CN114858130A - 一种基于航空激光测高的海冰干舷估测方法及系统 - Google Patents

一种基于航空激光测高的海冰干舷估测方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于航空激光测高数据的北极海冰干舷估测方法及系统，包括航空激光测高数据处理，提取航线上激光脚点参数，对激光测高数据进行潮汐校正，计算激光脚点的剩余高程；根据表面反射率，进行冰间水道识别，提取位于冰间水道内的激光脚点；局部海面高计算，根据大步长分段剔除异常冰间水道内激光脚点，根据小步长提取各分段冰间水道内激光脚点剩余高程值最小若干点，并以平均剩余高程值作为该分段的局部海面高，对于不含冰间水道的分段利用相邻分段局部海面高插值得到局部海面高；利用剩余高程和局部海面高，计算并输出海冰干舷预测结果。本发明通过利用激光脚点高程值，对尼罗冰和灰白冰进行有效剔除，以提高海冰干舷估测结果的可靠性。

Description

一种基于航空激光测高的海冰干舷估测方法及系统
技术领域
本发明属于大地测量与测绘工程领域，特别涉及一种基于航空激光测高的海冰干舷估测方法及系统。
背景技术
海冰是地球系统的重要组成部分，在调解极区大气和海洋相互作用方面发挥着重要作用，获取准确的海冰参数对于研究气候变化相关科学问题至关重要。海冰厚度是海冰众参数中最重要的参数之一，也是最难以观测的参数。海冰干舷高度是指海冰表面相对于局部海平面的高度，是获取海冰厚度和体积的基础数据。大范围的海冰干舷获取手段主要有卫星测高和航空测高等。
相较于卫星测高能够获取半球尺度的海冰干舷数据，航空测高方法受飞机航程等因素限制，其观测范围有限，但是其观测数据具有更高的分辨率和更高的精度，其脚点远小于卫星脚点大小。考虑到冬季海冰冻结期内，冰间水道较少且大部分冰间水道宽度在米级到几十米之间，因此卫星测高难以准确识别冰间水道，而航空激光测高数据脚点大小为1m，条带扫描脚点间隔3-4米，能够精确识别冰间水道，得到瞬时海面高程和海冰干舷。因此，航空激光测高为海域尺度海冰变化研究提供了高分辨率、高精度的观测数据。
利用航空激光测高估测海冰干舷时，首先提取位于冰间水道内的激光脚点，以此计算局部海面高程，然后根据海冰表面高程和局部海面高程之差，得到海冰干舷高度。一般利用脚点表面反射率进行冰间水道内激光脚点的提取。但是，在冰间水道内，通常存在一定的尼罗冰、灰白冰。此类冰型上的激光脚点表面反射率与冰间水道上的脚点反射率呈现类似的分布特征。因此，利用表面反射率难以有效区分冰间水道和尼罗冰、灰白冰。这将会造成局部海面高值的高估，进而导致海冰干舷的低估。为此，本发明的目的在于提出一种基于航空激光测高的海冰干舷估测方法，能够有效去除尼罗冰、灰白冰对局部海面高计算的影响，以提高海冰干舷估测的精度。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于航空激光测高的海冰干舷估测技术方案。
本发明所提供的一种基于航空激光测高数据的北极海冰干舷估测方法，包括以下步骤，
步骤1，航空激光测高数据处理，包括以下子步骤，
步骤1.1，提取航线上激光脚点参数，包括经度、纬度、高程、轨道号和表面反射率；
步骤1.2，利用潮汐模型，对激光测高数据进行潮汐校正；
步骤1.3，利用平均海平面模型和高程数据，计算激光脚点的剩余高程；
步骤2，根据表面反射率，进行冰间水道识别，提取位于冰间水道内的激光脚点；
步骤3，局部海面高计算，包括以下子步骤，
步骤3.1，根据预设的大步长，对沿轨激光脚点数据进行分段，计算各分段冰间水道内激光脚点剩余高程平均值和标准差，根据数据分布情况设置标准差倍数作为阈值，剔除剩余高程异常值相应的冰间水道内激光脚点；
