一种内陆水面高程测量方法

本发明涉及地球科学研究服务领域，特别是涉及一种内陆水面高程测量方法。

背景技术：

1、水面高程是最基本的水文参数之一，是水动力特征、径流量模拟以及极端气象条件预测等各种研究的基础。近年来，随着遥感对地观测技术的迅猛发展与遥感大数据技术的日趋成熟，全球遥感对地观测数据量已呈现出爆炸式增长的态势，卫星雷达测高作为遥感对地观测数据的重要组成部分，目前已成为监测河流、湖泊和水库变化的补充工具。由于雷达测高技术发展较快，一些技术上的缺乏也影响着测高数据质量。如雷达测高中的闭环跟踪模式（closed-loop tracking command，简称cltc）和开环跟踪模式（open-looptracking command，简称oltc）是两种不同的工作方式。

2、oltc模式是指在雷达测高任务中，跟踪窗口的位置和参数是预先设定好的，并且在整个任务过程中保持不变。oltc模式可以提高任务的效率和处理能力，同时在一些应用中也可以满足一定的测高精度要求。大大提高了新一代雷达测高探测内陆水体信息的能力。但是，oltc模式下窗口位置固定，无法根据实际反射回波信号进行调整，因此其测量精度可能受到多种因素的影响，如地形变化、波浪干扰、杂散信号等。以新一代雷达测高任务sentinel-3为例，其机载的dem版本主要基于基于gswe、测高校正高程（altimetercorrected elevations，简称ace-2）、srtm（shuttle radar topography mission，简称srtm）和水文网络数据库（http://hydroweb.theia-land.fr/）生成。而这些参考高程数据库的源数据都是基于2005年以前收集的srtm雷达高程影像。2005年以后，全球范围内水电工程的兴建，水电大坝的建设，引起水库水位的波动，而当水库水位波动大于sentinel-3的范围窗口（默认宽度为60 m）时，sentinel-3将不能有效探测到水面水位信息。因此，2005年以后建造的许多水库的雷达测高星载先验海拔高度很可能是不正确的。

技术实现思路

1、基于上述问题的存在，本技术提供一种内陆水面高程测量方法，以增强雷达测高卫星对内陆水体测量的准确性以及扩大其测量范围，消除传统先验高程无法准确代表实际水面高度的问题，提高测高数据的准确性和可靠性，具体的技术方案是：

2、一种内陆水面高程测量方法，包括：

3、在oltc模式下，基于sentinel-3利用level-1b级数据提取水面高程，根据所述水面高程建立时间序列；

4、根据所述时间序列，对oltc先验高程的正确性进行评估；

5、筛选出所有oltc先验高程存在错误的水文目标，基于测高任务需求确定对应的更新oltc方案对所述oltc先验高程进行更新获得更新的oltc先验高程，所述更新oltc方案包括：基于闭环模式更新、基于最新dem更新、基于其他多源测高更新和基于水利设施高度更新；

6、基于所述更新的oltc先验高程测量水面高程。

7、进一步的，所述基于闭环模式更新，包括：

8、在使用开环模式工作之前，sentinel-3a采用闭环模式运行，闭环模式发射信号确定水面位置，构建闭环模式下水位的时间序列，获取所述闭环模式下水位的时间序列平均波峰值减去设定值作为新的水文目标先验高程；

9、所述基于最新dem更新，包括：基于tandem-x的高程值减去大地水面准面的距离作为新的水文目标先验高程；

10、所述基于其他多源测高更新，包括：将其他多源卫星的卫星天线高程与重跟踪得到的卫星天线到水面的高度、不同大地水准面之间的差异、电离层延迟修正、对流层干湿延迟修正、极潮修正和固体潮修正的差的平均值作为新的水文目标先验高程；

