CN102169178B - 基于重力学的海面地形结构测定方法 - Google Patents
基于重力学的海面地形结构测定方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于重力学的海面地形结构测定方法，包括以下步骤：S1、对海面测高数据进行粗差探测，从而得到无粗差的测高数据；S2、计算卫星测高重力场反演中的参考重力场；S3、基于所述参考重力场从所述无粗差的测高数据中删除海面地形中的长波成分；S4、利用所述无粗差的测高数据分离海面地形的中短波成分；S5、由所述参考重力场计算大地水准面高时，将分离海面地形的中短波成分时得到的参量相加，并将相加的结果与由卫星测高数据得到的海面高进行比较，以确定海面高中的各种频率成份。本发明得到了可靠的海面高数据，从而获得了准确的海面地形结构测定数据。
Description
技术领域
本发明涉及属于物理大地测量技术领域，具体为一种基于重力学的海面地形结构测定方法。
背景技术
海面地形是平均海面与大地水准面之间的差距。关于海面地形的研究，无论对于确定地球形状和大小、建立国家高程基准，还是对于确定海洋环流、全球海洋气候的变化都具有很重大的意义。计算海面地形的方法有：几何水准法、由水文资料计算中国近海海面地形、基于卫星测高数据的球谐函数展开法。
海面地形分离一直是卫星测高在大地测量和海洋物理应用中的技术瓶颈问题。在近海浅水海域，海水受岸线、海底、海面风压、河口、温盐、外海驱动力与潮汐等复杂因素耦合作用，其动力环境难以用数值模型准确描述，是一类典型的地球物理不确定性问题。
在我国近海海域，即使在精确地测定海面风压、三维连续的海水温盐分布情况下，也无法采用海洋物理方法(位距水准法或海流动力数值模型法)得到精度优于20cm的稳态海面地形。因此，在浅海地区，通过海洋物理方法分离海面地形，仅利用多种卫星测高数据难以获得厘米级大地水准面。
海面地形分离一直是卫星测高在大地测量和海洋物理应用中的技术瓶颈问题。在近海浅水海域，海水受岸线、海底、海面风压、河口、温盐、外海驱动力与潮汐等复杂因素耦合作用，其动力环境难以用数值模型准确描述，是一类典型的地球物理不确定性问题。
关于海面地形精细结构的研究对反映海洋近海区的大地水准面起伏情况，解决国内外关于近海区大地水准面拼接技术难题，陆海高程基准的统一问题具有很重大的意义。计算海面地形的方法有：①几何水准法。该方法实施步骤是在我国沿海各长期验潮站水准点进行几何水准联测，求得各站平均海面与青岛站平均海面之高差，以此来得到海面地形的倾斜特点。②由水文资料计算中国近海海面地形。该方法主要假设各地平均海面差异的主要因素是海洋水文因素，即无运动层以上海水密度的影响。由于密度不同产生海水体积的变化，造成各地平均海面差异。③基于卫星测高数据的球谐函数展开法。Engelis曾用GEM-L1重力模型和卫星测高SEASAT资料求得海面地形球谐模型系数。
这是目前得到海面地形的主要三种方法，可以看出方法①需要多年的验潮数据以及需要在验潮站之间进行费时费力的水准测量。方法②则需要根据全国沿海水文站长期观测的温度、盐度资料，才可算得海水密度值，况且水文站的布设范围有限，观测数据代表性不足，很难得到有说服力的近海海面地形结果。方法③是研究海面地形的一种发展趋势，不过Engelis所用的重力场模型过于陈旧，卫星测高数据也比较单一，且在解算海面地形的球谐模型时，对中国近海来说，该球函数模型计算的结果精度较低，效果不够理想。
在我国近海海域，即使在精确地测定海面风压、三维连续的海水温盐分布情况下，也无法采用海洋物理方法得到精度优于20cm的稳态海面地形。因此，在浅海地区，通过海洋物理方法分离海面地形，仅利用多种卫星测高数据难以获得厘米级大地水准面。
为了得到可靠的海面高数据，对测高数据进行粗差探测显得非常有必要。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何得到可靠的海面高数据，从而获得准确的海面地形结构测定数据。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于重力学的海面地形结构测定方法，包括以下步骤：
