数据。

[0074] c.统一空间分辨率。利用ArcGIS工具Data Management Tools->Raster->Raster Processing->Resample，选取最邻近分配法，将上述栅格数据统一为25km×25km空间分辨率。

[0075] 最后海冰厚度栅格数据分别如图6所示，平均海冰厚度约为3.2米。

[0076] 除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

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