CryoSat-2测高数据与Landsat 8光学数据融合提取南极Amery冰架接地线

本文利用CryoSat-2测高数据与Landsat 8光学数据,针对南极Amery冰架区域开展接地线提取研究.首先通过Landsat 8光学影像三次Hermite多项式插值处理,在坡度分析的基础上利用表面曲率改进方法获取接地线特征点;同时对CryoSat-2测高数据进行坡度分析和表面曲率计算,通过沿轨梯度分析方法提取接地点;最后将Landsat 8与CryoSat-2数据获取的接地点进行最小二乘融合得到融合接地线.实验结果表明,融合结果利用高空间分辨率光学数据不仅能保证接地线提取精度,同时测高数据还能够弥补光学数据受云遮挡导致的数据空缺,保持接地线的完整性.与MOA产品比较可以看出,融合数据点与MOA接地线平均距离为367 m,标准差为601 m,所有数据点中距离小于1 km的点占总数的93.19%,与MOA产品具有较好一致.本文提出的融合算法可以实现空间连续的接地线提取结果,对后续研究南极物质平衡、冰流速计算等具有重要的意义.

基于CryoSat-2测高数据的全南极冰盖DEM的建立与精度评估

数字高程模型(DEM)是南极冰盖变化研究的基础,由于现场实测数据的稀缺,卫星测高数据是南极地区构建DEM的'主要数据来源.CryoSat-2是新一代用于极地冰盖、海冰监测的测高卫星,本文利用2012-12-2015-01两个完整周期的CryoSat-2测高数据建立一个新的南极冰盖DEM.坡度是影响卫星测高精度的重要因素之一,利用改进的重定位方法对CryoSat-2数据进行坡度改正.插值方法是影响DEM精度的重要因素,通过对几种常用插值方法的比较,最后选用克里金插值方法对测高数据进行插值,建立了1km分辨率的南极DEM.在88°S以南的CryoSat-2数据空白区,利用南极数字数据库(ADD)的等高线数据对DEM进行填补,建立了全南极冰盖DEM.利用ICESat卫星测高数据、IceBridge航空测高数据以及GPS地面实测数据对新建立的CryoSat-2 DEM进行精度验证,并与Bamber 1 km DEM、ICESat DEM、RAMPv2 DEM以及JLB97 DEM等四种国际上常用的南极DEM进行比较.结果表明:新建立的CryoSat-2 DEM的整体精度约为0.730±8.398 m;在冰弯顶部区域,DEM精度优于1 m;在冰架上,DEM精度约为4 m;在内陆冰盖大部分地区,DEM精度优于10 m;在地形复杂的山区和沿海边缘地区,DEM误差超过150 m.

基于CryoSat-2测高数据的北极格陵兰海海冰干舷高提取研究

北极是全球气候和环境变化的驱动器之一,获取北极海冰的时空特征和变化规律对研究北极以及全球气候变化意义重大。格陵兰海是北极海冰剧烈变化的区域之一,采用CryoSat-2的雷达测高数据,获取了格陵兰海的海冰干舷高分布,并利用波弗特环流计划(BGEP)仰视声呐(ULS)数据进行了验证。研究结果表明,格陵兰海海冰干舷高和分布范围存在明显的季节性变化特征,具体体现在格陵兰海海冰从10月份进入冻结期开始,海冰分布范围不断扩张,海冰干舷高也逐渐增大,2月份平均干舷高达到最大(0.2 m),之后格陵兰海海冰开始消融,覆盖范围不断内缩,9月海冰干舷高降至最小(0.13 m)。

