技术领域本发明涉及一种基于波形分类的近海Envisat卫星测高波形重定方法，属于卫星测高的技术领域。
背景技术：
高精度的卫星测高资料是分析沿海地区绝对海平面变化的有效资料，但卫星测高数据在近岸海域的精度有限，由于受陆地地形坡度与起伏、反射面性质、距离改正和地球物理改正精度等因素的影响，卫星测高海平面的精度明显低于远海与深海区域，根据卫星测高结果无法准确的获取近海绝对海平面变化的空间特征。卫星测高回波波形重定技术能够弥补近岸卫星测高数据空白区，改善测高数据观测精度。通过波形重定技术可以明显改善卫星测高数据的质量，提高卫星测高在近海的适用范围。虽然波形重定成功地解决了近海岸海域卫星测高数据的空白，但不同波形重定算法之间不可避免地存在系统偏差。精化卫星测高波形重定方法，深入研究近岸海域的卫星测高改正模型，以及精确评价波形重定后平均海平面，对提高卫星测高在近海海域的应用尤其重要。长期以来，从不同的波形重定算法中选取最佳波形重定算法一直没有形成一致的标准。由于近岸海域受到陆地和复杂海况的影响，波形形状复杂多样，现有各种波形重定算法均不是针对近海测高波形处理而设计的，没有哪一种单一的重定算法可以完全适用于复杂的近海回波波形重定处理，因此融合多种波形重定算法计算海面高显得非常重要，可以进一步提高近岸海面高精度。在现有技术中，汪海洪等人提出了基于波形分类的近海卫星测高数据自适应重跟踪方法，首先对测高波形数据进行聚类分析，确定最佳的聚类数和相应的聚类中心；然后针对每类波形比较各种重跟踪算法的精度，确定适合该类波形的最优重跟踪算法；根据前面两步的分析结果制定自适应重跟踪算法，即利用聚类中心判断波形属于哪一类，然后选择适用该类波形的最佳重跟踪算法计算海面高改正量。该方法是从数学分析计算的角度对近海波形进行分类，波形分类的物理意义并不明确，且计算复杂，处理海量测高数据的效率较低。周浩等人对近海卫星测高波形分类与判别进行研究，提出了基于动态聚类分析的测高波形分类方法以及基于移动最小距离的波形判别方法，并给出了确定最佳分类数的有效性指标，实现了海洋波形与非海洋波形正确识别。但并没有对分类后的波形应采用何种重跟踪算法进行波形重定进行研究。
技术实现要素：
针对现有技术的不足，本发明提供了更为简单，且易于操作的一种基于波形分类的近海Envisat卫星测高波形重定方法。术语解释：1、卫星测高的基本原理：是利用卫星上搭载的雷达高度计，通过测定雷达脉冲从卫星发射经海平面反射并被卫星接收的传播时间，以及返回的波形形状等获取海洋信息；并利用模型改正各种误差和精确的卫星轨道高度，确定海平面相对于参考椭球面的高度。卫星高度计由天线沿垂直方向以一定的重复频率向海面发射调制后的压缩脉冲信号，脉冲信号经过海面反射并由高度计接收，处理得到了卫星测高回波波形。2、Ocean算法：Ocean算法是一种基于Brown模型的波形重构算法，采用迭代最小二乘算法计算波形前缘中点。3、Threshold算法：Threshold算法是一种统计算法，利用OCOG算法的计算结果，根据振幅、最大波形采样等给出阈值，在与前缘陡峭部分相交门槛的几个临近采样值之间进行线性内插，以确定重构点。该算法保留了OCOG算法的优点，在计算前缘中点时需要选取合适的阈值水平，可以给出更精确的前缘中点。本发明的技术方案如下：一种基于波形分类的近海Envisat卫星测高波形重定方法，包括步骤如下：(1)波形分类指标的确定采用OCOG算法的参数、波形脉冲峰值PP作为波形分类指标；①OCOG算法的参数包括：波形的重心COG、波形振幅A和波形宽度W；OCOG算法也称Ice-1算法，是基于统计规律得到的简单波形重定算法，其基本思想是利用整个返回波形的采样值计算出一个和波形面积大小相等且重心位置相同的矩形，以数值方式统计出波形振幅、宽度与重心位置；所述OCOG算法的公式为：A=Σi=1+nN-nPi4(t)/Σi=1+nN-nPi2(t)---(I);]]>W=(Σi=1+nN-nPi2(t))2/Σi=1+nN-nPi4(t)---(II);]]>COG=(Σi=1+nN-niPi2(t))/(Σi=1+nN-nPi2(t))---(III);]]>上述公式(I)到公式(III)中，N为波形对应的采样门总数；n为波形开始和结束时应剔除的偏差采样个