CN109839635A - 一种通过CryoSat-2 SARIn模式L1b级波形数据提取测高脚点高程的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通过CryoSat‑2 SARIn模式L1b级波形数据提取测高脚点高程的方法，包括以下步骤：1)从CryoSat‑2 SARIn模式L1b级数据中提取出回波相干性和差分相位信息；2)对回波相干性和差分相位数据进行平滑处理；3)根据回波相干性进行阈值分割，以相干性大于阈值的区域作为备选区域；4)进行备选区域合并，得到待解缠的有效差分相位；5)时间延迟方向的相对相位解缠；6)差分相位计算高程点三维坐标；7)参考坐标系的转换；8)基于外部DEM的绝对相位解缠。本发明能够从L1b级数据得到高精度的测高脚点高程，相较于ESA发布的L2级数据有更大的脚点覆盖密度，从而能获得更高分辨率的数字高程模型，得到更精细的地形。

Description

一种通过CryoSat-2 SARIn模式L1b级波形数据提取测高脚点 高程的方法

技术领域

本发明涉及于卫星测高数据处理技术，尤其涉及一种通过CryoSat-2 SARIn模式L1b级波形数据提取测高脚点高程的方法。

背景技术

冰川物质流失经常被认为是地球变暖所引起的早期灾变之一，冰川物质平衡变化是影响全球气候和海平面的重要因素。随着气候变化越来越明显，地球表面(尤其是极地区域)冰川的变化情况急切需要被掌握。而卫星测高技术的出现，改变了人们对于极地的观测模式。基于高精度的卫星测高观测值使我们有能力并且系统地进行与极地相关的科学研究，过去几十年间，卫星测高技术已广泛应用于冰盖地形、物质平衡、冰下湖监测、接地线探测以及冰架崩解机制等各个领域的研究。

1999年，欧空局(European Space Agency，ESA)将CryoSat卫星任务纳入为“地球探测者”计划的一部分，该计划的主要目的是加深对地球系统运作以及人类活动影响地球自然演变过程的了解。2005年10月，ESA发射了CryoSat卫星，可惜由于运载火箭发生故障，卫星在入轨前失踪。鉴于冰川监测的重要性，ESA重新制造了CryoSat-2。作为CryoSat的升级版，CryoSat-2虽然降低了建造成本，但增强了卫星运行及数据处理能力。2010年4月8日，CryoSat-2卫星成功发射升空，开始了ESA首个冰川监测任务。

近年来，由于测高技术可以获得较高的高程精度，使得其在其他研究领域中逐渐被重视。如利用测高脚点作为控制点用于光学立体成像和InSAR技术生成数字高程模型(digital elevation model，DEM)，利用测高数据监测湖泊水位变化、估计海冰厚度和体积、获取全球海平面高度等。而传统测高理论往往假定最近回波点(point of closestapproach，POCA)源于星下点，无法对地形起伏较大的南极大陆边缘区域进行精确测量。相对于传统测高理论，CryoSat-2干涉模式(synthetic aperture radar Interferometry，SARIn)基于差分相位能够精确地确定回波点的位置，提高雷达高度计对于南极大陆边缘区域的监测精度。这一提升对于后续的DEM制作以及物质平衡估算都有着重要的意义。但传统的基于卫星测高脚点提取冰盖高程的方法并不能够充分发挥SARIn模式的优势，不能从根本上解决南极大陆边缘区域DEM获取精度差、分辨率低的遗留问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种通过CryoSat-2SARIn模式L1b级波形数据提取测高脚点高程的方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种通过CryoSat-2 SARIn模式L1b级波形数据提取测高脚点高程的方法，包括以下步骤：