基于ICESat-2多波束激光测高数据的全球海洋重力异常反演分析

卫星测高技术是获取精细海洋重力数据的重要技术手段之一。常规卫星测高反演海洋重力异常主要是利用沿轨测高数据,而跨轨数据因较长的时间间隔或者稀疏的地面轨间距往往不能用于海洋重力异常反演,进而影响了海洋重力异常模型精度的进一步改善。新型激光测高ICESat-2能够同时获得3对光束观测数据,相邻激光束的地面间距约为3 km,为结合跨轨数据改善海洋重力异常模型提供了可能。本文首先给出了集成沿轨和跨轨数据反演海洋重力异常的处理策略;然后,分别利用沿轨数据和集成的数据构建了ICESat-2全球海洋重力异常模型(IS2Gra_alo和IS2Gra_alo_acr),结果表明通过补充跨轨数据能够有效提高沿轨数据反演海洋重力异常的精度,并验证了ICESat-2测高数据反演全球海洋重力异常的可靠性。此外,本文还探讨了ICESat-2不同跨轨数据组合对海洋重力异常模型反演精度的影响,在沿轨数据的基础上集成适当距离的跨轨观测数据能够有利于改善海洋重力异常模型的精度。本文研究为后续SWOT宽刈幅测高数据和我国双星跟飞模式测高数据反演海洋重力异常模型提供了参考意义。

利用ICESat-2激光测高监测和评估鄱阳湖水位变化特征

ICESat-2卫星搭载了先进的光子计数激光测高仪,可实现对内陆中大型湖泊水位动态变化监测.本文利用ICESat-2卫星2018—2020年逐月的ATL13全球内陆水体数据估计和分析鄱阳湖水位变化特征,利用鄱阳湖湖口、星子和康山水文站实测数据进行验证和误差修正,并结合各测站水位数据、降雨量数据分析鄱阳湖水位动态变化及其成因.结果表明:1)鄱阳湖年内水位变化剧烈,具有明显的季节变化规律,6—10月为高水位期,其他月份为低水位期,水位高峰期出现在7—9月,总体水位呈上升趋势.2)ICESat-2测高水位与实测水位相关性R^(2)为0.846以上,经过误差修正后相关系数高达0.974.湖口站、星子站和康山站的均方根误差(RMSE)分别为1.660、1.073和0.836 m,经过误差修正重新计算后,三站RMSE分别为0.663、0.659和0.440 m,其测量精度提升约1 m.3)鄱阳湖水位变化与降雨量高度相关,1—2月和10—12月降雨量较少,为枯水期,水位下降;3—10月降雨量增多,为丰水期,水位上涨;降雨主要集中出现在7—9月,对应水位高峰期.

利用CryoSat-2测高数据研究南极威德尔海海冰出水高度时空变化

为了提高南极海冰出水高度的估算精度,以威德尔海为例,基于CryoSat-2卫星测高数据,联合冰桥计划(IceBridge)机载测高数据和科考船走航观测数据,获取应用最低点高程法反演海冰出水高度的最佳估计参数,进而估算并分析了2011—2017年,每年5月—10月威德尔海海冰出水高度的时空变化。结果表明,最佳的出水高度估算方案为采用0.8倍标准差剔除高度计观测值粗差后,选择沿轨10 km数据段并取最小5%的样本点平均值作为局地海面高估算海冰出水高度;近7年来南极威德尔海月均海冰出水高度总体呈现略微变薄的趋势,变化范围在17.9~27.4 cm之间;威德尔海海冰出水高度的分布呈现东薄西厚的特征,较大值主要分布在西威德尔海以及南极半岛东部海域。上述结论可为进一步研究南极海冰厚度变化对气候变化的响应提供参考。

CryoSat-2卫星测高计划及其应用

作为欧空局地球探测计划的一项重要任务,Cryo Sat-2卫星于2010年携带着Ku波段SIRAL(干涉/合成孔径雷达高度计)发射升空。Cryo Sat-2任务的优势在于高精度地测量两极海冰厚度以及监测南极大陆和格陵兰冰盖的变化,同时92°的近极地轨道一定程度上填补了先前遥测卫星的高纬数据缺口。本文对Cryo Sat-2卫星的科学目标、科学需求、任务概况、仪器载荷以及数据产品等方面做了详细的介绍,重点强调了Cryo Sat-2的首要载荷SIRAL和数据校准,最后探讨了Cryo Sat-2在极地领域的应用。

基于CryoSat-2测高数据的南极局部地区DEM的建立与精度评定

南极数字高程模型(DEM)是南极冰盖变化研究的基础数据,在我国南极重点考察地区Dome A及中山站至Dome A考察断面,利用新一代测高卫星CryoSat-2,对常用的几种插值方法如反距离加权、克里金、径向基函数、局部多项式和最近邻点插值方法的插值精度进行交叉比较,结果显示克里金插值方法的精度最高。利用中国第21次南极科学考察队采集的GPS数据,对克里金插值方法生成的两个区域的DEM精度进行验证。结果表明,坡度较小的Dome A区域DEM精度较高,平均高差为1.248m,标准差为0.51m;坡度较大的中山站至Dome A断面区域DEM精度较低,平均高程差达到3.87m,标准差为9.358m。