S1、对海面测高数据进行粗差探测，从而得到无粗差的测高数据；
S2、计算卫星测高重力场反演中的参考重力场；
S3、基于所述参考重力场从所述无粗差的测高数据中删除海面地形中的长波成分；
S4、利用所述无粗差的测高数据分离海面地形的中短波成分；
S5、由所述参考重力场计算大地水准面高时，将分离海面地形的中短波成分时得到的参量相加，并将相加的结果与由卫星测高数据得到的海面高进行比较，以确定海面高中的各种频率成份。
其中，步骤S1包括：
S101、对卫星测高数据序列进行小波分解，得到降噪前的卫星测高数据；
S102、对小波分解得到的各分解尺度下的小波系数设定阈值，保留未超过该阈值的小波系数，并将超过该阈值的小波系数设置为零，得到降噪后的卫星测高数据；
S103、采用逆小波变换的方法由保留下来的小波系数重建卫星测高数据序列；
S104、根据降噪前、后的卫星测高数据序列计算残差，得到残差序列；
S105、根据所述残差序列检测粗差的位置，检测到粗差位置后，在所重建的卫星测高数据序列中删除所述粗差位置的数据，得到无粗差的测高数据。
其中，在步骤S101中，选取Haar小波作为小波基，对卫星测高数据时间序列进行小波分解。
其中，步骤S2包括：
S201、利用卫星重力数据建立基础数据集；
S202、根据所述基础数据集构建地球重力场模型；
S203、根据所述卫星重力数据构建90～180阶地球重力场模型；
S204、根据所述卫星重力数据构建90～180阶卫星重力场模型；
S205、根据卫星测高数据序列和卫星重力数据构建360阶地球重力场模型，作为卫星测高重力场反演中的参考重力场。
其中，步骤S3具体为：根据所述参考重力场选择一定大小的积分半径，抑制海面地形的中长波成分对测高重力场精度的影响。
其中，步骤S4包括：对所述无粗差的测高数据进行海面地形改正、均衡改正、球面局部地形改正计算，并计算所述地形影响的高频成分，实现海面地形的中短波分离；并采用移去恢复法减小海面地形对测高重力场的影响。
其中，步骤S5包括：
由所述参考重力场计算大地水准面高时，将海面地形改正、均衡改正以及计算球面局部地形影响得到的参量相加，并将相加的结果与由卫星测高数据得到的海面高进行比较，以确定海面高中的各种频率成份。
其中，所述卫星重力数据包括CHAMP(Challenging MinisatellitePayload，挑战小卫星有效载荷)、GRACE(Gravity Recovery andClimate Experiment，重力场恢复与气候试验)数据、重力场和GOCE(Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer，重力场和稳态海洋环流探测)数据以及卫星激光测距数据。
其中，在步骤S203中构建90～180阶地球重力场模型时所用到的数据包括GRACE数据和卫星激光测距数据。
其中，在步骤S204中构建90～180阶卫星重力场模型时所用到的数据包括GOCE数据、GRACE数据和卫星激光测距数据。
(三)有益效果
本发明将小波变换技术引入到测高数据的粗差探测中，将小波变换看做是可变带宽的带通滤波，将测高数据信号分解到分解尺度空间和细节空间，通过设定阈值修改小波系数以实现测高数据的粗差定位、滤波和去噪。并在已有方法的基础上，进行了优化设计，完成了基于重力学的海面地形精细结构测定的计算方法及过程设计，进一步反映了海洋近海区的大地水准面起伏情况，解决了关于近海区(距离海岸线80海里以内)大地水准面拼接及陆海高程基准统一的技术难题。
附图说明
图1是本发明的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1所示，本发明提供的基于重力学的海面地形结构测定方法，包括以下步骤：
S1、对海面测高数据进行粗差探测，从而得到无粗差的测高数据；