数；Pi(t)为波形的第i个采样门对应的回波功率；A为波形振幅；W为波形宽度；COG(CenterofGravity)为波形的重心；由OCOG算法计算得到的各个参数对波形形状非常敏感，其中COG为波形有效重心，反映了波形的振幅A及宽度W；②波形峰值能量PP其中所述波形峰值能量PP满足波形分类指标的有效、简单和通用性，定义为：PP=maxi(p(i))---(IV)]]>上述公式(IV)中，PP表示回波波形最大采样值，P(i)为波形的第i个采样门对应的回波功率；Envisat卫星测高海面回波波形包括两种基本波形类型：镜面波形和漫射波形；在本发明中，在确定基本波形类型后，需要选取恰当的波形分类指标，其成功与否决定了波形分类是否成功；(2)波形分类Envisat近岸海域测高波形被分为四类，分类准则如下：第I类为海洋波形：此波形遵循Brown模型且仅有一个波形上升沿；第II类为多峰波形：此波形具有多个上升沿；第III类为似镜面波形：该波形表现为似镜面波形，呈现尖峰状；且峰值能量非常大；第IV类为陆地波形：不属于上述第I类～第III类的剩余波形均为第IV类；此种波形非常复杂；(3)最佳波形重定算法的选取采用稳态海面地形与时变海面地形的标准差作为最佳波形重定算法的选取指标；重定海面高与大地水准面高之间的差值包括：稳态海面地形和时变海面地形；所述稳态海面地形包括中长波分量；所述时变海面地形(高频噪声)反映重定海面高的粗糙度；所述稳态海面地形的精度是利用大地水准面高与重定海面高每秒均值的差值来评价；所述时变海面地形的精度通过波形重定海面高与其每秒平均值之间的差值来评价；经过粗差剔除后，分别计算不同重定算法重定海面高中稳态海面地形的标准差SSTSD与时变海面地形的标准差NoiseSD，选取稳态海面地形的标准差SSTSD、时变海面地形的标准差NoiseSD中最小时对应的重定算法作为最佳波形重定算法。本发明的优势在于：现有技术中，虽然波形重定技术已被证明能够有效改善测高数据的精度，但是没有一种方法能够使海洋环境极为复杂的近海地区各种测高波形的重定效果均达到最优。这是因为各种波形重定算法都针对特定地区的应用提出的，只对某些特定的波形有较好的重跟踪效果，例如Beta-5参数法适用于海洋波形，Threshold算法是为了处理冰面波形提出的。地理环境和海况复杂的近海存在多种多样的波形，仅用一种算法难以满足各种波形的重跟踪，也就不能最大限度地提高测高数据的质量。波形分类是挖掘复杂海况区域可用测高数据、提高测高精度的基础，也是波形重跟踪技术应用的关键。汪海洪等通过基于聚类分析的波形分类方法，研究了一种根据波形类别自动选择最优重跟踪算法的自适应方法，为近海测高研究提供了重要的参考意义。但这种方法对于海量数据的处理效率较低。周浩等通过分析近海测高波形特征，提出了基于动态聚类分析的波形分类方法，该方法不仅可以正确区分海洋波形与非海洋波形，而且在非海洋波形识别上甚至优于OCOG参数法和移动相关系数法，这对研究复杂区域(如近海、海冰、冰盖、陆地水域)的波形重跟踪算法具有一定的指导意义，提高了运算效率，为处理海量测高波形数据提供了便利。但这种分类方法较为复杂，且没有给出不同波形最为适合的波形重定算法。波形分类效果除了与实际应用需要有关之外，还取决于分类指标的选取，恰当的分类指标是分类精度的重要保障。本发明的基于波形分类的近海Envisat卫星测高波形重定方法，综合了上述研究的优点，所选取的波形分类指标简单有效，分类结果清晰，可以很好地改善卫星测高数据质量。针对分类后的测高波形，根据不同波形特点，利用稳态海面地形与时变海面地形的标准差作为最佳波形重定算法的选取指标，选取针对该波形最适合的波形重定方法，从而实现根据波形类别自动选择最优重定算法。而且该方法处理卫星测高海量数据的效率高，实现也较为容易，具有很好的推广价值。附图说明图1为本发明所述方法的流程图；图2a为中国近海EnvisatRA-2高度计回波波形对应的深海回波波形，即海洋波形；；图2b为中国近海EnvisatRA-2高度计回波波形对应的冰面或海湾平静水面回波波形，即似镜面波形；图2c为中国近海EnvisatRA-2高度计回波波形对应的为近岸海域典型的回波波形，即多峰波形；图2d为中国近海EnvisatRA-2高度计回波波形对应的为陆地表面的回波波形，即陆地波形；在图2a-图2d中，纵轴为回波功率，横轴为采样门。