步骤1)从CryoSat-2 SARIn模式L1b级数据中提取出回波相干性和差分相位信息；

步骤2)对回波相干性和差分相位数据进行平滑处理；

步骤3)根据回波相干性进行阈值分割，以相干性大于阈值的区域作为备选区域；

步骤4)进行备选区域合并，得到待解缠的有效差分相位；

步骤5)时间延迟方向的相对相位解缠：选取阈值分割和区域合并后的有效差分相位起始点为解缠原点，向时间延迟方向探测相位跳变点的存在，以相位跳变点为依据进行相位改正，并提取具有统一参考点的解缠后相位；

步骤6)差分相位计算高程点三维坐标：基于回波差分相位解算对应的回波偏角，再结合卫星姿态和测距时延，反演回波点位于本体坐标系下的位置；

步骤7)参考坐标系的转换：将本体坐标系下的坐标转换到大地坐标系下；

步骤8)基于外部DEM的绝对相位解缠：步骤7)中提取的地面高程点与外部参考DEM进行较差处理，对于大于限差阈值的高程重新解缠，获取最终的绝对解缠相位，重复步骤6)和步骤7)得到精确的测高脚点高程。

按上述方案，所述步骤2)中，对回波相干性和差分相位数据进行平滑处理具体为对回波相干性和差分相位进行距离向多视，具体如下：

2.1)确定多视窗口的长度；

2.2)去除极值：对于多视窗口中的数据，去除最大和最小值；

2.3)去除局部跳变点：对于去除了极值的数据，进行局部跳变点探测，然后进行均值滤波平滑。

按上述方案，所述步骤3)中相干性阈值为0.8。

按上述方案，所述步骤4)中进行备选区域合并是基于种子填充算法进行备选区域合并。

按上述方案，所述步骤4)中进行备选区域合并是基于种子填充算法，以相邻备选区域间隙小于3个采样为判断条件进行备选区域合并，对合并后的备选区域进行长度统计，选取其中长度最优者为最后的有效干涉区域，并得到待解缠的有效差分相位。

按上述方案，所述步骤8)中以100m为限差阈值，对于大于限差阈值的高程重新解缠，即对差分相位再加上合适的2kπ,k＝0,±1,±2,±3......；获取最终的绝对解缠相位。

本发明产生的有益效果是：

1、本发明方法生成的高程点的数量，相较于传统的POCA方法，提高了至少两个量级。从而能提供更均匀的点位分布。进而能插值生成分辨率更高、更平滑的DEM，有利于表征更为详细的地形。

2、本发明针对SARIn模式数据，通过提供更好的前置数据滤波过程，减弱了CryoSat-2卫星下视引起的信号混叠现象。另外，考虑到SARIn模式数据的处理原理，在地形突变时会造成数据分段现象，所以基于种子填充的备选区域合并，进行了修复，从而剔除了分段现象导致的误差。最后，在保证数据量的情况下，提高了相干性选择的阈值，避免了低相干性点参与解缠过程导致的解缠精度低的问题。同时，本发明的阈值分割步骤在相位解缠之前进行，可以减弱在解缠过程中忽略低相干性点导致的数据不连续、摆动加剧的现象。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的不同地形条件SARIn的信号来源图。

图2是本发明实施例的CRF与CPRF坐标几何关系示意图。

图3是本发明提供的CryoSat-2 SARIn模式L1b级数据提取高程点方法示意图。

图4是本发明实施例的滤波前/后的相位图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，地面相对平坦时，CryoSat-2 SARIn模式地面回波信号源于星下点，不考虑脉冲发射指向偏差的情况下，星下点两侧的回波强度相当，具有相同量级，如图1(a)，干涉相位会产生模糊，此时则不具备干涉条件。但是当地形出现起伏时，POCA会偏离星下点，原本相当的左右回波信号强度平衡也将被打破。此时，POCA的远离端将产生更强的回波信号，如图1(b)。继续提升坡度，当到达一定量级时(坡度大于3dB宽度一半)，POCA将跳出主瓣的照射范围，如图1(c)。此时，POCA靠近端的回波信号完全源于旁瓣，在强度上无法与POCA远离端的主瓣信号相提并论。因此，在这种情况下可以近似认为信号完全源于POCA的远离端。两个天线接收到的回波信号也呈现出高相干性，这样便构成了SARIn模式干涉测量的基础。

