CN113297810B - 一种检验海面高度的现场观测设备布放方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种检验海面高度的现场观测设备布放方法和系统。该方法通过制作仿真驱动所需数据集(即第一数据集)和设备采样所需数据集(即第二数据集)，为采用梯度下降法确定现场观测设备受流速影响的轨迹模型和采用轨迹模型进行采样处理，得到观测数据提供数据基础，并且根据观测数据确定比容高度后，采用频谱分析法，根据比容高度和获取得到的海洋高度生成波数谱图，最后，依据波数谱图确定现场观测布放方案，以便依据该现场观测布放方案完成浮标等海面高度检测计的现场布放，进而使得海面高度检测更加全面和准确。

Description

一种检验海面高度的现场观测设备布放方法和系统
技术领域
本发明涉及海面检测技术领域，特别是涉及一种基于Mooring、PIES、GNSS浮标检验海面高度的现场布放方法和系统。
背景技术
目前针对干涉成像高度计的检验受制于现有观测条件，更多的是在传统高度计的基础上进行优化，并不能完全适用于干涉成像高度计的缺点。同时，还有的是基于单平台组网观测，如连续布放20个Glider等，这也是检验方案无法确立的原因，造成检验不够完善。
因此提供一种具有检测结果完善、准确的能够完全适用于干涉成像高度计的检验海面高度的现场观测设备布放方法或系统，是本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种检验海面高度的现场观测设备布放方法和系统。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种检验海面高度的现场观测设备布放方法，包括：
获取第一数据集和第二数据集；所述第一数据集为海洋流场数据经处理后构成的数据集；所述第二数据集为高时空分辨率海洋模式数据经处理后构成的数据集；
采用梯度下降法根据所述第一数据集确定现场观测设备受流速影响的轨迹模型；所述现场观测设备包括：Mooring、PIES和GNSS浮标；所述轨迹模型包括：Mooring受流速影响的轨迹模型、PIES受流速影响的轨迹模型和GNSS浮标受流速影响的轨迹模型；
采用所述轨迹模型对所述第二数据集进行采样处理，得到观测数据；
根据所述观测数据确定比容高度；
获取代表真实值的采样点数值模式数据的海洋高度；
采用频谱分析法，根据所述比容高度和所述海洋高度生成波数谱图；
依据所述波数谱图确定现场观测布放方案；所述现场观测布放方案为检验海面高度时布放现场观测设备的方案。
优选地，所述第一数据集的构成过程为：
获取现场观测数据时空想匹配的HYCOM/NCODA海洋流场数据；
对所述HYCOM/NCODA海洋流场数据进行预处理，得到第一海洋流场数据；所述预处理包括：去空值处理、去均值处理和归一化处理；
对所述处理后的海洋流场数据进行主成成分分析和数据白化处理后，得到第二海洋流场数据，所述第二海洋流场数据构成的数据集即为所述第一数据集。
优选地，所述第二数据集的构成过程为：
获取高时空分辨率海洋模式数据、采样位置和采样时间；
依据所述采样位置和所述采样时间对所述高时空分辨率海洋模式数据进行处理，得到处理后的高时空分辨率海洋模式数据；所述处理后的高时空分辨率海洋模式数据构成的数据集即为所述第二数据集；所述处理包括：裁剪、存储和合并。
优选地，所述采用梯度下降法根据所述第一数据集确定现场观测设备受流速影响的轨迹模型，具体包括：
采用梯度下降法根据所述第一数据集确定参数值；
根据所述参数值构建以流速数据为输入，以现场观测设备运动位移为输出的运动模型；
获取预测时间对应的流速数据，采用所述运动模型确定现场观测设备的运动位移；
根据所述现场观测设备的运动位移确定所述现场观测设备受流速影响的轨迹模型。
优选地，所述采用所述轨迹模型对所述第二数据集进行采样处理，得到观测数据，具体包括：
获取采样参数；所述采样参数包括：采样起始时间、采样中止时间、采样位置、采样深度和采样时间间隔；
采用所述第二数据集模拟得到真实海洋；
采用所述轨迹模型依据所述采样参数对模拟得到的真实海洋进行采样，得到观测数据。
优选地，所述根据所述观测数据确定比容高度，具体包括：
对所述观测数据进行反演得到比容高度。
优选地，所述采用频谱分析法，根据所述比容高度和所述海洋高度生成波数谱图，具体包括：
采用所述比容高度和所述海洋高度构成第三数据集；