具体实施方式下面结合具体实例和说明书附图对本发明做详细的说明，但不限于此。实施例1、如图1所示。Envisat卫星轨道高度约800km，倾角为98.5°，重复周期为35d，覆盖地球81.4°S到81.4°N之间的陆地和海洋区域。地面轨道速度5.8km/s，地面重复轨道精度1km，赤道附近地面轨迹的最大间隔约为85km，愈接近两极卫星轨迹愈密集。校正后的卫星到海面的测量距离精度为3.2cm，海面高度测量精度为6cm。Envisat高度计RA-2发布的测高数据产品中SGDR(SensorGeophysicalDataRecord)为传感器数据，由AVISO提供，它除了GDR数据外，还包含离散傅里叶变换和快速傅里叶变换算法分别处理得到的18Hz波形数据。GDR数据中不仅包含常规数据，还包含了Envisat利用Ice-1、Ice-2、Sea-ice和Ocean1等4种波形重定算法改正后的海面高，但没有给出4种结果的比较说明以及在近岸海域海面上测高结果的选取标准。Ice-1和Ice-2算法是针对冰面回波进行波形重定；Sea-ice算法针对海冰面回波进行波形重定；Ocean1算法针对海洋面回波进行波形重定。如图2所示，为EnvisatRA-2高度计在中国近海实测的Ku波段18Hz回波波形，其中a为典型的海面回波，具有一个急剧的上升沿及平缓的下降沿；b的波形呈现尖峰状，并且波形峰值能量很大，一般为冰面或海湾平静水面的回波波形；c具有多个上升沿，为近岸海域典型的回波波形；d的波形复杂，为陆地表面的回波波形。通过对中国近海大量EnvisatRA-2高度计回波波形的分析，可以发现卫星测高海面回波波形一般情况下可分成三种情形，第一种为漫射波形，是开阔海域回波信号的基本波形，近岸海水和反射面粗糙及巨型浮冰也会产生此类回波波形；第二种为镜面波形，是典型的海冰回波波形，由多年海冰之间的静态海水面和新冰的体表面产生，另外在海岸线周围的静态水体也产生此类波形；第三种则为包含多个波形前缘的复杂波形，通常出现在星下点足迹区存在多个不同反射面时，可将该种波形看成是以上两类波形之间的组合。因此测高海面回波波形有两种基本波形类型，即镜面波形和漫射波形。一种基于波形分类的近海Envisat卫星测高波形重定方法，包括步骤如下：(1)波形分类指标的确定采用OCOG算法的参数、波形脉冲峰值PP作为波形分类指标；①OCOG算法的参数包括：波形的重心COG、波形振幅A和波形宽度W；OCOG算法也称Ice-1算法，是基于统计规律得到的简单波形重定算法，其基本思想是利用整个返回波形的采样值计算出一个和波形面积大小相等且重心位置相同的矩形，以数值方式统计出波形振幅、宽度与重心位置；所述OCOG算法的公式为：A=Σi=1+nN-nPi4(t)/Σi=1+nN-nPi2(t)---(I);]]>W=(Σi=1+nN-nPi2(t))2/Σi=1+nN-nPi4(t)---(II);]]>W=(Σi=1+nN-niPi2(t))/(Σi=1+nN-nPi2(t))---(III);]]>上述公式(I)到公式(III)中，N为波形对应的采样门总数；n为波形开始和结束时应剔除的偏差采样个数；Pi(t)为波形的第i个采样门对应的回波功率；A为波形振幅；W为波形宽度；COG(CenterofGravity)为波形的重心；由OCOG算法计算得到的各个参数对波形形状非常敏感，其中COG为波形有效重心，反映了波形的振幅A及宽度W；②波形峰值能量PP其中所述波形峰值能量PP满足波形分类指标的有效、简单和通用性，定义为：PP=maxi(p(i))---(IV)]]>上述公式(IV)中，PP表示回波波形最大采样值，P(i)为波形的第i个采样门对应的回波功率；Envisat卫星测高海面回波波形包括两种基本波形类型：镜面波形和漫射波形；在本发明中，在确定基本波形类型后，需要选取恰当的波形分类指标，其成功与否决定了波形分类是否成功；(2)波形分类Envisat近岸海域测高波形被分为四类，分类准则如下：第I类为海洋波形：此波形遵循Brown模型且仅有一个波形上升沿；第II类为多峰波形：此波形具有多个上升沿；第III类为似镜面波形：该波形表现为似镜面波形，