CN112414510A - 卫星测高河流水位监测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种卫星测高河流水位监测方法及系统，包括基于理想Brown模型选取包含波形前缘的子波形；通过相关分析从回波波形中提取若干个候选的子波形；对实际回波波形基于最大能量进行波形重定，提取参考水位；对所有候选的子波形分别基于最大能量进行波形重定，提取相应河流水位，通过与所得参考水位对比最终确定河流水位。本发明只采用卫星测高回波波形，无需借助其他数据，直接计算参考水位和确定最终的河流水位；并且，本发明首次提出，基于最大能量采样点进行波形重定，可以极大的降低计算量，提高效率。本发明实施结果精度高，利用本发明有助于自动获取全球河流水位的时间序列，加深对全球变暖情景下河流的响应。

Description

卫星测高河流水位监测方法及系统

技术领域

本发明涉及卫星测高应用处理技术领域，具体涉及一种卫星测高河流水位监测方案。

背景技术

1969年美国学者Kaula在Williamstown的研讨会上首次提出了卫星测高的概念，上世纪70年代先后发射了Skylab(Sky Laboratory)、Geos–3(Geodynamics ExperimentalOcean Satellite)和Seasat等测高卫星。1985年发射的Geosat(Geodetic Satellite)测高卫星，首次提供了长期具有重复周期高质量的全球海面高数据，标志着卫星测高技术进入成熟阶段。到上世纪90年代，美国和欧空局研制了高精度的高度计，目前形成了两大系列测高卫星，即T/P(Topex/Poseidon)系列(包括已发射的T/P、Jason–1/2及未来拟发射的Jason–3测高卫星)和ERS(European Remote Sensing Satellite)系列(包括已发射的ERS–1/2和Envisat测高卫星)，其中T/P系列主要用于海洋的长期监测，进行海洋现象的研究，而ERS系列则用于长期监测地球表面。

测高卫星运行时高度计向海面(或地面)发射线性调频信号，信号到达地面反射至高度计，高度计接收到信号经过处理得到了与采样数或时间对应的一能量列序列，该能量序列通常被称为回波波形。对回波波形数据处理，直接计算得到波形前缘中点、波形前缘斜率和波形后缘斜率，进而获得卫星到地面的距离、海面有效波高及后向散射系数风速等。

开阔海域的回波波形满足Brown模型，直接利用卫星测高数据提供的产品可满足要求。但对于其他反射面，回波波形偏离Brown模型，卫星测高在这些区域的测距精度无法满足实际的需要。为提高卫星测高的测距精度，需要重新计算回波波形的波形前缘中点，进而对卫星测高的测距进行改正，该过程称为波形重定。国内外学者们针对不同反射面，提出了多种波形重定算法，比如OCOG、Beta拟合法、阈值法和子波形阈值法。

回波波形分成三部分，分别为热噪声、波形前缘和波形后缘。这三个部分中，波形前缘的精度最高，因此从回波波形中提取出精度最高的波形前缘，然后对波形前缘进行波形重定，进而提高卫星测高的测距精度是一种可靠和有效的方法。目前典型方法为子波形阈值法，该算法是通过选用理想的波形前缘，采用相关分析从实际回波波形中提取其波形前缘中点，然后计算距离改正量。

河流如长江的水位监测，是卫星测高的重要应用之一。全球很多河流没有地面观测站，对这些河流的认知十分缺乏，从卫星测高自动提取河流水位十分重要。卫星测高监测河流水位的主要思路是通过对河流附近的卫星测高回波波形的波形重定，得到沿轨迹水位，然后从中提取水位，进而获得河流的水位时间序列。需要指出，由于河流通常较窄，比如长江汉口段小于2km，而卫星测高的脚印半径通常达到5km，这使得卫星测高接收的回波波形十分复杂，如附图1，其中图1a为简单的单一波形，图1b则为常见波形，通常包含了多个子波形，其中某个子波形由河流产生。因此，波形重定算法和从沿轨迹水位中提取正确的水位是监测河流水位的关键因素。