采用频谱分析法根据所述第三数据集生成波数谱图。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供的检验海面高度的现场观测设备布放方法，通过制作仿真驱动所需数据集(即第一数据集)和设备采样所需数据集(即第二数据集)，为采用梯度下降法确定现场观测设备受流速影响的轨迹模型和采用轨迹模型进行采样处理，得到观测数据提供数据基础，并且根据观测数据确定比容高度后，采用频谱分析法，根据比容高度和获取得到的海洋高度生成波数谱图，最后，依据波数谱图确定现场观测布放方案，以便依据该现场观测布放方案完成浮标等海面高度检测计的现场布放，进而使得海面高度检测更加全面和准确。
对应于上述提供的检验海面高度的现场观测设备布放方法，本发明还提供了以下技术方案：
一种检验海面高度的现场观测设备布放系统，包括：
数据集获取模块，用于获取第一数据集和第二数据集；所述第一数据集为海洋流场数据经处理后构成的数据集；所述第二数据集为高时空分辨率海洋模式数据经处理后构成的数据集；
轨迹模型确定模块，用于采用梯度下降法根据所述第一数据集确定现场观测设备受流速影响的轨迹模型；所述现场观测设备包括：Mooring、PIES和GNSS浮标；所述轨迹模型包括：Mooring受流速影响的轨迹模型、PIES受流速影响的轨迹模型和GNSS浮标受流速影响的轨迹模型；
观测数据确定模块，用于采用所述轨迹模型对所述第二数据集进行采样处理，得到观测数据；
比容高度确定模块，用于根据所述观测数据确定比容高度；
海洋高度获取模块，用于获取代表真实值的采样点数值模式数据的海洋高度；
波数谱图生成模块，用于采用频谱分析法，根据所述比容高度和所述海洋高度生成波数谱图；
布放方案确定模块，用于依据所述波数谱图确定现场观测布放方案；所述现场观测布放方案为检验海面高度时布放现场观测设备的方案。
因本发明提供的检验海面高度的现场观测设备布放系统所达到的技术效果与上述提供的检验海面高度的现场观测设备布放方法所达到的效果相同，故在此不再进行赘述。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的检验海面高度的现场观测设备布放方法的第一流程图；
图2为本发明实施例提供的检验海面高度的现场观测设备布放方法的第二流程图；
图3为本发明实施例提供的实施检验海面高度的现场观测设备布放方法的框架图；
图4为本发明实施例提供的实施例一的结果示意图；
图5为本发明实施例提供的实施例二的结果示意图；
图6为本发明实施例提供的实施例三的结果示意图；
图7为本发明提供的检验海面高度的现场观测设备布放系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种具有检测结果完善、准确的能够完全适用于干涉成像高度计的检验海面高度的现场观测设备布放方法和系统。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1和图2所示，本发明提供的检验海面高度的现场观测设备布放方法，包括：
步骤100：获取第一数据集和第二数据集。第一数据集为海洋流场数据经处理后构成的数据集。第二数据集为高时空分辨率海洋模式数据经处理后构成的数据集。
步骤101：采用梯度下降法根据第一数据集确定现场观测设备受流速影响的轨迹模型。现场观测设备包括：Mooring、PIES和GNSS浮标。轨迹模型包括：Mooring受流速影响的轨迹模型、PIES受流速影响的轨迹模型和GNSS浮标受流速影响的轨迹模型。
步骤102：采用轨迹模型对第二数据集进行采样处理，得到观测数据。
步骤103：根据观测数据确定比容高度。
步骤104：获取代表真实值的采样点数值模式数据的海洋高度。
步骤105：采用频谱分析法，根据比容高度和海洋高度生成波数谱图。
步骤106：依据波数谱图确定现场观测布放方案。现场观测布放方案为检验海面高度时布放现场观测设备的方案。
在步骤100中，A、第一数据集的构成过程为：
获取现场观测数据时空想匹配的HYCOM/NCODA海洋流场数据。
对HYCOM/NCODA海洋流场数据进行预处理，得到第一海洋流场数据。预处理包括：去空值处理、去均值处理和归一化处理。该处的HYCOM/NCODA[(HYbrid CoordinateOceanModel，混合坐标海洋模式)/(Navy Coupled Ocean DataAssimilation，海军联合远洋数据同化)]海洋流场数据为与已有设备现场观测数据时空相匹配的HYCOM/NCODA海洋流场数据。
