CN111638521B - 一种成像高度计遥感数据的海面风速反演方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是提供一种成像高度计遥感数据的海面风速反演方法，以解决没有适用于大刈幅、入射角变化范围大的海面风速反演模式函数的问题，更加真实反映测量时刻的实际风速。本发明的方法在入射角7°～11.3°内利用新的海面风速反演模式函数可获得更加准确的实际风速信息，相比于原本只根据入射角0°～7°的风速模式函数来反演入射角7°～11.3°的风速能最大程度的反映实际风速。本方法原理简单，处理数据过程易于实现，海面风速反演精度高。

Description

一种成像高度计遥感数据的海面风速反演方法

技术领域

本发明属于海面风速遥感反演技术领域，具体涉及一种成像高度计遥感数据的海面风速反演方法，是基于小入射角条件下的微波散射系数构建海面风速反演模式函数，用于成像高度计遥感数据的海面风速反演。

背景技术

海面风场影响海洋动力过程，它调节着海气变化过程，影响海浪、海流、水团、大气温度、气体分子、海气间的热流量等环境要素，维持着区域与全球的气候。海面风场测量对于海洋环境数值预报、海洋灾害监测、海气相互作用、气象预报、气候研究等都具有重要意义。由于遥感观测具有大范围、连续、实时的特点，利用卫星遥感技术观测海面风场成为一种重要的观测手段。对海面风场的测量包括海面风速和风向测量，比较而言，海面风速的观测更为重要。

当前，业务化观测海面风场的遥感器主要有微波散射计、微波辐射计、雷达高度计和SAR，其中微波散射计、高度计和SAR主要通过地球物理模式(简称模式函数)来反演风速，模式函数即雷达后向散射系数与海面风速之间经验关系即经验函数。雷达高度计采用天底观测体制，测量的高度值为被测表面高度的平均值，不能直接表示三维成像所需要的对应像素点的高度值；SAR的海洋观测入射角为20°～70°，发射的电磁波与海面发生Bragg散射或双尺度散射，SAR的成像机理对成像高度计不适用；微波散射计的观测入射角一般大于20°，测量海面风场以Bragg散射和双尺度散射模型为主。

目前，天宫二号三维微波成像高度计以前所未有的1°～8°入射角对海洋进行干涉成像观测，并获取后向散射系数观测数据，丰富了风场的数据源。由于成功发射的天宫二号高度计观测刈幅可达35km(入射角：1°～8°)和即将发射的SWOT卫星观测刈幅可达60km(入射角：0.6°～3.9°)，以及正在论证的更宽刈幅成像高度计，因此，为了获取大范围的海面高度，一种新型的遥感器-成像高度计应运而生。成像高度计将以更大的入射角、更宽的观测刈幅实现海面高度的观测，为增加刈幅宽度采用偏离天底点观测体制，其观测刈幅可达160km，甚至更大，观测入射角范围为0.67°～11.3°，几何关系可见图4，并利用干涉测量技术获得对应于像素点的高度值，利用合成孔径技术增加方位向分辨率，它能够实时获得海面风速、海面有效波和波向、海面三维形态、海洋内波等动态观测数据。

成像高度计对于相同海面的后向散射系数测量值，采用不同的模式函数，会得到不同精度的风速。

目前，常用的海面风速模式函数形式有：多项式函数形式、单指数函数与线性函数相结合形式和对数函数形式。

(1)多项式形式的模式函数，以KuLMOD和KuLMOD2模式函数为例，仅适用于高度计入射角为0.5°～6.5°和0°～8°的情况，若利用KuLMOD2模式函数对入射角8°～11°的后向散射系数进行反演，则风速反演精度较差。

(2)单指数函数与线性函数相结合形式的模式函数，以FC模式函数为例，适用于高度计后向散射系数σ₀随风速单值单调变化的情况，不能满足入射角为7°～11°时后向散射系数与风速之间非单调变化的情况。

(3)对数形式的函数，以CM模式函数为例，适用于高度计接近天底角的情况，即入射角小于10°，且不适用于低风速(<4m/s)和高风速(>12m/s)。

现有的高度计风速反演模式函数适用于入射角为0°～9°的情况，且入射角为7°～9°的风速反演精度较差，对入射角为7°～11°的观测数据没有适用的模式函数风场反演函数。对于大刈幅的成像高度计，其观测范围可从0.67°～11.3°，甚至更大，因此，入射角为0.67°～7°时，采用KuLMOD模式函数形式；在入射角7°～11.3°内，需要建立适用于大刈幅、入射角变化范围大的海面风速反演模式函数，从而使成像高度计能准确地反演海面风速。