为了提取正确的水位，通常需要借助于DEM或者实测水位。最新研究表明，水的反射能量高于陆地反射能量，因此借助于该特征，选取多个子波形中反射能量最大的子波形，进行波形重定获取水位，可以获得有效的先验水位，并以此为基础，从多个候选水位中提取正确的水位成为可能。

但是现有的子波形阈值法具体参考：Yang,Y.,Hwang,C.,Hsu,H.J.,Dongchen,E.,Wang,H.,2012.A subwaveform threshold retracker for ERS-1altimetry:A casestudy in the Antarctic Ocean.Comput.Geosci.41,88–98.

该子波形阈值法由以下三个步骤组成：

1)从回波波形Brown理论出发，预先设置σ、A和α波形参数，计算获得理想回波波形，从中选取包含波形前缘的子波形；

2)利用理想回波波形的子波形，与实际回波波形相关分析，计算得到相关系数序列，提取其最大值，从而获得实际波形的子波形；

3)对获取的实际波形子波形，采用阈值法，进行波形重定，计算得到回波波形的波形前缘中点。

现有的子波形阈值法主要针对单一回波波形，用于计算反射面的高度，而河流的卫星测高回波波形十分复杂，使得从中提取正确的河流水位，需要借助外部数据。

近年来，卫星测高数据处理技术的提高，尤其是卫星测高波形重定方法的进步，使得水面较窄的河流水位监测成为可能。但现有的波形重定方法十分复杂，需要对卫星测高回波波形进行数据拟合或统计计算，例如：

Villadsen,H.,X.Deng,O.B.Andersen,L.Stenseng,K.Nielsen,andP.Knudsen.2016.Improved Inland Water Levels from SAR Altimetry Using NovelEmpirical and Physical Retrackers.Journal of Hydrology 537:234–247.doi:10.1016/j.jhydrol.2016.03.051.

因此，本领域亟待提出新的技术方案以实际解决卫星测高河流水位监测问题。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的不足，本发明针对卫星测高河流的回波波形十分复杂，需要借助外部数据，提出了一种新的水位提取方案，自动稳健地直接由卫星测高获取河流水位。

为了实现上述目的，本发明提出的技术方案为一种卫星测高河流水位监测方法，包括以下步骤：

步骤1、基于理想Brown模型选取包含波形前缘的子波形；

步骤2、根据步骤1选取的子波形，通过相关分析从实际回波波形中提取若干个候选的子波形；

步骤3、对实际回波波形基于最大能量进行波形重定，提取参考水位；

步骤4、对步骤2所得所有候选的子波形分别基于最大能量进行波形重定，提取相应河流水位，通过与步骤3所得参考水位对比最终确定河流水位。

而且，步骤1的实现方式如下，

根据参数σ、A和α，由Brown模型计算参考回波波形，其中α为波形后缘的斜率，A表示振幅，σ为相对平均海面高海水面的均方差；再从参考回波波形中选取包含波形前缘的子波形。

而且，步骤2的实现方式如下，

设k为最大采样量，参考波形记为P_r(i),i＝1,…,k，实际回波波形记为P(i)，采样点标识i＝1,…,k，根据实际回波波形P(i)、参考波形P_r(i)的标准差计算得到波形相关系数r；

将步骤1中选取的子波形作为参考波形，在与实际回波波形进行相关分析时，产生相关系数序列，对该序列分析寻找极大值，提取得到若干个候选的子波形。

而且，步骤3的实现方式如下，

对于同一周期的沿轨数据，对每个采样点，选取整个实际回波波形的最大能量对应的相应采样点，通过波形重定估算高程，得到沿轨迹高程，选取最低高程作为河流水位；

对所有周期进行以上相同的数据处理，得到河流水位的时间序列；

为去除回波波形质量和其他因素的影响产生的粗差，通过采样拟合的方式，剔除粗差点并内插，得到参考水位时间序列。

而且，步骤4的实现方式如下，

选取所有候选的子波形的最大能量对应的采样点，通过波形重定得到不同子波形对应的河流水位，将这几个河流水位与参考水位比较，选取最接近的水位作为河流水位；对每个周期同样处理，得到河流水位时间序列。