对处理后的海洋流场数据进行主成成分分析和数据白化处理后，得到第二海洋流场数据，第二海洋流场数据构成的数据集即为第一数据集。
B、第二数据集的构成过程为：
获取高时空分辨率海洋模式数据、采样位置和采样时间。
依据采样位置和采样时间对高时空分辨率海洋模式数据进行处理，得到处理后的高时空分辨率海洋模式数据。处理后的高时空分辨率海洋模式数据构成的数据集即为第二数据集。处理包括：裁剪、存储和合并。
在以上A和B两个步骤中，获取各数据的主要手段是搜索下载。
为了进一步提高海面高度检测的准确性，上述步骤101的实质为构造基于Mooring、PIES、GNSS浮标的仿真设备，其具体过程为：
采用梯度下降法根据第一数据集确定参数值。
根据参数值构建以流速数据为输入，以现场观测设备运动位移为输出的运动模型。
获取预测时间对应的流速数据，采用运动模型确定现场观测设备的运动位移。
根据现场观测设备的运动位移确定现场观测设备受流速影响的轨迹模型。
仿真驱动的构造是模拟现场观测设备在真实海洋中工作、采样的状态，包括设备在海流影响下的采样轨迹变化、设备采样误差等。各设备工作原理不同，具体如下：
GNSS能够直接对海面高度与参考椭球体之间的距离进行观测，而高度计卫星则是对卫星与海面的距离进行观测，同时由于卫星同时可以进行GNSS定位，得到卫星与参考椭球体之间的距离，因此，同样可以得到海面与参考椭球体之间的距离。PIES海洋观测设备能够对海底到海面的正压和斜压信号同时进行观测实现海底到海表面高度数据观测，实现更准确的高度测量。Mooring通过对海洋不同深度的温度和电导率进行采样来反演比容高度。
因GNSS浮标与PIES的特点，其仿真主要是增加各种误差参数，而Mooring受海洋状况影响较大，故在本发明中以描述Mooring仿真驱动的构造为例进行归集模型确定的具体说明。
第一步：以Mooring为例构建海洋锚系浮标运动的梯度下降算法。
小批量梯度下降算法可以表示为：
目标函数：
Figure BDA0003064338300000071
目标函数求偏导:
Figure BDA0003064338300000072
式中，hθ(x(i))为拟合函数，其是输入数据与参数的点乘，表示为预测的得到的位移。θ0和θ1均为拟合参数。m为数据集中数据的个数。1/2是一个常量，求偏导数时实现抵消，是目的是可消除多余常数系数。x表示输入数据，y表示输入的位移量。i为样本数，i＝1,2,…,m，当i＝(1,1+batchsize,1+bitchszie+batchsize……)时，其表示将样本按batchsize进行划分，j表示特征数。
迭代对参数进行更新：
Figure BDA0003064338300000073
式中，α表示所设定的学习率。
第二步：根据利用梯度下降算法结合相关数据计算出的参数值，构建锚系浮标各个深度层的运动模型。
第三步：将预测时间对应的流速数据代入第二步确定的运动模型中，计算出锚系浮标各个层的运动位移，得到锚系浮标在该流速下的运动轨迹，形成锚系浮标仿真驱动，并利用其他实测数据对仿真结果进行分析，验证设备仿真结果。
基于上述步骤101中构建的三种仿真设备，步骤102中，采用轨迹模型对第二数据集进行采样处理，得到观测数据，具体过程为：
获取采样参数。采样参数包括：采样起始时间、采样中止时间、采样位置、采样深度和采样时间间隔。其中采样参数时根据需求设定的。
采用第二数据集模拟得到真实海洋。
采用轨迹模型依据采样参数对模拟得到的真实海洋进行采样，得到观测数据。
依据步骤101中具体过程构建的三种仿真设备会对第二数据集所模拟的真实海洋进行采样。如Mooring仿真驱动会受数据集中随时间变化的流速数据影响不断变化深度及位置，并采取相应位置的加上设备随机误差的温度、电导率等数据。GNSS浮标与PIES采样参数不同，但原理相同。
基于上述步骤101和102的过程，需要对三种设备的采样结果进行分析。因此，上述步骤103确定比容高度的方式为对观测数据进行反演得到比容高度，具体的：
不同采样设备因其工作原理不同，采样所得数据也有区别，分析反演过程也有区别。
其中，Mooring可以从流体力学角度进行引起区域海面高度(SSH)变化的理论分析，根据静力平衡理论：
Figure BDA0003064338300000081
