海洋表面动力地形的卫星测量海洋遥感案例实用教案

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1、2022-5-5第七章 海洋表面动力(dngl)地形的卫星测量u 概述概述u 卫星高度计的测高原理卫星高度计的测高原理u 高度计在海洋动力高度计在海洋动力(dngl)(dngl)地形测量中地形测量中的应用的应用第1页/共32页第一页，共33页。2022-5-57.1 概述(i sh)1.卫星(wixng)高度计的特点 卫星高度计是一种主动式微波测量仪，具有独特的全天候、卫星高度计是一种主动式微波测量仪，具有独特的全天候、长时间历程、观测面积大、观测精度高、信息量大的能力和特长时间历程、观测面积大、观测精度高、信息量大的能力和特点。点。 由于高度计是非成像传感器，星上存储器可以满足全球观由于高度

2、计是非成像传感器，星上存储器可以满足全球观测的要求，因而可以获得全球尺度及准实时的观测数据，这对测的要求，因而可以获得全球尺度及准实时的观测数据，这对于海洋及海洋气象预报具有重要于海洋及海洋气象预报具有重要(zhngyo)意义。意义。第2页/共32页第二页，共33页。2022-5-57.1 概述(i sh)2.卫星高度计的发展(fzhn)历史 卫星测高技术的提出始于卫星测高技术的提出始于1964年在美国年在美国Woods Hole举举行的行的“空间海洋学空间海洋学”研讨会，确定的测距技术指标为研讨会，确定的测距技术指标为10cm。 首次原理性实验于首次原理性实验于1973年年NASA发射的发射

3、的Skylab上进行，上进行，其运行为后续的其运行为后续的GEOS-3（1975）和）和Seasat-A（1978）高）高度计的设计积累了宝贵经验。度计的设计积累了宝贵经验。 Seasat-A首次实现了重复地面首次实现了重复地面(dmin)轨迹运行模式。轨迹运行模式。第3页/共32页第三页，共33页。2022-5-57.1 概述(i sh)2.卫星高度计的发展(fzhn)历史卫星研制单位发射精度cm 频率HzGEOS-3NASA1975.4.925-5013.9GSeasat-ANASA1978.6.2820-3013.5GGeosat美，海军美，海军1985.3.1510-2013.5GER

4、S-1ESA1991.7.171013.8GTopex/PoseidonNASA/ CNES1992.8.1065.3/13.6GERS-2ESA1995.4.212.513.8GGFO美，海军美，海军1998.2.102.513.5GJason-1NASA/ CNES2001.94.25.3/13.6GEnvisatESA2002.32.53.2/13.6G开始(kish)业务运行第4页/共32页第四页，共33页。2022-5-57.1 概述(i sh)3.卫星(wixng)高度计的发展趋势 测距精度的提高、数据测距精度的提高、数据(shj)处理方法的改进、处理方法的改进、观测数据观测数据(

5、shj)的逐步积累；的逐步积累； 卫星测高技术的创新。卫星测高技术的创新。 未来的高度计计划在近期的目标是提高空间和时未来的高度计计划在近期的目标是提高空间和时间分辨率，争取能够在几天内以几十公里的分辨率覆间分辨率，争取能够在几天内以几十公里的分辨率覆盖同一地区。另外也会发射一些目标明确的、耗费较盖同一地区。另外也会发射一些目标明确的、耗费较小的小卫星。小的小卫星。第5页/共32页第五页，共33页。2022-5-54.卫星(wixng)高度计的研究与应用第6页/共32页第六页，共33页。2022-5-57.2 卫星(wixng)高度计的测高原理 卫星测高原理：以卫星为载体，以海面作为遥测靶，由