联合CryoSat-2测高数据和地面高程数据建立东南极拉斯曼丘陵地区DEM

拉斯曼丘陵地区位于东南极伊丽莎白公主地,中国南极中山站位于拉斯曼丘陵的东部,是中国南极科学考察的重要地区。数字高程模型(DEM)是南极冰盖变化研究的基础,卫星测高数据是南极地区构建DEM的主要数据来源。CryoSat-2是新一代用于极地冰盖和海冰监测的测高卫星,联合2013年和2014年南极冬季的CryoSat-2测高数据以及中国、澳大利亚、印度三个国家现场测量的60余个地面高程数据,利用克里金插值方法建立了拉斯曼丘陵地区200 m分辨率的DEM(简称LA-DEM)。利用未参与插值的地面高程数据对新建立的LA-DEM进行了验证,并与Bamber 1km DEM、ICESat DEM、RAMPv2 DEM以及BEDMAP 2等四种国际上常用的南极DEM进行比较,结果表明LA-DEM的高程精度约为19.7 m,优于其他4种南极DEM。

基于CryoSat-2卫星测高数据的北极海冰体积估算方法

近30年来,北极海冰正发生着剧烈的变化。海冰体积是量化海冰变化的重要指标之一。本文以2015年CryoSat-2卫星测高数据和OSI SAF海冰类型产品为基础。提取了浮冰出水高度、积雪深度、海冰密集度、海冰类型等属性信息,通过数据内插、投影变换、栅格转换、空间重采样等工作将海冰属性信息统一为25km×25km分辨率的栅格数据集。根据流体静力学平衡原理,逐个估算栅格像元对应的海冰厚度值,将其与对应的海冰面积相乘,估算了北极海冰密集度大于75%海域的海冰体积,并分析了海冰厚度和体积的月变化和季节变化特征。用NASA IceBridge海冰厚度产品对反演的海冰厚度进行验证。结果表明二者相关系数为0.72,有较高的一致性。北极海冰平均厚度春季最大,夏季最小,分别约为2.99m和1.77m,最厚的海冰集中在格陵兰沿岸北部和埃尔斯米尔半岛以北海域。多年冰平均厚度大于一年冰。冬季海冰体积最大,约为23.30×103 km3,经过夏季的融化,减少了近70%。一年冰体积季节波动较大,而多年冰体积相对稳定,季节变化不明显。

利用CryoSat-2测高数据研究东南极PANDA断面考察沿线高程变化

卫星测高技术是研究两极冰面高程变化和物质平衡状态的主要手段。相对于传统高度计,CryoSat-2不仅能够提供更加密集的轨道覆盖,同时也提高了南极边缘地区的测量精度。但369d的重访周期也使得传统的基于交叉轨道算法的时序分析不再适用,通过对CryoSat-2轨迹特征的分析,提出了基于近重复轨道的冰面高程变化模型。针对CryoSat-2数据预处理,采用基于地表模型的粗差剔除方法进行了粗差剔除,并基于EnviSat与CryoSat-2的协同分析,对CryoSat-2中的后向散射能量进行了系统变化趋势改正。利用2012-01~2014-05的CryoSat-2数据,对东南极PANDA断面考察沿线冰面高程变化进行了研究。实验结果表明,整个考察沿线高程变化趋势为0.017±0.009m/a。该结论与其他学者提取相应流域的平均积累率相一致。但其分布不均匀,局部效应明显。通过与考察线路实测结果对比,两者在相对积累特征上基本一致。