式中，pB是海底压强，pA是海水表面压强，ζ是相较于z＝0的海面高度，-h是海洋深度。由此，可以得到海面高度公式：
Figure BDA0003064338300000091
式中，p′B＝pB-ρ0g(ζ+h)代表了海洋底压异常，其中
Figure BDA0003064338300000092
这一项可以忽略，因为ζ＜＜h。式
Figure BDA0003064338300000093
中的从左到右的三项分别代表了海底压强项、海面压强项以及比容高度项。此时，对于二维海面高度变化，干涉成像高度计的刈幅范围内两点间海面高度相对变化差异可以表示为：
Figure BDA0003064338300000094
在干涉成像高度计百公里刈幅宽度下，相对于公式
Figure BDA0003064338300000095
中的海底压强项和海面压强项，比容高度项起到主要影响，当利用比容高度对卫星观测的海面高度变化进行验证的时候，由于比容高度并不是一个确切的高度，它是由于温度和盐度变化所以带来的一种高度变化，公式如下：
Figure BDA0003064338300000096
式中，α(35,0,p)是盐度为35，温度为0℃，压力为p条件下的海水比容。因此，对于区域二维海面的高度变化，干涉成像高度计的刈幅范围内两点间比容高度相对变化差异可以表示为：
Figure BDA0003064338300000097
从理论分析中可以看出，比容高度和海面高度变化差异主要在正压方面，然而正压过程在小尺度上变化是相对较小的。此外，本发明可以利用实测数据进行了验证，开展两点间比容高度差异与卫星实测高度差异关系的研究，将卫星数据与Argo实测数据进行匹配，进一步验证用比容高度进行真实性检验的可能性。
在进行检验过程的时候，可以利用Mooring设备仿真驱动观测的不同深度的温盐深数据反演得到比容高度数据，进行比容高度对卫星观测高度的对比检验。但是由于比容高度不是一个绝对的高度值，两者之间的检验只能进行高度变化的趋势分析，无法实现绝对高度检验。
与Mooring仿真驱动类似，PIES仿真驱动能够对海底到海面的正压和斜压信号同时进行观测，实现海底到海表面高度数据观测。GNSS浮标仿真驱动则可以直接观测到海面高度与参考椭球体之间的距离，得到绝对海面高度。
基于上述得到的比容高度或海面高度，在步骤105采用频谱分析法，根据比容高度和海洋高度生成波数谱图的过程则具体可以为：
采用比容高度和海洋高度构成第三数据集。
采用频谱分析法根据第三数据集生成波数谱图。
实施上述波数谱图的生成过程可以进一步细化为：将各种设备仿照卫星高度计alongtrack轨道组网布放，将仿真采样得到的数据反演而成的比容高度或海面高度数据与代表真实值的采样点数值模式数据的海面高度组成数据集，进行频谱分析。
其中频谱分析方法为利用信号的傅里叶变换系数幅度的平方来计算信号的功率谱密度(Power Spectral Density，PSD)，主要公式如下：
Figure BDA0003064338300000101
即傅里叶变换系数的幅值平方除以数据长度，式中，k为输入信号序列x(n)，N为数据长度，X(k)为输入信号序列的傅里叶变换，直接采用这种方法计算速度虽然快，但得出的功率谱分辨率较低，所以本发明采用加权叠加平均法(Welch法)来得到高精度的结果，即将数据分段并允许数据重叠，之后将窗函数叠加道每段数据上，求出每段数据的功率谱，最后对每段数据的功率谱进行平均，得到整个信号的功率谱，即：
Figure BDA0003064338300000111
式中，
Figure BDA0003064338300000112
是归一化因子，保证得到的谱是渐进无偏估计。d2(n)为所加窗函数，本发明优选选择hamming窗函数，选择该函数主要是因为该窗函数能够较好的还原旁瓣部分的信号，噪声水平较低，性能较好。之后对L分段周期图进行平均即可得到整段信号的功率谱密度，即：
Figure BDA0003064338300000113
对仿真采样得到的数据反演而成的比容高度或海面高度数据与代表真实值的采样点数值模式数据的海面高度与他们的误差进行频谱分析，即得到如波数谱图。
在得到波数谱图后，要想进一步得到现场观测布放方案，需要做如下处理：