6、卫星上卫星测高原理：以卫星为载体，以海面作为遥测靶，由卫星上装载的雷达高度计向海面发射微波信号装载的雷达高度计向海面发射微波信号(xnho)，该雷达脉冲到达，该雷达脉冲到达海面后，经过海面发射再返回到雷达测高仪。海面后，经过海面发射再返回到雷达测高仪。 其原理与应用都是基于三个基本观测量：其原理与应用都是基于三个基本观测量：时间延迟：高度计发射脉冲到接收海面回波信号时间延迟：高度计发射脉冲到接收海面回波信号(xnho)的时间间隔；的时间间隔；海面回波波形的前沿斜率；海面回波波形的前沿斜率；海面回波波形强度。海面回波波形强度。第7页/共32页第七页，共33页。2022-5-57.2 卫星(wix

7、ng)高度计的测高原理1.与海平面高度(god)有关的曲面第8页/共32页第八页，共33页。2022-5-57.2 卫星(wixng)高度计的测高原理a.a.参考参考(cnko)(cnko)椭球面椭球面b.b.大地大地(dd)(dd)水准面水准面 把描述地球的把描述地球的理想化的数学曲面定义为参考椭球理想化的数学曲面定义为参考椭球面面，是对地球表面的一级近似。，是对地球表面的一级近似。 地球上重力位势相等的各地球上重力位势相等的各点构成等势面，与平均海平面点构成等势面，与平均海平面最为接近的等势面称为大地水最为接近的等势面称为大地水准面准面。1.与海平面高度有关的曲面第9页/共32页第九页，共

8、33页。2022-5-57.2 卫星(wixng)高度计的测高原理c.c.瞬时瞬时(shn sh)(shn sh)海面海面d.d.平均平均(pngjn)(pngjn)海平面海平面 即某一时刻的实际海面即某一时刻的实际海面。 卫星高度计测得的瞬时海卫星高度计测得的瞬时海面经海洋潮高、固体潮高和有面经海洋潮高、固体潮高和有效波高修正之后，得到所谓平效波高修正之后，得到所谓平均海平面均海平面。1.与海平面高度有关的曲面第10页/共32页第十页，共33页。2022-5-57.2 卫星(wixng)高度计的测高原理e.e.海面海面(himin)(himin)动力高度动力高度f.f.大地大地(dd)(dd

9、)水准面起伏水准面起伏 将平均海平面相对于大地水准面的偏离，称为海面动力将平均海平面相对于大地水准面的偏离，称为海面动力高度，即海洋学中的海面重力位势差，其范围一般在高度，即海洋学中的海面重力位势差，其范围一般在1.5m 以内。以内。 大地水准面相对于参考椭球面的偏离，称为大地水准大地水准面相对于参考椭球面的偏离，称为大地水准面起伏，其范围一般在面起伏，其范围一般在100m 以内以内。1.与海平面高度有关的曲面第11页/共32页第十一页，共33页。2022-5-57.2 卫星(wixng)高度计的测高原理g.g.海平面起伏海平面起伏(qf)(qf) 瞬时海平面相对于大地瞬时海平面相对于大地(d

10、d)水准面的偏离，称为海平水准面的偏离，称为海平面起伏。其范围一般在面起伏。其范围一般在10m 以内。以内。 海平面起伏和大地水准面起伏比它们各自的绝对高度更海平面起伏和大地水准面起伏比它们各自的绝对高度更具有重要意义。因为在这些起伏中，包含了地球内部结构和具有重要意义。因为在这些起伏中，包含了地球内部结构和海洋动力过程的各种信息。海洋动力过程的各种信息。1.与海平面高度有关的曲面第12页/共32页第十二页，共33页。2022-5-57.2 卫星(wixng)高度计的测高原理2.卫星(wixng)高度计的测高原理tgeoidsshhh0hhhhaltorbitsshTbarinvhh为测量噪声