本发明还相应提供一种卫星测高河流水位监测系统，用于实现如上所述的一种卫星测高河流水位监测方法。

而且，包括以下模块，

第一模块，用于基于理想Brown模型选取包含波形前缘的子波形；

第二模块，用于根据第一模块选取的子波形，通过相关分析从通过相关分析从实际回波波形中提取若干个候选的子波形；

第三模块，用于对实际回波波形基于最大能量进行波形重定，提取参考水位；

第四模块，用于对第二模块所得所有候选的子波形分别基于最大能量进行波形重定，提取相应河流水位，通过与第三模块所得参考水位对比最终确定河流水位。

或者，包括处理器和存储器，存储器用于存储程序指令，处理器用于调用处理器中的存储指令执行如上所述的一种卫星测高河流水位监测方法。

或者，包括可读存储介质，所述可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序执行时，实现如上所述的一种卫星测高河流水位监测方法。

本发明提出以下改进：

1)本发明只采用卫星测高回波波形，无需借助其他数据，直接计算参考水位和确定最终的河流水位；并且，本发明首次提出，基于最大能量采样点进行波形重定，可以极大的降低计算量，提高效率。

2)本发明是从实际回波波形中提取了所有子波形，由此获得了河流水位，其结果与实测水位进行比对(如图2和图3)，结果表明两者相关系数达到0.99，两者十分符合，实际精度约0.53m。

3)利用本发明有助于自动获取全球河流水位的时间序列，加深对全球变暖情景下河流的响应。

附图说明

图1是现有技术中的卫星测高回波波形的两种常见波形，其中a部分为简单型，b部分为复杂型；

图2是本发明实施例的卫星测高与实测水位时间序列图；

图3是本发明实施例的卫星测高与实测水位对比图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例具体说明本发明的技术方案。

本发明从实际回波波形中波形重定获得参考水位，进而获得河流的水位。

本发明实施例提供的一种卫星测高监测河流水位方法包括以下步骤：

步骤1、基于理想Brown模型选取包含波形前缘的子波形

具体实施时，可以预先设置参数σ、A和α，由Brown模型计算参考回波波形；再从参考回波波形中选取包含波形前缘的子波形。

开阔海面的回波波形符合Brown模型，其表达式为

其中，t表示采样时刻，τ表示波形前缘中点，erf()为误差函数，σ为相对平均海面高海水面的均方差，与有效波高SWH相关，α为波形后缘的斜率，与衰减参数有关，A表示振幅，exp()为指数函数。波形前缘受σ和A影响,波形后缘则与参数σ、A和α有关。当A＝1时波形简化为与振幅无关，称为波形形状，σ的定义为σ²＝σ_P ²+(2σ_S/c)²，其中σ_S为有效波高SWH的1/4，σ_P为与高度计参数相关的均方差，c为光速。具体实施时，对于特定的测高卫星，可将σ_P看成常数，波形形状为有效波高的函数。

实施例选取1m到19m，2m为间隔的有效波高，计算得到的回波波形如附图2。选取SWH＝5m回波波形为参考回波波形，从中选取包含波形前缘的第21到40共20个采样点作为子波形。

步骤2、通过相关分析从实际回波波形中提取若干个候选的子波形

利用相关分析作为定量分析手段，设k为最大采样量，参考波形记为P_r(i),i＝1,…,k，实际回波波形记为P(i)，采样点标识i＝1,…,k，采用波形相关系数r表示两波形之间相关性。波形相关系数r由以下公式计算得到

其中，

和

分别是实际回波波形P(i)、参考波形P_r(i)的平均能量，S和S_r分别是任意波形P(i)、参考波形P_r(i)的标准差，S_rr是两波形的方差，r为相关系数。