对比不同布放策略的波数谱图，其中误差低于阈值要求的现场观测布放方案为可以采用的方案，选取其中效果最好、成本最低(锚系浮标造价与布放成本最高、PIE次之，GNSS成本相对较低但只能在基站一定范围内布放)的方案作为最优组合。本发明此处效果最好是指波数谱图中海表面高度与组网设备反演结果二者间的误差(即二者误差)谱值最低的方案。
解决目前针对干涉成像高度计的检验受制于现有观测条件，并不能完全适用于干涉成像高度计的缺点，确立刈幅范围内海面高度变化的检验方案。
基于本发明上述提供的检验海面高度的现场观测设备布放方法，本发明还提供了实施该方法的具体框架，该框架通过MATLAB等编程软件进行系统构建，为进行基于mooring、PIES、GNSS浮标的干涉成像高度计的海面高度检验而构建的真实性检验仿真平台。
如图3所示，真实性检验仿真平台构建包括：UI界面、数据层、驱动层、数据分析层以及最后的结果展示层。
UI界面为连接数据层的可视化界面，此可视化界面可以设置设备类型、采样起始时间、采样结束时间、采样数据源、采样位置、不同设备的相应参数，并通过地图可视化选定区域地图并显示设备布放位置。UI界面中设定的各参数通过存储命令存储为UI数据传递给数据层。
数据层用于提供仿真采样所需的海洋模式数据及UI数据，模式数据包括区域海洋模式系统(ROMS)数据和混合坐标海洋模式(HYCOM)数据，可根据不同需求选用。UI数据为通过UI界面输入的包括设备类型、采样起始时间、采样结束时间、采样数据源、采样位置、不同设备的相应参数等数据。数据层中海洋模式数据为驱动层采集的源数据，UI数据为驱动层运行参数。
驱动层主要是依据设备性能研究成果组织而成用于仿真采样的设备驱动，设备仿真采样驱动包括mooring采样驱动、PIES采样驱动、GNSS浮标采样驱动。驱动层根据数据层中UI数据所提供参数设定采样驱动运行方式，进行数据采样，生成数据集，供采样设备分析层分析。
数据分析层用于对数据结果进行仿真检验过程的分析，依据设备类别、采样开始时间、采样结束时间、采样位置(经度、纬度)、采样时间间隔、采样深度、与深度对应的温度、盐度等信息进行波数谱、统计分析等多种渠道的数据分析。分析结果形成数据集，供结果展示层处理展示。
最后结果展示层会对分析结果数据集以图片的形式展现，进行真实性检验方法的优化分析。
下面以具体实施方案为例对本发明上述提供的检验海面高度的现场观测设备布放方法的有效性进行验证。
方案一：
将潜标、GNSS、PIEs设备结合，仿照卫星高度计alongtrack轨道布放设备，设备间距离为7.5km，具体设备组网观测方案如下：
[潜标、PIE*4、GNSS浮标、PIE*4、GNSS浮标、PIE*4、GNSS浮标、PIE*3、潜标]共20个现场观测设备，组网长度150km。
如图4所示，组网设备采样数据整合反演结果所绘制的波数谱与海平面高度波数谱吻合度不高。
方案二：
将潜标、GNSS设备结合，仿照卫星高度计alongtrack轨道布放设备，设备间距离为7.5km，具体设备组网观测方案如下：
[潜标、GNSS浮标*8、潜标、GNSS浮标*9、潜标]共20个现场观测设备，组网长度150km。
如图5所示，组网设备采样数据整合反演结果所绘制的波数谱与海平面高度波数谱吻合度较好。
方案三：
将潜标、PIEs设备结合，仿照卫星高度计alongtrack轨道布放设备，设备间距离为7.5km，具体设备组网观测方案如下：
[PIE、潜标*8、PIE、潜标*9、PIE]共20个现场观测设备，组网长度150km
如图6所示，组网设备采样数据整合反演结果所绘制的波数谱与海平面高度波数谱在大尺度上吻合度较好。
从图4-图6所示的三个结果中可以发现，通过目前的检验方案能够有效的实现40公里以上尺度的海洋现象动力过程观测，进行针对干涉成像高度计刈幅范围内海面高度变化的检验。
综上，本发明提供的技术方案，能够更好的利用多种观测设备，通过仿真系统进行方案组合，实现对中小尺度海洋现象的检验，解决针对干涉成像高度计刈幅范围内海面高度变化的检验方案的确立。
此外，对应于上述提供的检验海面高度的现场观测设备布放方法，本发明还提供了一种检验海面高度的现场观测设备布放系统，如图7所示，该系统包括：数据集获取模块1、轨迹模型确定模块2、观测数据确定模块3、比容高度确定模块4、海洋高度获取模块5、波数谱图生成模块6和布放方案确定模块7。
其中，数据集获取模块1用于获取第一数据集和第二数据集。第一数据集为海洋流场数据经处理后构成的数据集。第二数据集为高时空分辨率海洋模式数据经处理后构成的数据集。