步骤3.2，根据预设的小步长，对沿轨激光脚点数据进行分段，提取各分段冰间水道内激光脚点剩余高程值最小的若干个点，并以这若干个点的平均剩余高程值作为该分段的局部海面高；步骤3.3，对于不含冰间水道的分段，利用相邻分段局部海面高插值得到该段的局部海面高；
步骤4，利用剩余高程和局部海面高，计算并输出海冰干舷预测结果。
而且，步骤3中计算局部海面高时，利用数理统计方法对冰间水道内脚点异常值进行了剔除，并通过选取剩余高程值最低的激光脚点作为计算局部海面高的系点，从而避免了冰间水道内薄冰对局部海面高值的高估，提高了海冰干舷估测的可靠性。
而且，预设的大步长为50km，预设的小步长为20km。
而且，步骤2中，当表面反射率R<0.25，判定相应激光脚点位于冰间水道。
而且，步骤3.1中，设置2倍标准差作为阈值，剔除剩余高程在2倍标准差之外的冰间水道内激光脚点。
而且，步骤3.2中，根据预设的小步长，对沿轨激光脚点数据进行分段，提取各分段冰间水道内激光脚点剩余高程值最小的10个点，并以这10个点的平均剩余高程值作为该分段的局部海面高。
另一方面，本发明还提供一种基于航空激光测高数据的北极海冰干舷估测系统，用于实现如上所述的一种基于航空激光测高数据的北极海冰干舷估测方法。
而且，包括以下模块，
第一模块，用于航空激光测高数据处理，包括以下操作，
提取航线上激光脚点参数，包括经度、纬度、高程、轨道号和表面反射率；
利用潮汐模型，对激光测高数据进行潮汐校正；
利用平均海平面模型和高程数据，计算激光脚点的剩余高程；
第二模块，用于根据表面反射率，进行冰间水道识别，提取位于冰间水道内的激光脚点；
第三模块，用于局部海面高计算，包括以下操作，
根据预设的大步长，对沿轨激光脚点数据进行分段，计算各分段冰间水道内激光脚点剩余高程平均值和标准差，根据数据分布情况设置标准差倍数作为阈值，剔除剩余高程异常值相应的冰间水道内激光脚点；
根据预设的小步长，对沿轨激光脚点数据进行分段，提取各分段冰间水道内激光脚点剩余高程值最小的若干个点，并以这若干个点的平均剩余高程值作为该分段的局部海面高；
对于不含冰间水道的分段，利用相邻分段局部海面高插值得到该段的局部海面高；
第四模块，用于利用剩余高程和局部海面高，计算并输出海冰干舷预测结果。
或者，包括处理器和存储器，存储器用于存储程序指令，处理器用于调用存储器中的存储指令执行如上所述的一种基于航空激光测高数据的北极海冰干舷估测方法。
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基于航空激光测高数据的北极海冰干舷估测方法。
本发明提出的一种基于航空激光测高的海冰干舷估测方案，能够有效去除尼罗冰、灰白冰对局部海面高计算的影响，以提高海冰干舷估测结果的可靠性。
附图说明
图1为本发明实施例的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述。
参见图1，本发明实施例提供的一种基于航空激光测高的海冰干舷估测方法，包括以下步骤：
步骤1，航空激光测高数据处理，包括以下子步骤：
步骤1.1，提取包括经度、纬度、高程、轨道号、表面反射率等参数：实施例基于IceBridge航空激光测高数据，以IceBridge航线20140428_1为例，提取航线上激光脚点的经度(lon)、纬度(lat)、高程(h)、表面反射率(R)、轨道号(orb)等；
步骤1.2，利用潮汐模型，对激光测高数据进行潮汐校正：实施例利用TPX09潮汐模型，对激光脚点进行潮汐校正，得到潮汐改正后的脚点高程hcorr：
hcorr＝h-htide
其中，h为激光脚点高程，htide为潮汐改正，
步骤1.3，利用平均海平面模型和潮汐改正后的脚点高程数据，计算激光脚点的剩余高程hr：
hr＝hcorr-hmss
其中，hmss为平均海平面高改正，hcorr为潮汐改正后的脚点高程，