S2、计算卫星测高重力场反演中的参考重力场；
S3、基于所述参考重力场从所述无粗差的测高数据中删除海面地形中的长波成分；
S4、利用所述无粗差的测高数据分离海面地形的中短波成分；
S5、由所述参考重力场计算大地水准面高时，将分离海面地形的中短波成分时得到的参量相加，并将相加的结果与由卫星测高数据得到的海面高进行比较，以确定海面高中的各种频率成份。
海面地形是一个物理量，将其按照级数展开，比如说从1阶展开直到20阶，通常规定前5阶是长波，5～15阶是中波部分，剩下的是短波部分。本发明中涉及到的参考重力场主要是用基于卫星探测的手段来获取的200阶的重力场，因此对于该200阶的重力场，通常规定前50阶是长波，50～150阶是中波部分，剩下的是短波部分。
其中，步骤S1包括：
S101、对卫星测高数据序列进行小波分解，得到降噪前的卫星测高数据；
S102、对小波分解得到的各分解尺度下的小波系数设定阈值，保留未超过该阈值的小波系数，并将超过该阈值的小波系数设置为零，得到降噪后的卫星测高数据；
S103、采用逆小波变换的方法由保留下来的小波系数重建卫星测高数据序列；
S104、根据降噪前、后的卫星测高数据序列计算残差，得到残差序列；
S105、根据所述残差序列检测粗差的位置，检测到粗差位置后，在所重建的卫星测高数据序列中删除所述粗差位置的数据，得到无粗差的测高数据。
其中，在步骤S101中，选取H aar小波作为小波基，对卫星测高数据时间序列进行小波分解。
其中，步骤S2包括：
S201、利用卫星重力数据建立基础数据集；
S202、根据所述基础数据集构建地球重力场模型；
S203、使用最小二乘配置法融合GRACE数据和卫星激光测距数据来构建90～180阶地球重力场模型；
S204、使用最小二乘配置法融合GOCE数据、GRACE数据和卫星激光测距数据来构建90～180阶卫星重力场模型；
S205、根据卫星测高数据序列和卫星重力数据构建360阶地球重力场模型，作为卫星测高重力场反演中的参考重力场。
其中，步骤S3具体为：根据所述参考重力场选择一定大小的积分半径，抑制海面地形的中长波成分对测高重力场精度的影响。
其中，步骤S4包括：对所述无粗差的测高数据进行海面地形改正、均衡改正、球面局部地形改正计算，并计算所述地形影响的高频成分，实现海面地形的中短波分离；并采用移去恢复法减小海面地形对测高重力场的影响。
其中，步骤S5包括：
由所述参考重力场计算大地水准面高时，将海面地形改正、均衡改正以及计算球面局部地形影响得到的参量相加，并将相加的结果与由卫星测高数据得到的海面高进行比较，以确定海面高中的各种频率成份。
其中，所述卫星重力数据包括挑战小卫星有效载荷CHAMP、重力场恢复与气候试验GRACE数据、重力场和稳态海洋环流探测GOCE数据以及卫星激光测距数据。
以下举例说明。在本发明实施例中，设待研究的区域为：北纬23°～33°、经度118°～131°。
首先，对海面测高数据进行粗差探测，从而得到无粗差的测高数据。然后执行如下步骤：
一、近海区参考重力场模型的构建，其过程为：
1、收集卫星重力数据，包括CHAMP、GRACE、GOCE；
2、收集地面、近海船测重力数据；
3、使用最小二乘配置法融合多种卫星重力数据(即GRACE，GOCE等数据)来计算分离海面高时需要的参考重力场；
4、得到近海区局部重力场模型；
二、海面地形的长波分析，具体步骤为：
1、利用高程异常逆运算或垂线偏差逆运算，选择合适大小的积分半径抑制中、长波海面地形对海域测高重力场精度的影响；
2、使用固定积分半径的快速傅里叶变换算法，进行近海区卫星测高重力场数据处理；
3、在近海区，由于剩余扰动位协方差函数的相关长度一般在20～50km，因此在局部重力场采用最小二乘配置法抑制海面地形的中、长波信号对测高重力场精度的影响；
三、海面地形的中、短波分析，具体步骤为：
1、海面地形改正(布格改正)；
2、均衡改正；
3、计算球面局部地形影响。