基于多波束激光测高卫星ICESat-2观测的垂线偏差解算

卫星测高技术中,传统的微波雷达海洋测高卫星轨道倾角近90°,且只能利用沿轨海面高数据计算垂线偏差,导致其解算垂线偏差卯酉分量比子午分量精度差。ICESat-2搭载的ATLAS系统可同时发射6条激光波束测量海面高,有望通过计算跨轨垂线偏差来提高卯酉分量精度。本研究以中国南海(0°N~30°N,105°E~125°E)为研究区域,基于ICESat-2海面高产品ATL12计算沿轨垂线偏差和跨轨垂线偏差,并利用最小二乘配置法反演1′×1′规则网格垂线偏差。实验结果表明:ICESat-2沿轨海面高数据解算的子午分量和卯酉分量与XGM2019e_2159-DOV模型的验证精度分别为0.90″和1.91″,子午分量精度明显高于卯酉分量。而跨轨海面高数据解算的子午分量和卯酉分量与XGM2019e_2159-DOV模型的验证精度分别为2.63″和1.66″,卯酉分量精度明显提高且高于子午分量。

CryoSat-2雷达高度计海冰波形优选特征分类

监测海冰的类型变化或厚度变化是较为有效的海冰监测方式,本文通过CryoSat-2雷达高度计对北极海冰类型开展研究。利用雷达高度计对北极海冰进行分类,一方面是难以挑选出最优特征参数,另一方面单一的雷达高度计数据难以实现海冰的相对精细化分类。针对以上问题,本文构建了一种利用卡方检验、互相关信息及Wrapper包装法组合的特征优选方法,利用该方法挑选出的特征子集(SSD+Sigma0+LTPP+PP+SK+LEW)结合随机森林分类法将北极地区的雷达高度计数据分为海水、一年薄冰、一年厚冰及多年冰。本文方法在训练集分类正确率为93.32%,验证集正确率为92.42%,Kappa系数为0.90,均优于其他特征组合,可以基本实现对北极地区海冰的有效分类,同时分类结果也有助于海冰厚度的反演。

夜间135.6 nm气辉反演的电离层f_(0)F_(2)与测高仪观测比较研究

在夜间电离层,气辉135.6 nm谱线主要由F层的O^(+)和电子的辐射复合过程以及O^(+)和O^(-)的中性复合过程激发,该谱线强度和电离层峰值电子密度N_(m)F_(2)存在很强的相关性。利用夜气辉135.6 nm辐射强度与F_(2)层峰值电子密度N_(m)F_(2)的平方成正比的物理模型,建立了在不同经纬度、地方时、季节和太阳活动下均适用的反演算法。通过DMSP卫星上搭载的紫外光谱成像仪(SSUSI)实际观测的135.6 nm气辉辐射强度来反演相应时空的电离层F_(2)层临界频率f_(0)F_(2),并将其与地基测高仪探测结果做了综合对比。结果表明,在太阳活动高年(2013年),相对误差小于等于20%的数据占比93.0%,平均相对误差约为7.08%;在太阳活动低年(2017年),相对误差小于等于20%的数据占比80.8%,平均相对误差约为12.64%。最后,对该算法在太阳活动高低年的反演精度差异进行了分析。

利用Cryosat-2 SAR模式数据确定北冰洋海平面模型

围绕Cryosat-2卫星SAR模式测高数据处理方法展开研究,利用决策树算法确定冰间水道观测值提取的参数和阈值,进而建立北冰洋海冰覆盖海域的海平面模型UST-CS2。结果表明,UST-CS2与DTU21海平面模型具有较高的一致性。ICESat-2激光测高数据的验证结果表明,UST-CS2的标准差为10.72 cm,与DTU21等模型精度基本持平,证明该模型具有可靠性。

Cryosat-2测高数据的太湖水位监测与变化分析

针对传统的通过水位站监测湖泊水位变化受自然条件和时空等因素的影响以及卫星测高技术的发展,该文提出了利用Cryosat-2测高数据对内陆湖泊水位变化进行研究。以太湖为例分析2011年1月—2014年12月的水位变化,并应用水位实测数据对Level-2 GDR数据所采用的3种波形重跟踪算法提取的湖面高进行精度评价以及季节性变化的对比。结果表明,4年来太湖平均水位变化为0.283 m,测高结果与实测数据变化基本一致,最高值均出现在2011年9月,利用卫星测高数据监测湖泊水位变化可信度较高;对于GDR产品中的3种重跟踪算法,Refined OCOG算法更适合水位变化的提取,有最高的相关系数(0.543)、较低的均方根误差(1.282 m)和最低平均绝对误差(0.260 m);太湖的秋季水位最高,夏季其次,冬季再次,春季最低,且春夏两季水位变化提取的均方根误差最低可达到0.215 m和0.067 m。