由于步骤1中从参考回波波形中选取的子波形仅为回波波形的一部分，因此在步骤1选取的子波形做为参考波形(P_r(i))与实际回波波形P(i)进行相关分析时，会产生相关系数序列，对该序列分析，寻找极大值，从而提取得到多个候选的子波形。

步骤3、对实际回波波形基于最大能量进行波形重定，提取参考水位

实施例中，步骤3的优选实现方式如下：

3.1)考虑到水的反射能量通常远高于陆地，本发明提出，首先对于同一周期的沿轨数据，对每个采样点，选取整个实际回波波形的最大能量对应的阀门(即相应采样点)，通过波形重定估算其高程，由此得到沿轨迹高程。

本发明首次提出，基于最大能量采样点进行波形重定，可以极大的降低计算量，提高效率。传统波形重定需要选取20％～50％的采样点进行计算，本发明只需要通过简单的寻找最大值的算法进行波形重定，计算量可减少到接近1％，实现过程简单明了，且通过与实测数据比对，精度较高。

河流水位低于陆地，因此选取最低高程作为河流水位。

3.2)对所有周期进行步骤1)相同的数据处理，得到河流水位的时间序列。

例如，卫星拍摄长江时，长江水位比堤坝等陆地低，可选取水位低的作为长江的水位。利用同一颗卫星每隔几天(Jason系列约10天)同一时刻飞过同一地点，可以形成水位的时间序列。

3.3)受回波波形质量和其他因素的影响，水位时间序列通常存在粗差，通过采样拟合的方式，剔除粗差点并内插，得到参考水位时间序列。

具体实施时，采样拟合可采用现有技术，本发明不予赘述。

步骤4、对步骤2所得所有候选的子波形分别基于最大能量进行波形重定，提取相应河流水位，与步骤3所得参考水位对比，确定河流水位

卫星测高的反射脚印，可能存在陆地、水塘、植被和河流等多种反射体，河流也可能同时产生2个子波形，因此步骤3假定的最大能量对应的阀门为河流并不一定成立。

本发明进一步提出，选取所有候选子波形的最大能量对应的阀门，采用步骤3.1同样的方式波形重定得到不同子波形对应的河流水位，将这几个河流水位与步骤3所得参考水位比较，选取最接近的水位作为最终的河流水位。对每个周期同样处理，分别确定每个周期最接近的水位作为最终的河流水位，从而得到河流水位时间序列，结果如图2。

将本发明所得结果与实测水位进行比对(如图2和图3)，共有N＝228个点，y＝1.029x-0.382是测高y与实测水位x的线性关系，两者相关系数R达到0.99，评估后得到卫星测高水位的精度Std约0.53m。

步骤1、2、3、4是逐步递进的关系，即前一步是后一步的基础。步骤1提供最重要的参考子波形，步骤2基于相关分析，提取回波波形的所有候选子波形，步骤3是对实际回波波形进行波形重定，选取参考水位，步骤4则是对步骤2提取的所有子波形进行波形重定得到所有水位，与步骤3的参考水位对比，确定河流水位。

具体实施时，本发明技术方案提出的方法可由本领域技术人员采用计算机软件技术实现自动运行流程，实现方法的系统装置例如存储本发明技术方案相应计算机程序的计算机可读存储介质以及包括运行相应计算机程序的计算机设备，也应当在本发明的保护范围内。

在一些可能的实施例中，提供一种卫星测高监测河流水位系统，包括以下模块，

第一模块，用于基于理想Brown模型选取包含波形前缘的子波形；

第二模块，用于根据第一模块选取的子波形，通过相关分析从通过相关分析从实际回波波形中提取若干个候选的子波形；

第三模块，用于对实际回波波形基于最大能量进行波形重定，提取参考水位；

第四模块，用于对第二模块所得所有候选的子波形分别基于最大能量进行波形重定，提取相应河流水位，通过与第三模块所得参考水位对比最终确定河流水位。

在一些可能的实施例中，提供一种卫星测高监测河流水位系统，包括处理器和存储器，存储器用于存储程序指令，处理器用于调用处理器中的存储指令执行如上所述的一种卫星测高监测河流水位方法。