11、；barinvh为大气压引起的海面误差；orbith通过卫星的精密定轨方法得出tropDryionohhhBiasEtropWethh第13页/共32页第十三页，共33页。2022-5-57.2 卫星(wixng)高度计的测高原理.卫星相对卫星相对(xingdu)(xingdu)于海面高度于海面高度的计算的计算cthalt2t t：雷达脉冲：雷达脉冲(michng)(michng)往返于卫星和海面往返于卫星和海面之间的时间；之间的时间；c c：电磁波传播速度：电磁波传播速度即卫星高度计的测量结果 厘米量级的测距精度要求是高度计的技术难度。对于厘米量级的测距精度要求是高度计的技术难度。对于5cm

12、5cm的测高精度，相应的时间测量要准确到的测高精度，相应的时间测量要准确到0.2ns 0.2ns 左右，要求左右，要求计时钟具有年误差不超过计时钟具有年误差不超过1s1s的精度。同时对发射和接收技术也的精度。同时对发射和接收技术也提出了较高要求。提出了较高要求。2.卫星高度计的测高原理第14页/共32页第十四页，共33页。2022-5-53.卫星(wixng)高度计测高的误差与消除单位厘米第15页/共32页第十五页，共33页。2022-5-57.2 卫星(wixng)高度计的测高原理a.a.轨道轨道(gudo)(gudo)误差误差 由上页图，测高数据的误差主要分三类：轨道(gudo)误差、仪器

13、误差和地球物理环境校正误差。 误差主要来源于卫星速度和高度的变化，卫星高度误差主要来源于卫星速度和高度的变化，卫星高度处的重力场及卫星跟踪精度。处的重力场及卫星跟踪精度。 轨道误差的消除方法主要有：单星交叠平差、双星或轨道误差的消除方法主要有：单星交叠平差、双星或多星联合平差、共线平差。多星联合平差、共线平差。3.卫星高度计测高的误差与消除第16页/共32页第十六页，共33页。2022-5-57.2 卫星(wixng)高度计的测高原理b.b.电磁电磁(dinc)(dinc)偏偏差差 由于海面波浪分布并非高斯型，波谷反射脉冲的能力由于海面波浪分布并非高斯型，波谷反射脉冲的能力强于波峰，因此强于波

14、峰，因此(ync)高度计测得的海面高度偏离平均海高度计测得的海面高度偏离平均海平面，趋向于波谷，这种偏差可通过利用带有风速参量的平面，趋向于波谷，这种偏差可通过利用带有风速参量的经验关系式进行修正。经验关系式进行修正。BiasEh3.卫星高度计测高的误差与消除c.c.干干/ /湿对流层误差湿对流层误差 干湿空气都会引起雷达信号的延迟。可利用其干湿空气都会引起雷达信号的延迟。可利用其与海表大气压和纬度之间的关系来修正。与海表大气压和纬度之间的关系来修正。dropDrydropWethh,第17页/共32页第十七页，共33页。2022-5-57.2 卫星(wixng)高度计的测高原理 电离层中自由

15、电子对脉冲的阻碍作用，使得电电离层中自由电子对脉冲的阻碍作用，使得电磁波传播速度发生变化，产生了电离层误差。通过磁波传播速度发生变化，产生了电离层误差。通过精确测量电磁波路径上的总电子数来消除电离层误精确测量电磁波路径上的总电子数来消除电离层误差。自由电子量随时间差。自由电子量随时间(shjin)、太阳活动、海域、太阳活动、海域位置、卫星高度的不同而不同。位置、卫星高度的不同而不同。d.d.电离层误差电离层误差ionoh3.卫星高度计测高的误差(wch)与消除第18页/共32页第十八页，共33页。2022-5-57.2 卫星(wixng)高度计的测高原理e.e.大气压引起大气压引起(ynq)(