轨迹模型确定模块2用于采用梯度下降法根据第一数据集确定现场观测设备受流速影响的轨迹模型。现场观测设备包括：Mooring、PIES和GNSS浮标。轨迹模型包括：Mooring受流速影响的轨迹模型、PIES受流速影响的轨迹模型和GNSS浮标受流速影响的轨迹模型。
观测数据确定模块3用于采用轨迹模型对第二数据集进行采样处理，得到观测数据。
比容高度确定模块4用于根据观测数据确定比容高度。
海洋高度获取模块5用于获取代表真实值的采样点数值模式数据的海洋高度。
波数谱图生成模块6用于采用频谱分析法，根据比容高度和海洋高度生成波数谱图。
布放方案确定模块7用于依据波数谱图确定现场观测布放方案。现场观测布放方案为检验海面高度时布放现场观测设备的方案。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种检验海面高度的现场观测设备布放方法，其特征在于，包括：
获取第一数据集和第二数据集；所述第一数据集为海洋流场数据经处理后构成的数据集；所述第二数据集为高时空分辨率海洋模式数据经处理后构成的数据集；
采用梯度下降法根据所述第一数据集确定现场观测设备受流速影响的轨迹模型；所述现场观测设备包括：Mooring、PIES和GNSS浮标；所述轨迹模型包括：Mooring受流速影响的轨迹模型、PIES受流速影响的轨迹模型和GNSS浮标受流速影响的轨迹模型；
采用所述轨迹模型对所述第二数据集进行采样处理，得到观测数据；
根据所述观测数据确定比容高度；
获取代表真实值的采样点数值模式数据的海面高度；
采用频谱分析法，根据所述比容高度和所述海面高度生成波数谱图；
依据所述波数谱图确定现场观测布放方案；所述现场观测布放方案为检验海面高度时布放现场观测设备的方案。
2.根据权利要求1所述的检验海面高度的现场观测设备布放方法，其特征在于，所述第一数据集的构成过程为：
获取现场观测数据时空相匹配的HYCOM/NCODA海洋流场数据；
对所述HYCOM/NCODA海洋流场数据进行预处理，得到第一海洋流场数据；所述预处理包括：去空值处理、去均值处理和归一化处理；
对所述处理后的海洋流场数据进行主成成分分析和数据白化处理后，得到第二海洋流场数据，所述第二海洋流场数据构成的数据集即为所述第一数据集。
3.根据权利要求1所述的检验海面高度的现场观测设备布放方法，其特征在于，所述第二数据集的构成过程为：
获取高时空分辨率海洋模式数据、采样位置和采样时间；
依据所述采样位置和所述采样时间对所述高时空分辨率海洋模式数据进行处理，得到处理后的高时空分辨率海洋模式数据；所述处理后的高时空分辨率海洋模式数据构成的数据集即为所述第二数据集；所述处理包括：裁剪、存储和合并。
4.根据权利要求1所述的检验海面高度的现场观测设备布放方法，其特征在于，所述采用梯度下降法根据所述第一数据集确定现场观测设备受流速影响的轨迹模型，具体包括：
采用梯度下降法根据所述第一数据集确定参数值；
根据所述参数值构建以流速数据为输入，以现场观测设备运动位移为输出的运动模型；
获取预测时间对应的流速数据，采用所述运动模型确定现场观测设备的运动位移；
根据所述现场观测设备的运动位移确定所述现场观测设备受流速影响的轨迹模型。
5.根据权利要求1所述的检验海面高度的现场观测设备布放方法，其特征在于，所述采用所述轨迹模型对所述第二数据集进行采样处理，得到观测数据，具体包括：
获取采样参数；所述采样参数包括：采样起始时间、采样中止时间、采样位置、采样深度和采样时间间隔；
采用所述第二数据集模拟得到真实海洋；
采用所述轨迹模型依据所述采样参数对模拟得到的真实海洋进行采样，得到观测数据。
6.根据权利要求1所述的检验海面高度的现场观测设备布放方法，其特征在于，所述根据所述观测数据确定比容高度，具体包括：
对所述观测数据进行反演得到比容高度。
7.根据权利要求1所述的检验海面高度的现场观测设备布放方法，其特征在于，所述采用频谱分析法，根据所述比容高度和所述海面高度生成波数谱图，具体包括：
采用所述比容高度和所述海面高度构成第三数据集；
采用频谱分析法根据所述第三数据集生成波数谱图。
8.一种检验海面高度的现场观测设备布放系统，其特征在于，包括：
数据集获取模块，用于获取第一数据集和第二数据集；所述第一数据集为海洋流场数据经处理后构成的数据集；所述第二数据集为高时空分辨率海洋模式数据经处理后构成的数据集；