呈现尖峰状；且峰值能量非常大；第IV类为陆地波形：不属于上述第I类～第III类的剩余波形均为第IV类；此种波形非常复杂；以中国近海为例，Envisat近岸海域测高波形被分为四类，分类准则如下：第I类为海洋波形：波形前沿数为1，波形前沿宽度W>60个采样，波形有效重心COG介于70到75之间，振幅A<450，波形峰值能量PP<600；此波形遵循Brown模型且仅有一个波形上升沿；第II类为多峰波形：波形前沿数≥2，波形有效重心COG>75；或50<COG<75，且W<50；此波形具有多个上升沿；第III类为近岸波形：波形前沿数为1，波形有效重心COG<70，波形峰值能量PP＞600；该波形表现为似镜面波形，呈现尖峰状；且峰值能量非常大；第IV类为陆地波形：不属于上述第I类～第III类的剩余波形均为第IV类；此种波形非常复杂；(3)最佳波形重定算法的选取当卫星高度计星下点离岸距离大于50km时Ocean算法的精度最高。但随着高度计地面轨迹逐渐靠近陆地，Ocean算法能提供的有效结果的精度及百分比迅速下降。当高度计地面轨迹非常接近陆地时(小于10km)，Ocean算法就无法提供有效结果。Threshold算法与OCOG算法计算简便，在近岸海域都能够取得较好的重定效果。Envisat近岸海域测高波形被分为4类，每一类均采用相应的最佳重定算法进行处理。第I类为海洋波形，遵循Brown模型且仅有一个可辨别的波形上升沿，采用Ocean算法进行波形重定；第II类为多峰波形，波形有多个上升沿；第III类为似镜面波形，呈现尖峰状，且波形峰值能量非常大；第IV类为陆地波形，对此类波形不予重定，直接舍弃。采用稳态海面地形与时变海面地形的标准差作为最佳波形重定算法的选取指标；重定海面高与大地水准面高之间的差值包括：稳态海面地形和时变海面地形；所述稳态海面地形包括中长波分量；所述时变海面地形(高频噪声)反映重定海面高的粗糙度；所述稳态海面地形的精度是利用大地水准面高与重定海面高每秒均值的差值来评价；所述时变海面地形的精度通过波形重定海面高与其每秒平均值之间的差值来评价；经过粗差剔除后，分别计算不同重定算法重定海面高中稳态海面地形的标准差SSTSD与时变海面地形的标准差NoiseSD，选取稳态海面地形的标准差SSTSD、时变海面地形的标准差NoiseSD中最小时对应的重定算法作为最佳波形重定算法。选取中国近海某区域Envisat测高波形分类后的第II类波形，分别采用Ocean算法、Beta-5算法、OCOG算法、Threshold算法(阈值水平选取50％)、Ocean算法进行波形重定分析，经过粗差剔除后，分别计算不同重定算法重定后的稳态海面地形与时变海面地形的标准差，如表1所示。表1中第2列为不同重定算法重定海面高中稳态海面地形的标准差(SSTSD)，第3列为重定海面高中时变海面地形(高频噪声)的标准差(NoiseSD)。从表1中可以看出，Threshold算法的标准差较小，表现较为稳定，说明该算法是最适合第II类波形(多峰波形)的重定算法。表1中国近海某区域Envisat测高波形分类后第II类波形重定效果对比其中Ocean算法、Beta-5参数算法为严格的数学模型，利用标准数学模型去拟合实际波形，通过迭代计算解算参数。OCOG算法、Threshold算法属于统计方法，没有顾及波形形状及其物理意义，几乎能够成功解算所有类型的波形，但是精度得不到保证。这4种方法均为常用的重定算法，可参阅相关文献。综上：针对第I类海洋波形，采用Ocean算法进行重定处理；针对第II类多峰波形，采用Threshold算法进行重定处理；针对第III类似镜面波形，采用OCOG算法进行重定处理；针对第IV类陆地波形，不予重定，直接舍弃。经过波形重定后，即可确定出实际波形前缘中点的位置；根据波形预设的前缘中点的位置，计算出波形重定距离改正dr：dr＝△R·(Gr-G0)上式中，△R是测高波形相邻两个阀门所对应的距离，Envisat卫星为0.4684m；Gr为波形重定后的前缘中点位置；G0为波形预设的前缘中点的位置，Envisat卫星为46.5。利用波形重定后的距离改正量dr对GDR记录中的观测海面高H进行改正，即可得到重定后的海面高Hret，再根据对应的距离改正、地球物理改正计算最终的海面高Hfin。