发明内容

本发明的目的是提供一种成像高度计遥感数据的海面风速反演方法，以解决没有适用于大刈幅、入射角变化范围大的海面风速反演模式函数的问题，更加真实反映测量时刻的实际风速。

本发明首先提供一种用于大刈幅、入射角变化范围大的海面风速反演的模式函数，所述的模式函数具体如下：

σ₀(θ,U₁₀)＝a(θ)exp(b(θ)·U₁₀)+c(θ)exp(d(θ)·U₁₀) 7°≤θ≤11.3° 式(1)

其中，θ为入射角，U₁₀为海面10m处的风速，σ₀(θ,U₁₀)为后向散射系数，a(θ)、b(θ)、c(θ)、d(θ)为入射角的函数，a₀、a₁、a₂、b₀、b₁、b₂、c₀、c₁、c₂、d₀、d₁、d₂、d₃为入射角函数的系数。

所述的海面风速反演的模式函数，其构建步骤如下：

S1:数据准备

S1-1:收集成像高度计遥感观测的海面后向散射系数，对应每个观测点的后向散射系数，确定其入射角和观测波段；同时收集对应时刻的海面风场数据；

S1-2:固定观测波段，根据观测点的入射角值，从收集的数据中将入射角为7°～11.3°的海面后向散射系数分离出来；再基于分离的后向散射系数对应海面风速大小，选择不同风速条件下的后向散射系数，形成海面后向散射系数与海面风速匹配数据集；

所述的匹配数据集的数据覆盖不同入射角(7°～11.3°内)、不同风速(1m/s-20m/s)条件,每种条件组合下有不少于10组以上的数据量；

S1-3:将匹配数据集分为模式函数构建数据集和模式函数验证数据集；

S2:基于模式函数构建数据计算模式系数，其模式系数求解包括以下步骤：

S2-1:提出双指数形式的海面风速反演模式函数；

S2-2:首先固定入射角θ，令θ＝7°，然后通过式(1)对S1-4中模式函数构建数据集(后向散射系数和风速数据)进行拟合，得到a(7°)、b(7°)、c(7°)、d(7°)，以此类推，分别令θ＝8°、9°、10°、11°，便可得到a(8°)、b(8°)、c(8°)、d(8°)、…、a(11°)、b(11°)、c(11°)、d(11°)，并利用均方根误差RMSE计算拟合效果；

S2-3:通过步骤S2-2得到在入射角7°～11°内a(θ)、b(θ)、c(θ)、d(θ)的值，并利用式(2)对a(7°)、a(8°)、a(9°)、a(10°)、a(11°)进行拟合，得到模式系数a₀、a₁、a₂，以此类推，得到模式系数b₀、b₁、b₂、c₀、c₁、c₂、d₀、d₁、d₂、d₃，并利用均方根误差RMSE计算拟合效果。

另一方面，本发明还提供一种成像高度计遥感数据的海面风速反演方法，是使用上述的模式函数来反演海面风速；

本发明所提供的海面风速反演方法，包括如下的步骤：

S1:对成像高度计遥感数据进行质量控制和网格化处理；

S2:对入射角7°～11.3°的海面风速反演选择雷达高度计，利用新上面建立的双指数形式风速模式函数反演风速；

S3:通过设置风速初猜值和迭代法，利用最大似然方法判据反演海面风速；通过比较模式函数计算的后向散射系数与测量获取的后向散射系数的差值来确定海面风速。

本发明的方法在入射角7°～11.3°内利用新的海面风速反演模式函数可获得更加准确的实际风速信息，相比于原本只根据入射角0°～7°的风速模式函数来反演入射角7°～11.3°的风速能最大程度的反映实际风速。本方法原理简单，处理数据过程易于实现，海面风速反演精度高。

附图说明

图1是建立海面风速反演模式函数的技术路线图。

图2是计算模式系数的流程图。

图3是验证海面风速反演模式函数的技术路线图。

图4是成像雷达高度计观测几何关系示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明进行详细的描述。

实施例1：建立函数模型

S1:匹配数据准备：

S1-1:仿真数据集

S1-1-1:当成像高度计卫星发射以前，不能获取实测数据时，可利用仿真数据集进行模式函数构建。仿真数据基于海面后向散射系数理论公式结合成像高度计观测条件仿真模拟得到，其中观测波段、入射角和海面风速是输入参数。

S1-1-2:假设成像高度计观测条件为：观测波段为Ku波段，卫星轨道高度850km，海面观测刈幅为160km，星下观测空白长度10km，则θ入射角范围为0.67°～11.3°(见图4)。