轨迹模型确定模块，用于采用梯度下降法根据所述第一数据集确定现场观测设备受流速影响的轨迹模型；所述现场观测设备包括：Mooring、PIES和GNSS浮标；所述轨迹模型包括：Mooring受流速影响的轨迹模型、PIES受流速影响的轨迹模型和GNSS浮标受流速影响的轨迹模型；
观测数据确定模块，用于采用所述轨迹模型对所述第二数据集进行采样处理，得到观测数据；
比容高度确定模块，用于根据所述观测数据确定比容高度；
海洋高度获取模块，用于获取代表真实值的采样点数值模式数据的海面高度；
波数谱图生成模块，用于采用频谱分析法，根据所述比容高度和所述海面高度生成波数谱图；
布放方案确定模块，用于依据所述波数谱图确定现场观测布放方案；所述现场观测布放方案为检验海面高度时布放现场观测设备的方案。
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114660644A (zh) * 2022-05-25 2022-06-24 山东科技大学 一种用于卫星高度计定标的多天线组合浮标系统
CN116399294B (zh) * 2023-06-08 2023-09-05 山东科技大学 一种基于成像高度计比容高度法的海面高度检验分析方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2002008786A1 (de) * 2000-07-21 2002-01-31 Gkss-Forschungszentrum Geesthacht Gmbh Verfahren zur ermittlung von ein in situ seegangsfeld beschreibenden hydrographischen parametern mittels einer radareinrichtung
CN106055520A (zh) * 2016-06-06 2016-10-26 浙江大学 循环流化床生活垃圾焚烧锅炉汽包水位的预测系统及方法
CN110422271A (zh) * 2012-05-30 2019-11-08 赛创尼克株式会社 通过对海洋结构物的实时测量监视的控制方法
CN111027175A (zh) * 2019-11-06 2020-04-17 中国地质大学（武汉） 基于耦合模型集成模拟的洪水对社会经济影响的评估方法
CN111353211A (zh) * 2018-12-21 2020-06-30 达索系统公司 用于大型环境的多实例化仿真

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108829918B (zh) * 2018-04-28 2020-08-11 中国海洋大学 面向海洋现象的智能浮标组网仿真方法及系统
CN111505646B (zh) * 2020-04-27 2023-05-09 自然资源部第一海洋研究所 时空谱统一的海洋成像雷达高度计定标检验方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2002008786A1 (de) * 2000-07-21 2002-01-31 Gkss-Forschungszentrum Geesthacht Gmbh Verfahren zur ermittlung von ein in situ seegangsfeld beschreibenden hydrographischen parametern mittels einer radareinrichtung
CN110422271A (zh) * 2012-05-30 2019-11-08 赛创尼克株式会社 通过对海洋结构物的实时测量监视的控制方法
CN106055520A (zh) * 2016-06-06 2016-10-26 浙江大学 循环流化床生活垃圾焚烧锅炉汽包水位的预测系统及方法
CN111353211A (zh) * 2018-12-21 2020-06-30 达索系统公司 用于大型环境的多实例化仿真
CN111027175A (zh) * 2019-11-06 2020-04-17 中国地质大学（武汉） 基于耦合模型集成模拟的洪水对社会经济影响的评估方法

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