[发明专利]卫星测高河流水位监测方法及系统

说明书

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。

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。