S1-1-3:海面后向散射系数计算公式如下：

s²＝0.0028U₁₀+0.009

其中，θ为入射角，R(0)为近天底点菲涅尔反射系数，s²为海面均方斜率，U₁₀为海面10m处的风速。

S1-1-4:输入条件为：海面风速为1m/s：1m/s：20m/s，计20种风速，入射角7°：0.5°：11°，计9种入射角，则共有180种组合条件。

S1-1-5:在每种仿真条件下计算海面后向散射系数。对应每个仿真条件计算结果随机叠加5％以内的观测误差，生成7个海面后向散射系数，则共仿真得到180*7＝1260组数据；仿真条件及计算结果即后向散射系数与海面风场匹配数据集。

S1-1-6:在仿真得到的1260组数据中，分别选择海面风速1m/s：2m/s：20m/s，入射角7°：0.5°：11°不同组合条件下计算得到的海面后向散射系数，计90组数据作为模式函数验证数据集；其余的数据作为模式函数构建数据集。

S1-2:遥感数据集

成像高度计卫星发射后，可获取后向散射系数数据。对数据进行质量控制，剔除无效值；提取与后向散射系数数据时空相匹配的海面风速数据；计90组数据作为模式函数验证数据集；其余的数据作为模式函数构建数据集。

S2:新的海面风速反演模式函数构建

S2-1:提出双指数形式的海面风速反演模式函数，具体表达式如下：

σ₀(θ,U₁₀)＝a(θ)exp(b(θ)·U₁₀)+c(θ)exp(d(θ)·U₁₀) 7°≤θ≤11°

S2-2:首先固定入射角θ，令θ＝7°，然后通过式(1)对S1-1-6中模式函数构建数据集(后向散射系数和风速数据)进行拟合，得到a(7°)、b(7°)、c(7°)、d(7°)，以此类推，分别令θ＝8°、9°、10°、11°，便可得到a(8°)、b(8°)、c(8°)、d(8°)、…、a(11°)、b(11°)、c(11°)、d(11°)，并利用均方根误差RMSE计算拟合效果。详细流程可见图2中Part 1和表1。

表1计算模式函数中a(θ)、b(θ)、c(θ)、d(θ)的值

S2-3:通过步骤S2-2得到在入射角7°～11°内a(θ)、b(θ)、c(θ)、d(θ)的值，并利用式(2)对a(7°)、a(8°)、a(9°)、a(10°)、a(11°)进行拟合，得到模式系数a₀、a₁、a₂，以此类推，可得到模式系数b₀、b₁、b₂、c₀、c₁、c₂、d₀、d₁、d₂、d₃，并利用均方根误差RMSE计算拟合效果。详细流程可见图2中Part 2和表2。

表2计算入射角函数的系数

S3:模式函数验证

S3-1:后向散射系数验证

S3-1-1:利用S1-1-6中建立的模式函数验证数据集(海面风速)及对应入射角条件，代入式(1)和式(2)，从而得到通过模式函数计算的后向散射系数；

S3-1-2:基于均方根误差RMSE和相关系数Corr两个质量评估指标，对S3-1-1计算得到的后向散射系数数据和S1-1-6建立的模式函数验证数据集(后向散射系数)进行对比分析，从而对新建立的海面风速反演模式函数进行验证。

S3-1-3:模式计算和实测(或理论计算)的后向散射系数比较时，可按入射角区分进行比较，从而确定入射角的影响及适用性。

S3-2:海面风速验证

S3-2-1:利用S1-1-6中建立的模式函数验证数据集(后向散射系数)及对应入射角条件，代入式(1)和式(2)，从而计算得到海面风速反演值；

S3-2-2:基于均方根误差RMSE和相关系数Corr两个质量评估指标，对S3-2-1计算得到的海面风速反演值和S1-1-6建立的模式函数验证数据(海面风速数据)进行对比分析，从而对新建立的海面风速反演模式函数进行验证。

S3-2-3:模式计算和实测(或理论计算)的海面风速比较时，可按入射角区分进行比较，从而确定入射角的影响及适用性。

S3-3:建立模式函数的必要性

S3-3-1:利用S1-1-6中建立的模式函数构建数据集(后向散射系数和风速数据)及对应入射角条件，代入下式(KuLMMOD模式函数形式，即入射角为0.67°～7°的模式函数)，求解模式系数(步骤如S2-2和S2-3所示)。利用S1-1-6中建立的模式函数验证数据集(海面风速数据)及对应入射角条件，代入下式，从而计算得到后向散射系数数据；