步骤2，根据表面反射率，进行冰间水道识别，提取冰间水道内的激光脚点：在不同反射面(海冰、冰间水道)上激光脚点表面反射率呈现不同的特征，因此可根据表面反射率R，进行冰间水道识别，提取冰间水道内激光脚点。在实施例中，优选设置当R<0.25，判定该脚点位于冰间水道。
步骤3，局部海面高计算，实施例采用的优先实施方式，包括以下子步骤，
步骤3.1，以50km为步长，对沿轨激光脚点数据进行分段，计算各分段冰间水道内激光脚点剩余高程平均值h50km和标准差σ，剔除剩余高程在2倍标准差之外的冰间水道内激光脚点hr＜h50km-2σ或hr＞h50km+2σ；
步骤3.2，以20km为步长，对沿轨激光脚点数据进行分段，提取各分段冰间水道内激光脚点剩余高程值最小的10个点，并以这10个点的平均剩余高程值作为该分段的局部海面高hssh；
步骤3.3，对于不含冰间水道的分段(实施例为20km分段)，利用相邻分段局部海面高插值得到该段的局部海面高；
步骤3中计算局部海面高时，利用数理统计方法对冰间水道内脚点异常值进行了剔除，并通过选取剩余高程值最低的激光脚点作为计算局部海面高的系点，从而避免了冰间水道内薄冰对局部海面高值的高估，提高了海冰干舷估测的可靠性。
步骤4，利用沿轨剩余高程hr和局部海面高hssh，计算沿轨海冰干舷hf：
hf＝hr-hssh
具体实施时，用于可以根据情况设置阈值、步长等取值，或者采用经验值。
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，提供一种基于航空激光测高数据的北极海冰干舷估测系统，包括以下模块，
第一模块，用于航空激光测高数据处理，包括以下操作，
提取航线上激光脚点参数，包括经度、纬度、高程、轨道号和表面反射率；
利用潮汐模型，对激光测高数据进行潮汐校正；
利用平均海平面模型和高程数据，计算激光脚点的剩余高程；
第二模块，用于根据表面反射率，进行冰间水道识别，提取位于冰间水道内的激光脚点；
第三模块，用于局部海面高计算，包括以下操作，
根据预设的大步长，对沿轨激光脚点数据进行分段，计算各分段冰间水道内激光脚点剩余高程平均值和标准差，根据数据分布情况设置标准差倍数作为阈值，剔除剩余高程异常值相应的冰间水道内激光脚点；
根据预设的小步长，对沿轨激光脚点数据进行分段，提取各分段冰间水道内激光脚点剩余高程值最小的若干个点，并以这若干个点的平均剩余高程值作为该分段的局部海面高；
对于不含冰间水道的分段，利用相邻分段局部海面高插值得到该段的局部海面高；
第四模块，用于利用剩余高程和局部海面高，计算并输出海冰干舷预测结果。
在一些可能的实施例中，提供一种基于航空激光测高数据的北极海冰干舷估测系统，包括处理器和存储器，存储器用于存储程序指令，处理器用于调用存储器中的存储指令执行如上所述的一种基于航空激光测高数据的北极海冰干舷估测方法。
在一些可能的实施例中，提供一种基于航空激光测高数据的北极海冰干舷估测系统，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于航空激光测高数据的北极海冰干舷估测方法。
尽管上面结合附图对本发明的较佳实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于航空激光测高数据的北极海冰干舷估测方法，其特征在于：包括以下步骤，
步骤1，航空激光测高数据处理，包括以下子步骤，
步骤1.1，提取航线上激光脚点参数，包括经度、纬度、高程、轨道号和表面反射率；
步骤1.2，利用潮汐模型，对激光测高数据进行潮汐校正；
步骤1.3，利用平均海平面模型和高程数据，计算激光脚点的剩余高程；
步骤2，根据表面反射率，进行冰间水道识别，提取位于冰间水道内的激光脚点；
步骤3，局部海面高计算，包括以下子步骤，