由于复杂地形会引起CryoSat-2信号混叠，所以很难对所有回波分辨单元进行干涉处理。整个回波信号中包含大量的噪声，即使在高相干区域，回波信号也不连续和平滑。如果直接以阈值法进行干涉信号的提取，对于非理想地形条件，容易保留干扰信号影响到测高脚点的高程质量。

在得到质量较好的没有缠绕的差分干涉相位、卫星姿态和回波偏角等信息的情况下，经过地理编码获取对应地面高程点。虽然雷达高度并不是严格意义上的成像雷达，若将距离门视为横轴，坐标纬度视为纵轴则可以生成一个等效二维图像。在片干涉模式下，每一个像点都对应着一个地面回波位置。基于后文的公式(1)可以解算对应的回波偏角，再结合测距时延则可以直接反演回波点位于本体坐标系下的坐标，最后将本体坐标系下坐标转换到所需大地坐标系下。

一种CryoSat-2卫星SARIn模式L1b级数据处理提取测高脚点高程的方法，通过合成孔径干涉技术实现垂直轨道方向非单一最近回波点的测高脚点高程的获取，通过多视滤波、分割平滑、基于参考DEM的相位解缠等步骤提取测高脚点高程，如图3所示，包括以下步骤：

步骤1)L1b级数据二进制文件提取出回波相干性和差分相位等信息：根据二进制文件不同字节表示的参数信息提取相关基础参数信息。

步骤2)回波相干性和差分相位进行距离向多视：由于回波采样点不平滑，如图4(a)，容易造成高程点的摆动，所以需要进行多视处理，得到相对平滑的回波采样点，具体通过步骤2.1)至2.3)实现：

2.1)确定多视窗口的长度：根据经验及模拟实验确定多视处理的窗口长度为5；

2.2)去除极值：对于多视窗口中的数据，为减少极端摆动的影响，需要去除最大和最小值；

2.3)去除局部跳变点：对于去除了极值的数据，进行局部跳变点探测，然后进行均值滤波平滑，结果如图4(b)。

步骤3)回波相干性阈值分割：以相干性大于0.8的区域进行阈值分割，得到备选区域。

步骤4)备选区域合并得到有效差分相位：基于种子填充算法，以相邻备选区域间隙小于3个采样为判断条件进行备选区域合并，对合并后的备选区域进行长度统计，选取其中长度最优者为最后的有效干涉区域，如图4(c)；

步骤5)时间延迟方向的相对相位解缠：选取阈值分割和区域合并后的有效差分相位起始点为解缠原点，向时间延迟方向探测相位跳变点的存在。以相位跳变点为依据进行相位改正，即在原始相位基础上加2kπ(k＝0,±1,±2,±3......)，并提取具有统一参考点的解缠后相位。

步骤6)差分相位计算高程点三维坐标：基于回波差分相位可以解算对应的回波偏角α，式(1)，其中λ为波长，为天线接收信号的相位差，D为基线长度，再结合卫星姿态和测距时延，根据式(2)计算天线到点P之间的距离R(n)，其中T_w为窗口延迟，N_s为波形采样总数目，B为调频带宽，c为光速，如图2，从而反演回波点位于CRF坐标系下的位置(x_{p_crf},y_{p_crf},z_{p_crf})；

步骤7)参考坐标系的转换：由于参考坐标系的差异，需要将本体坐标系下的结果首先转换到空间坐标系下。所以需要以差分相位、回波时延及卫星星历为基础对有效干涉波形进行参考坐标系统的转换，将CRF坐标系下的坐标通过CPRF坐标解算到ITRF坐标系下，CRF与CPRF坐标几何关系如图2。具体转换步骤通过7.1)至7.2)实现：