16、ynq)的误的误差差 一般一般(ybn)，大气压增加，大气压增加1mbar，海面下降，海面下降1cm。barinvh)3 .1013(948. 9phbarinv3.卫星高度计测高的误差与消除f.f.潮汐引起的误差潮汐引起的误差Th 主要包括固体地球潮汐、极性潮、弹性海洋潮汐，主要包括固体地球潮汐、极性潮、弹性海洋潮汐，其中其中弹性海洋潮汐弹性海洋潮汐为主要影响。为主要影响。第19页/共32页第十九页，共33页。2022-5-57.3 高度计在海洋动力地形(dxng)测量中的应用（1）基本原理）基本原理 当海面的有效波高不同时，接收机的接收当海面的有效波高不同时，接收机的接收功率及回波的前沿斜

17、率也不同。当有效波高较功率及回波的前沿斜率也不同。当有效波高较小时，接收机的工作时段上有效接收时间较短，小时，接收机的工作时段上有效接收时间较短，回波波形开始低平，继而急骤上升，波形的前回波波形开始低平，继而急骤上升，波形的前沿斜率较大。沿斜率较大。 近似近似(jn s)地，回波信号的前沿上升斜率地，回波信号的前沿上升斜率与海面有效波高成反比，由此，可建立两者之与海面有效波高成反比，由此，可建立两者之间的关系，并以查找表的形式固定，实现有效间的关系，并以查找表的形式固定，实现有效波高的星上计算。波高的星上计算。1.测量(cling)有效波高第20页/共32页第二十页，共33页。2022-5-5

18、7.3 高度计在海洋(hiyng)动力地形测量中的应用（1）基本原理）基本原理 1.测量(cling)有效波高第21页/共32页第二十一页，共33页。2022-5-57.3 高度计在海洋动力地形(dxng)测量中的应用（2）推导）推导(tudo)过程过程 1.测量(cling)有效波高a. Barrick在总结前人关于雷达海面回波模型的基础上，基在总结前人关于雷达海面回波模型的基础上，基于于10个前提条件下，推导出海面回波功率的关系式：个前提条件下，推导出海面回波功率的关系式：b. 可简化为：可简化为：c. 在此基础上，可得出：在此基础上，可得出：h为均方根波高第22页/共32页第二十二页，共

19、33页。2022-5-57.3 高度计在海洋动力地形测量(cling)中的应用（3）有效）有效(yuxio)波高的主要应用波高的主要应用 1.测量(cling)有效波高a. 将其同化到海浪数值预报模式中，提供合理的初始场，将其同化到海浪数值预报模式中，提供合理的初始场，并改进和检验预报模式；并改进和检验预报模式；b. 进行全球或区域的波浪场特征分析，如波侯、极端波要素进行全球或区域的波浪场特征分析，如波侯、极端波要素和浪场时空结构等。和浪场时空结构等。第23页/共32页第二十三页，共33页。2022-5-57.3 高度计在海洋(hiyng)动力地形测量中的应用（1）海面某点处地形高度）海面某点

20、处地形高度(god)的计算的计算 （见图）（见图） 2.观测(gunc)海面地形iigeoidaltorbithhhh（2）大面积海面地形的表示）大面积海面地形的表示)(sin)sincos(),(max00lmlmlllmlmpmdmc球谐函数第24页/共32页第二十四页，共33页。2022-5-57.3 高度计在海洋动力(dngl)地形测量中的应用（3）海面）海面(himin)地形异常的观测地形异常的观测 2.观测(gunc)海面地形hhhssa 海面地形异常被定义为海表海面地形异常被定义为海表面与平均海表面的高度差，有时面与平均海表面的高度差，有时也称为海平面高度也称为海平面高度距平距平

21、。h为多年平均的海面地形高度中国海平均海平面高度距平的地理分布(1992.10-2004.1) 距平值是相对于1993.1-1999.12共7年的海平面平均值的差值。第25页/共32页第二十五页，共33页。2022-5-57.3 高度计在海洋(hiyng)动力地形测量中的应用3.观测(gunc)大洋环流-利用海面动力高度 利用卫星高度计资料推算大洋环流最简单的方法是利用卫星高度计资料推算大洋环流最简单的方法是将平均将平均(pngjn)海平面与大地水准面相减，得出动力高海平面与大地水准面相减，得出动力高度，再利用地转平衡关系，算出大洋环流。度，再利用地转平衡关系，算出大洋环流。 由于现有大由于现