步骤3.1，根据预设的大步长，对沿轨激光脚点数据进行分段，计算各分段冰间水道内激光脚点剩余高程平均值和标准差，根据数据分布情况设置标准差倍数作为阈值，剔除剩余高程异常值相应的冰间水道内激光脚点；
步骤3.2，根据预设的小步长，对沿轨激光脚点数据进行分段，提取各分段冰间水道内激光脚点剩余高程值最小的若干个点，并以这若干个点的平均剩余高程值作为该分段的局部海面高；
步骤3.3，对于不含冰间水道的分段，利用相邻分段局部海面高插值得到该段的局部海面高；
步骤4，利用剩余高程和局部海面高，计算并输出海冰干舷预测结果。
2.根据权利要求1所述一种基于航空激光测高数据的北极海冰干舷估测方法，其特征在于：步骤3中计算局部海面高时，利用数理统计方法对冰间水道内脚点异常值进行了剔除，并通过选取剩余高程值最低的激光脚点作为计算局部海面高的系点，从而避免了冰间水道内薄冰对局部海面高值的高估，提高了海冰干舷估测的可靠性。
3.根据权利要求1所述一种基于航空激光测高数据的北极海冰干舷估测方法，其特征在于：预设的大步长为50km，预设的小步长为20km。
4.根据权利要求1所述一种基于航空激光测高数据的北极海冰干舷估测方法，其特征在于：步骤2中，当表面反射率R<0.25，判定相应激光脚点位于冰间水道。
5.根据权利要求1或2或3或4所述一种基于航空激光测高数据的北极海冰干舷估测方法，其特征在于：步骤3.1中，设置2倍标准差作为阈值，剔除剩余高程在2倍标准差之外的冰间水道内激光脚点。
6.根据权利要求1或2或3或4所述一种基于航空激光测高数据的北极海冰干舷估测方法，其特征在于：步骤3.2中，根据预设的小步长，对沿轨激光脚点数据进行分段，提取各分段冰间水道内激光脚点剩余高程值最小的10个点，并以这10个点的平均剩余高程值作为该分段的局部海面高。
7.一种基于航空激光测高数据的北极海冰干舷估测系统，其特征在于：用于实现如权利要求1-6任一项所述的一种基于航空激光测高数据的北极海冰干舷估测方法。
8.根据权利要求7所述基于航空激光测高数据的北极海冰干舷估测系统，其特征在于：包括以下模块，
第一模块，用于航空激光测高数据处理，包括以下操作，
提取航线上激光脚点参数，包括经度、纬度、高程、轨道号和表面反射率；
利用潮汐模型，对激光测高数据进行潮汐校正；
利用平均海平面模型和高程数据，计算激光脚点的剩余高程；
第二模块，用于根据表面反射率，进行冰间水道识别，提取位于冰间水道内的激光脚点；
第三模块，用于局部海面高计算，包括以下操作，
根据预设的大步长，对沿轨激光脚点数据进行分段，计算各分段冰间水道内激光脚点剩余高程平均值和标准差，根据数据分布情况设置标准差倍数作为阈值，剔除剩余高程异常值相应的冰间水道内激光脚点；
根据预设的小步长，对沿轨激光脚点数据进行分段，提取各分段冰间水道内激光脚点剩余高程值最小的若干个点，并以这若干个点的平均剩余高程值作为该分段的局部海面高；
对于不含冰间水道的分段，利用相邻分段局部海面高插值得到该段的局部海面高；
第四模块，用于利用剩余高程和局部海面高，计算并输出海冰干舷预测结果。
9.根据权利要求7所述基于航空激光测高数据的北极海冰干舷估测系统，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，处理器用于调用存储器中的存储指令执行如权利要求1-6任一项所述的一种基于航空激光测高数据的北极海冰干舷估测方法。
10.根据权利要求7所述基于航空激光测高数据的北极海冰干舷估测系统，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1-6任一项所述的一种基于航空激光测高数据的北极海冰干舷估测方法。
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