7.1)CRF坐标系转换到CPRF坐标系：根据CryoSat-2运行过程中姿态的摄动，构建旋转矩阵即有式(3)转换关系，

7.2)CPRF坐标系转换到ITRF坐标系中：为了得到测高脚点大地坐标，需要将CPRF坐标系中的坐标转到ITRF坐标系下，进而转换成常用的大地坐标。同样利用坐标系之间的关系构建CPRF到ITRF的旋转矩阵如式(4)，然后通过椭球转换为大地坐标，关系如式(5)，其中(h′,φ_g,λ)是卫星测高脚点基于椭球面的大地坐标：

步骤8)基于外部DEM的绝对相位解缠：步骤7中提取的地面高程点与外部参考DEM进行较差处理，以100m为限差阈值，对于大于阈值的高程重新解缠，即对差分相位再加上合适的2kπ(k＝0,±1,±2,±3......)，获取最终的绝对解缠相位，重复步骤6和步骤7得到精确的测高脚点高程。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种通过CryoSat-2SARIn模式L1b级波形数据提取测高脚点高程的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)从CryoSat-2SARIn模式L1b级数据中提取出回波相干性和差分相位信息；

步骤2)对回波相干性和差分相位数据进行平滑处理；

步骤3)根据回波相干性进行阈值分割，以相干性大于阈值的区域作为备选区域；

步骤4)进行备选区域合并，得到待解缠的有效差分相位；

步骤5)时间延迟方向的相对相位解缠：选取阈值分割和区域合并后的有效差分相位起始点为解缠原点，向时间延迟方向探测相位跳变点的存在，以相位跳变点为依据进行相位改正，并提取具有统一参考点的解缠后相位；

步骤6)差分相位计算高程点三维坐标：基于回波差分相位解算对应的回波偏角，再结合卫星姿态和测距时延，反演回波点位于本体坐标系下的位置；

步骤7)参考坐标系的转换：将本体坐标系下的坐标转换到大地坐标系下；

步骤8)基于外部DEM的绝对相位解缠：步骤7)中提取的地面高程点与外部参考DEM进行较差处理，对于大于限差阈值的高程重新解缠，获取最终的绝对解缠相位，重复步骤6)和步骤7)得到精确的测高脚点高程。

2.根据权利要求1所述的通过CryoSat-2SARIn模式L1b级波形数据提取测高脚点高程的方法，其特征在于，所述步骤2)中，对回波相干性和差分相位数据进行平滑处理具体为对回波相干性和差分相位进行距离向多视，具体如下：

2.1)确定多视窗口的长度；

2.2)去除极值：对于多视窗口中的数据，去除最大和最小值；

2.3)去除局部跳变点：对于去除了极值的数据，进行局部跳变点探测，然后进行均值滤波平滑。

3.根据权利要求1所述的通过CryoSat-2SARIn模式L1b级波形数据提取测高脚点高程的方法，其特征在于，所述步骤3)中相干性阈值为0.8。

4.根据权利要求1所述的通过CryoSat-2SARIn模式L1b级波形数据提取测高脚点高程的方法，其特征在于，所述步骤4)中进行备选区域合并是基于种子填充算法进行备选区域合并。

5.根据权利要求1所述的通过CryoSat-2SARIn模式L1b级波形数据提取测高脚点高程的方法，其特征在于，所述步骤4)中进行备选区域合并是基于种子填充算法，以相邻备选区域间隙小于3个采样为判断条件进行备选区域合并，对合并后的备选区域进行长度统计，选取其中长度最优者为最后的有效干涉区域，并得到待解缠的有效差分相位。

6.根据权利要求1所述的通过CryoSat-2SARIn模式L1b级波形数据提取测高脚点高程的方法，其特征在于，所述步骤8)中以100m为限差阈值，对于大于限差阈值的高程重新解缠，即对差分相位再加上合适的2kπ,k＝0,±1,±2,±3......；获取最终的绝对解缠相位。