在一些可能的实施例中，提供一种卫星测高监测河流水位系统，包括可读存储介质，所述可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序执行时，实现如上所述的一种基卫星测高监测河流水位方法。

为便于了解本发明的技术效果起见，现提供本发明实施例技术方案与现有技术的实验结果对比如下：

长江流域汉口站不同波形重定得到卫星测高的水位与实测水位的对比

波形重定方法	点数	相关系数	标准差(m)
				本研究	228	0.99	0.53
ICE1	207	0.96	0.70

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (9)

1.一种卫星测高河流水位监测方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤1、基于理想Brown模型选取包含波形前缘的子波形；

步骤2、根据步骤1选取的子波形，通过相关分析从实际回波波形中提取若干个候选的子波形；

步骤3、对实际回波波形基于最大能量进行波形重定，提取参考水位；

步骤4、对步骤2所得所有候选的子波形分别基于最大能量进行波形重定，提取相应河流水位，通过与步骤3所得参考水位对比最终确定河流水位。

2.根据权利要求1所述卫星测高河流水位监测方法，其特征在于：步骤1的实现方式如下，

根据参数σ、A和α，由Brown模型计算参考回波波形，其中α为波形后缘的斜率，A表示振幅，σ为相对平均海面高海水面的均方差；再从参考回波波形中选取包含波形前缘的子波形。

3.根据权利要求1所述卫星测高河流水位监测方法，其特征在于：步骤2的实现方式如下，

设k为最大采样量，参考波形记为P_r(i),i＝1,…,k，实际回波波形记为P(i)，采样点标识i＝1,…,k，根据实际回波波形P(i)、参考波形P_r(i)的标准差计算得到波形相关系数r；

将步骤1中选取的子波形作为参考波形，在与实际回波波形进行相关分析时，产生相关系数序列，对该序列分析寻找极大值，提取得到若干个候选的子波形。

4.根据权利要求1所述卫星测高河流水位监测方法，其特征在于：步骤3的实现方式如下，

对于同一周期的沿轨数据，对每个采样点，选取整个实际回波波形的最大能量对应的相应采样点，通过波形重定估算高程，得到沿轨迹高程，选取最低高程作为河流水位；

对所有周期进行以上相同的数据处理，得到河流水位的时间序列；

为去除回波波形质量和其他因素的影响产生的粗差，通过采样拟合的方式，剔除粗差点并内插，得到参考水位时间序列。

5.根据权利要求1或2或3或4所述卫星测高河流水位监测方法，其特征在于：步骤4的实现方式如下，

选取所有候选的子波形的最大能量对应的采样点，通过波形重定得到不同子波形对应的河流水位，将这几个河流水位与参考水位比较，选取最接近的水位作为河流水位；对每个周期同样处理，得到河流水位时间序列。

6.一种卫星测高河流水位监测系统，其特征在于：用于实现如权利要求1-5任一项所述的一种卫星测高河流水位监测方法。

7.根据权利要求6所述卫星测高河流水位监测系统，其特征在于：包括以下模块，

第一模块，用于基于理想Brown模型选取包含波形前缘的子波形；

第二模块，用于根据第一模块选取的子波形，通过相关分析从通过相关分析从实际回波波形中提取若干个候选的子波形；

第三模块，用于对实际回波波形基于最大能量进行波形重定，提取参考水位；

第四模块，用于对第二模块所得所有候选的子波形分别基于最大能量进行波形重定，提取相应河流水位，通过与第三模块所得参考水位对比最终确定河流水位。

8.根据权利要求6所述卫星测高河流水位监测系统，其特征在于：包括处理器和存储器，存储器用于存储程序指令，处理器用于调用处理器中的存储指令执行如权利要求1-5任一项所述的一种卫星测高河流水位监测方法。

9.根据权利要求6所述卫星测高河流水位监测系统，其特征在于：包括可读存储介质，所述可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序执行时，实现如权利要求1-5任一项所述的一种卫星测高河流水位监测方法。

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