S3-3-2:基于均方根误差RMSE和相关系数Corr两个质量评估指标，对S3-3-1计算得到的后向散射系数值和S1-1-6建立的模式函数验证数据(后向散射系数数据)进行对比分析，从而对新建立的海面风速反演模式函数进行验证。

S3-3-3:模式计算和实测(或理论计算)的后向散射系数比较时，可按入射角区分进行比较，从而确定入射角的影响及适用性。

表3模式函数的验证

实施例2：海面风速反演

S4-1:对成像高度计遥感数据进行质量控制和网格化处理，为海面风速的反演提供基础数据支撑；

S4-2:对于入射角小于7°时，海面风速反演选择雷达高度计的模式函数；在入射角7°～11.3°内，利用新建立的双指数形式风速模式函数反演风速；

S4-3:通过设置风速初猜值和迭代法，利用最大似然方法判据反演海面风速；

S4-4:海面风场反演的最大似然方法，其是通过比较模式函数计算的后向散射系数与测量获取的后向散射系数的差值来确定海面风速的。

反演结果表明本发明的方法在入射角7°～11.3°内利用新的海面风速反演模式函数可获得更加准确的实际风速信息，相比于原本只根据入射角0°～7°的风速模式函数来反演入射角7°～11.3°的风速能最大程度的反映实际风速。

Claims (4)

1.一种用于大刈幅、入射角变化范围大的海面风速反演的模式函数的构建方法，其特征在于，所述的模式函数如下：

σ₀(θ,U₁₀)＝a(θ)exp(b(θ)·U₁₀)+c(θ)exp(d(θ)·U₁₀) 7°≤θ≤11.3° 式(1)

其中，θ为入射角，U₁₀为海面10m处的风速，σ₀(θ,U₁₀)为后向散射系数，a(θ)、b(θ)、c(θ)、d(θ)为入射角的函数，a₀、a₁、a₂、b₀、b₁、b₂、c₀、c₁、c₂、d₀、d₁、d₂、d₃为入射角函数的系数；

所述的方法的构建步骤如下：

S1:数据准备

S1-1:收集成像高度计遥感观测的海面后向散射系数，对应每个观测点的后向散射系数，确定其入射角和观测波段；同时收集对应时刻的海面风场数据；

S1-2:固定观测波段，根据观测点的入射角值，从收集的数据中将入射角为7°～11.3°的海面后向散射系数分离出来；再基于分离的后向散射系数对应海面风速大小，选择不同风速条件下的后向散射系数，形成海面后向散射系数与海面风速匹配数据集；

S1-3:将匹配数据集分为模式函数构建数据集和模式函数验证数据集；

S2:基于模式函数构建数据计算模式系数，其模式系数求解包括以下步骤：

S2-1:提出双指数形式的海面风速反演模式函数；

S2-2:首先固定入射角θ，令θ＝7°，然后通过式(1)对S1-4中模式函数构建后向散射系数和风速数据数据集进行拟合，得到a(7°)、b(7°)、c(7°)、d(7°)，以此类推，分别令θ＝8°、9°、10°、11°，便可得到a(8°)、b(8°)、c(8°)、d(8°)…a(11°)、b(11°)、c(11°)、d(11°)，并利用均方根误差RMSE计算拟合效果；

S2-3:通过步骤S2-2得到在入射角7°～11°内a(θ)、b(θ)、c(θ)、d(θ)的值，并利用式(2)对a(7°)、a(8°)、a(9°)、a(10°)、a(11°)进行拟合，得到模式系数a₀、a₁、a₂，以此类推，得到模式系数b₀、b₁、b₂、c₀、c₁、c₂、d₀、d₁、d₂、d₃，并利用均方根误差RMSE计算拟合效果。

2.如权利要求1所述的构建方法，其特征在于，所述的S1-2步骤中，匹配数据集的数据覆盖7°～11.3°入射角、1m/s-20m/s风速条件,每种条件组合下有不少于10组以上的数据量。

3.一种成像高度计遥感数据的海面风速反演方法，其特征在于，所述的方法是使用如权利要求1所述的方法构建的模式函数来反演海面风速。

4.如权利要求3所述的海面风速反演方法，其特征在于，所述的方法包括如下的步骤：

S1:对成像高度计遥感数据进行质量控制和网格化处理；

S2:对入射角7°～11.3°的海面风速反演选择雷达高度计，利用权利要求1所述的方法构建的模式函数反演风速；

S3:通过设置风速初猜值和迭代法，利用最大似然方法判据反演海面风速；通过比较模式函数计算的后向散射系数与测量获取的后向散射系数的差值来确定海面风速。

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