最后由所述参考重力场计算大地水准面高，此时将海面地形改正、均衡改正以及计算球面局部地形影响得到的参量相加，并将相加的结果与由卫星测高数据得到的海面高进行比较，以确定海面高中的各种频率成份，即长、中、短成份。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
Claims (9)
1.一种基于重力学的海面地形结构测定方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、对卫星测高数据进行粗差探测，从而得到无粗差的测高数据；
S2、计算卫星测高重力场反演中的参考重力场；
S3、基于所述参考重力场从所述无粗差的测高数据中删除海面地形的长波成分；
S4、利用所述无粗差的测高数据分离海面地形的中短波成分；
S5、由所述参考重力场计算大地水准面高，此时将分离海面地形的中短波成分时得到的参量相加，并将相加的结果与由卫星测高数据得到的海面高进行比较，以确定海面高中的各种频率成分 ；
步骤S3具体为：根据所述参考重力场选择一定大小的积分半径，抑制海面地形的中、长波成分对测高重力场精度的影响。
2.如权利要求1所述的基于重力学的海面地形结构测定方法，其特征在于，步骤S1包括：
S101、对卫星测高数据序列进行小波分解，得到降噪前的卫星测高数据；
S102、对小波分解得到的各分解尺度下的小波系数设定阈值，保留未超过该阈值的小波系数，并将超过该阈值的小波系数设置为零，得到降噪后的卫星测高数据；
S103、采用逆小波变换的方法由保留下来的小波系数重建卫星测高数据序列；
S104、根据降噪前、后的卫星测高数据序列计算残差，得到残差序列；
S105、根据所述残差序列检测粗差的位置，检测到粗差位置后，在所重建的卫星测高数据序列中删除所述粗差位置的数据，得到无粗差的测高数据。
3.如权利要求2所述的基于重力学的海面地形结构测定方法，其特征在于，在步骤S101中，选取Ｈaar小波作为小波基，对卫星测高数据时间序列进行小波分解。
4.如权利要求1所述的基于重力学的海面地形结构测定方法，其特征在于，步骤S2包括：
S201、利用卫星重力数据建立基础数据集；
S202、根据所述基础数据集构建地球重力场模型；
S203、根据所述基础数据集构建90～180阶地球重力场模型；
S204、根据所述基础数据集构建90～180阶卫星重力场模型；
S205、根据卫星测高数据序列和基础数据集构建360阶地球重力场模型，作为卫星测高重力场反演中的参考重力场。
5.如权利要求1所述的基于重力学的海面地形结构测定方法，其特征在于，步骤S4包括：对所述无粗差的测高数据进行海面地形改正、均衡改正、球面局部地形改正计算，并计算地形影响的高频成分，实现海面地形的中短波分离；并采用移去恢复法减小海面地形对测高重力场的影响。
6.如权利要求5所述的基于重力学的海面地形结构测定方法，其特征在于，步骤S5包括：
由所述参考重力场计算大地水准面高时，将海面地形改正、均衡改正以及计算球面局部地形影响得到的参量相加，并将相加的结果与由卫星测高数据得到的海面高进行比较，以确定海面高中的各种频率成分。
7.如权利要求4所述的基于重力学的海面地形结构测定方法，其特征在于，所述卫星重力数据包括挑战小卫星有效载荷CHAMP、重力场恢复与气候试验GRACE数据、重力场和稳态海洋环流探测GOCE数据以及卫星激光测距数据。
8.如权利要求7所述的基于重力学的海面地形结构测定方法，其特征在于，在步骤S203中构建90～180阶地球重力场模型时所用 到的数据包括GRACE数据和卫星激光测距数据。
9.如权利要求7所述的基于重力学的海面地形结构测定方法，其特征在于，在步骤S204中构建90～180阶卫星重力场模型时所用到的数据包括GOCE数据、GRACE数据和卫星激光测距数据。
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Granted publication date: 20121121 Termination date: 20171221 |