22、有大地水准面模型的误差与大洋环流引起的动力高度处于同地水准面模型的误差与大洋环流引起的动力高度处于同一量级，因而这种方法只能用于大尺度海洋动力现象观一量级，因而这种方法只能用于大尺度海洋动力现象观测。测。 另一种方法被称为同步分离法，其主要思路是将大另一种方法被称为同步分离法，其主要思路是将大地水准面与海面动力高度同时从高度计资料分离出来，地水准面与海面动力高度同时从高度计资料分离出来，数学依据是改进的加权约束最小二乘法。数学依据是改进的加权约束最小二乘法。第26页/共32页第二十六页，共33页。2022-5-57.3 高度计在海洋动力地形测量(cling)中的应用4.测量大地水准面与重力(z

23、hngl)异常 大地测量的基本任务是确定大地测量的基本任务是确定(qudng)大地水准大地水准面与重力异常（大地水准面与参考椭球面上对应点面与重力异常（大地水准面与参考椭球面上对应点的重力大小之差）。的重力大小之差）。（1）大地水准面的测量）大地水准面的测量 模型的空间分辨率达到模型的空间分辨率达到100km，精度小于，精度小于0.5m。具。具代表性的四个全球大地水准面模型是：美国的代表性的四个全球大地水准面模型是：美国的GEM系列、系列、PGS系列、系列、OSU系列和系列和JGM系列。系列。第27页/共32页第二十七页，共33页。2022-5-57.3 高度计在海洋(hiyng)动力地形测量

24、中的应用4.测量大地(dd)水准面与重力异常（2）重力）重力(zhngl)异常异常 由卫星测高数据反演海洋重力异常的方法主要有：由卫星测高数据反演海洋重力异常的方法主要有：最小二乘法、最小二乘法、Stokes公式逆运算法、公式逆运算法、Hotine积分法、逆积分法、逆Venning-Meinesz交换法，以及垂线偏差联合法和谱分交换法，以及垂线偏差联合法和谱分析方法等。析方法等。 目前国际上正在发展利用各种卫星测高数据目前国际上正在发展利用各种卫星测高数据联合求联合求解解的方法，以期得到精度更高、时间和空间分辨率更的方法，以期得到精度更高、时间和空间分辨率更高的重力异常分布。高的重力异常分布。

25、第28页/共32页第二十八页，共33页。2022-5-57.3 高度计在海洋动力地形测量(cling)中的应用 有关应用有关应用(yngyng)的具体算法除参的具体算法除参考教材外，可参考：考教材外，可参考： 何宜军等，高度计海洋遥感研究何宜军等，高度计海洋遥感研究与应用与应用(yngyng)，科学出版社，科学出版社，2002。第29页/共32页第二十九页，共33页。人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊(b

26、okn)，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。第30页/共32页第三十页，共33页。第31页/共32页第三十一页，共33页。2022-5-5谢谢您的观看(gunkn)！第32页/共32页第三十二页，共33页。NoImage内容(nirng)总结2021/11/22/周一。地球上重力位势相等的各点构成等势面，与平均海平面最为接近的等势面称为大地水准面。瞬时海平面相对于大地水准面的偏离，称为海平面起伏。海平面起伏和大地水准面起伏比它们各自的绝对高度更具有重要意义(yy)。轨道误差的消除方法主要有：单星交叠平差、双星或多星联合平差、共线平差。海面地形异常被定义为海表面与平均海表面的高度差，有时也称为海平面高度距平。有关应用的具体算法除参考教材外，可参考：第三十三页，共33页。