[發明專利]衛星測高河流水位監測方法及系統

有效

• 申請號: 202011080129.X
• 申請日: 2020-10-10
• 公開（公告）號: CN112414510B
• 公開（公告）日: 2021-11-02
• 發明（設計）人: 楊元德
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: G01F23/284
• 分類號: G01F23/284;G01F23/00;G01S7/35;G01S7/41
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 嚴彥

本發明提供一種衛星測高河流水位監測方法及系統，包括基于理想Brown模型選取包含波形前緣的子波形；通過相關分析從回波波形中提取若干個候選的子波形；對實際回波波形基于最大能量進行波形重定，提取參考水位；對所有候選的子波形分別基于最大能量進行波形重定，提取相應河流水位，通過與所得參考水位對比最終確定河流水位。本發明只采用衛星測高回波波形，無需借助其他數據，直接計算參考水位和確定最終的河流水位；并且，本發明首次提出，基于最大能量采樣點進行波形重定，可以極大的降低計算量，提高效率。本發明實施結果精度高，利用本發明有助于自動獲取全球河流水位的時間序列，加深對全球變暖情景下河流的響應。

技術領域

本發明涉及衛星測高應用處理技術領域，具體涉及一種衛星測高河流水位監測方案。

背景技術

1969年美國學者Kaula在Williamstown的研討會上首次提出了衛星測高的概念，上世紀70年代先后發射了Skylab(Sky Laboratory)、Geos–3(Geodynamics ExperimentalOcean Satellite)和Seasat等測高衛星。1985年發射的Geosat(Geodetic Satellite)測高衛星，首次提供了長期具有重復周期高質量的全球海面高數據，標志著衛星測高技術進入成熟階段。到上世紀90年代，美國和歐空局研制了高精度的高度計，目前形成了兩大系列測高衛星，即T/P(Topex/Poseidon)系列(包括已發射的T/P、Jason–1/2及未來擬發射的Jason–3測高衛星)和ERS(European Remote Sensing Satellite)系列(包括已發射的ERS–1/2和Envisat測高衛星)，其中T/P系列主要用于海洋的長期監測，進行海洋現象的研究，而ERS系列則用于長期監測地球表面。

測高衛星運行時高度計向海面(或地面)發射線性調頻信號，信號到達地面反射至高度計，高度計接收到信號經過處理得到了與采樣數或時間對應的一能量列序列，該能量序列通常被稱為回波波形。對回波波形數據處理，直接計算得到波形前緣中點、波形前緣斜率和波形后緣斜率，進而獲得衛星到地面的距離、海面有效波高及后向散射系數風速等。

開闊海域的回波波形滿足Brown模型，直接利用衛星測高數據提供的產品可滿足要求。但對于其他反射面，回波波形偏離Brown模型，衛星測高在這些區域的測距精度無法滿足實際的需要。為提高衛星測高的測距精度，需要重新計算回波波形的波形前緣中點，進而對衛星測高的測距進行改正，該過程稱為波形重定。國內外學者們針對不同反射面，提出了多種波形重定算法，比如OCOG、Beta擬合法、閾值法和子波形閾值法。

回波波形分成三部分，分別為熱噪聲、波形前緣和波形后緣。這三個部分中，波形前緣的精度最高，因此從回波波形中提取出精度最高的波形前緣，然后對波形前緣進行波形重定，進而提高衛星測高的測距精度是一種可靠和有效的方法。目前典型方法為子波形閾值法，該算法是通過選用理想的波形前緣，采用相關分析從實際回波波形中提取其波形前緣中點，然后計算距離改正量。

河流如長江的水位監測，是衛星測高的重要應用之一。全球很多河流沒有地面觀測站，對這些河流的認知十分缺乏，從衛星測高自動提取河流水位十分重要。衛星測高監測河流水位的主要思路是通過對河流附近的衛星測高回波波形的波形重定，得到沿軌跡水位，然后從中提取水位，進而獲得河流的水位時間序列。需要指出，由于河流通常較窄，比如長江漢口段小于2km，而衛星測高的腳印半徑通常達到5km，這使得衛星測高接收的回波波形十分復雜，如附圖1，其中圖1a為簡單的單一波形，圖1b則為常見波形，通常包含了多個子波形，其中某個子波形由河流產生。因此，波形重定算法和從沿軌跡水位中提取正確的水位是監測河流水位的關鍵因素。

為了提取正確的水位，通常需要借助于DEM或者實測水位。最新研究表明，水的反射能量高于陸地反射能量，因此借助于該特征，選取多個子波形中反射能量最大的子波形，進行波形重定獲取水位，可以獲得有效的先驗水位，并以此為基礎，從多個候選水位中提取正確的水位成為可能。