基于ICESat-2卫星测高数据的呼伦湖水位变化监测

草原湖泊水位变化预示着草原生态环境的变化,是草原生态变化的重要指标。利用2018年11月—2022年1月ICESat-2卫星的ATL13全球内陆水体数据,构建呼伦湖高精度水位变化序列。使用DAHITI、Hydroweb和G-REALM水位数据进行结果验证。依据湖泊面积与水位变化关系,构建水位面积关系模型,分析湖泊水位季节性变化特征及外界因素对湖泊水位的影响。研究结果表明:2018年11月—2022年1月,呼伦湖水位整体呈现上升趋势,年均水位上涨率为0.49 m·a^(-1);湖泊每年3—6月水位下降,7—10月水位上涨,11月—次年2月水位稳定。通过与DAHITI、Hydroweb和G-REALM水位数据对比验证可知,ICESat-2卫星监测水位数据稳定,水位序列精度高,均方根误差为9.7cm,结果可靠。ICESat-2卫星水位监测成果结合湖泊水位面积模型,可实现多时段、高精度湖泊水位监测,并计算水位季节性变化时间序列,结果显示,呼伦湖水位季节性特征明显,且年际变化趋势基本稳定,春季至夏季水位下降,夏季至冬季水位上升。湖泊水位变化受外界因素的影响较大,气温升高引起的蒸发量增大是湖泊水位下降的主导因素,气温、蒸发量与水位变化呈现出较强的负相关性;人工注水对湖泊水量的补给使湖泊水位上升,且在2021年注水期内水位上涨趋势明显。

利用CryoSat-2卫星测高资料确定北极海冰干舷高

卫星测高技术的发展使得大空间尺度探测海冰成为可能,海冰干舷高是反演海冰厚度的关键参量,获取精确的海冰干舷高对海冰探测及了解全球气候变化均具有重要的作用。本文基于近3年获取的CryoSat-2卫星SAR模式测高资料,在60°N—88°N纬度带内的北极海域通过设定阈值筛选可用的观测数据,并在此基础上计算2015—2017年间月平均海冰干舷高,最后通过IceBridge航飞数据的时空匹配验证了本文获取的干舷高计算结果是可靠的。

基于随机森林算法的中国及周边区域电离层f_(o)F_(2)预测模型

电离层F2层的临界频率(f_(o)F_(2))的平方与峰值电子密度(N_(m)F2)成正比,是影响GNSS性能的关键参数之一,提升电离层f_(o)F_(2)的预测精度对于优化GNSS广播电离层模型性能并提升GNSS的定位精度具有重要意义.本文基于中国及周边区域的18个测高仪台站和COSMIC(constellation observing system for meteorology,ionosphere,and climate)掩星观测数据,综合考虑世界时、年积日、地理位置、太阳和地磁活动等多维特征,利用随机森林(random forest,RF)算法构建了电离层f_(o)F_(2)预测模型.通过与国际参考电离层(international reference ionosphere,IRI)-2020模型对比分析,验证了该模型的预测精度.研究结果表明,与IRI国际无线电咨询委员会(International Radio Consultative Committee,CCIR)和IRI国际无线电科学联盟(International Union of Radio Science,URSI)模型相比,RF模型的平均绝对误差(mean absolute error,MAE)分别降低了14.81%和17.11%,均方根误差(root mean squared error,RMSE)分别降低了11.21%和13.14%.此外,该模型在不同纬度、地方时、太阳活动和地磁活动条件下,均展现出优于IRI-2020的预测精度.本研究不仅有效提升了中国及周边区域电离层f_(o)F_(2)的预测精度,还为提高GNSS的准确性和可靠性奠定了重要基础.

CryoSat-2卫星海冰区域波形识别及海冰干舷高确定

利用40%阈值法对CryoSat-2卫星波形数据进行重跟踪,将波形特征参数和海冰浓度相结合,对海冰和Lead（浮冰之间的开阔水域）进行有效识别。利用沿轨前后搜索算法计算海冰干舷高,并引用AWI结果,绘制2011～2013年北冰洋多年冰区域和一年冰区域平均海冰干舷高变化趋势图。比较本文结果与AWI结果的各年同期数据,验证本文结果的可靠性。