11、基于水利设施高度更新，包括：将大坝建设前自然河床的高程与大坝的高度之和减去设定值作为新的水文目标先验高程。

12、进一步的，所述基于测高任务需求确定对应的更新oltc方案对所述oltc先验高程进行更新，包括：

13、对于年内水位波动小于60米的水体，基于闭环模式更新和基于最新dem更新；

14、对于有效测高数据的水体，基于其他多源测高更新；

15、对于有防洪需求的水体，基于水利设施高度更新。

16、进一步的，所述基于sentinel-3利用level-1b级数据提取水面高程，根据所述水面高程建立时间序列，包括：

17、判断所述level-1b级数据在目标区域是否可用；

18、如所述level-1b级数据在目标区域可用，利用level-1b级数据提取水面高程；

19、对卫星接收的回波波形进行校正，选取重跟踪方法对回波波形重跟踪；

20、剔除噪声波，重跟踪提取水位；

21、去除离异值并建立时间序列。

22、进一步的，判断所述level-1b级数据在目标区域是否可用，包括：

23、s1011：将目标区域与water occurrence map>x%的区域做交集，取得目标区域水体位置，将水体位置与sentinel-3轨道于地面的投影往两侧拓宽300m做交集，若出现交集，记录轨道编号并将交集处设为虚拟站点且进入步骤s1012，若没有交集，则选用sentinel-3level-1a级数据对采样bin进行放大以收集更大区域的回波数据然后重复本步骤；

24、s1012：交集出现后对水体水位年际变化进行判断，若变化范围小于60m，进入下一步骤，若变化范围大于60m，则判断是否只使用2019年3月以前的数据，若是，进入步骤s1013；若否，通过修改采样方式的方法获得更大探测范围；

25、s1013：对水体宽度进行判断，在water occurrence map>10%时，若水面宽度大于500m进行步骤s1014；

26、s1014：下载轨道数据，并对轨道数据进行裁剪。

27、进一步的，所述对卫星接收的回波波形进行校正，包括：

28、波形前缘矫正，将回波波形前缘统一到预设点，其中重跟踪点和预设跟踪点之间的距离 h t的公式为：

29、；

30、式子中 c t为重跟踪点， c 0为预设跟踪点， c为真空中的光速，为脉冲宽度。

31、进一步的，选取重跟踪方法对回波波形重跟踪，包括：

32、判断回波波形是否为单波峰形，若是，则基于全波形最大回波功率值，以隔间跟踪门功率差的标准差为起始阈值、相邻跟踪门功率差的标准差为结束阈值，提取水体反射子波，其计算公式为：

33、；

34、；

35、；

36、；

37、其中，是相邻跟踪门的功率差， 是隔间跟踪门的功率差， 为起始阈值。为结束阈值；

38、若不是，判断水体是否为内陆水体，若是，计算公式为：

39、；

40、；

41、；

42、其中，为热噪声水平；为阈值能量水平；为ocog振幅或回波最大振幅；为第个采样门回波功率；为第一个功率大于的采样门；

43、若不是，则判断研究区域离岸距离，若所述离岸距离在9km以内，计算公式为：

44、；

45、；

46、；

47、其中，为热噪声水平；为阈值能量水平；为阈值，50%适用于面散射回波，10%-20%适用于体散射回波；为ocog振幅或回波最大振幅；为第个采样门回波功率；为第一个功率大于的采样门，当时，将两者中点作为重跟踪点；

48、若所述离岸距离在9km以外，计算公式为：

49、；

50、；

51、其中，是经过顺轨向fft处理以后的信号，是延迟校正以后的结果，是多普勒频率单元的序号；是发射线性调频信号的中心频率，下标代表脉冲内采样，s是线性调频信号的调频率，是发射信号的时宽，是时域中频信号的采样率，是星上的跟踪高度，是光速，是脉冲重复频率prf，是卫星沿轨道速度，是地球曲率修正系数。

52、进一步的，所述剔除噪声波，包括：根据回波尖锐程度pp来剔除噪声以及不包含水体信息的波，计算公式是：

53、；

54、其中pmax为回波能量最大值，n为回波跟踪总数，sentinel-3 level-1b数据的值为128，当pp<1.5时，认为波形不蕴含需要的水面高程信息。

55、进一步的，所述重跟踪提取水位，包括：对水位进行物理环境修正以及大地水准面修正，修正后的水面海拔h为:

56、；

57、其中为卫星与参考椭球体的距离，为卫星到水面的距离；为式子（1）中重跟踪后的偏移量；为大地水准面修正；则是环境误差修正，包括电离层、干对流层、湿对流层、地球固体潮以及地球极潮的误差修正。

58、进一步的，所述去除离异值并建立时间序列，包括：

59、利用准则剔除离异值，计算公式是：

60、；

61、；

62、其中，为给定时间和地点通过回波识别到的海拔值，为该时间和地点条件下，水面海拔的中位数，为残差，为均方根误差，当时，保留，否则剔除；

63、利用方差剔除离异值，计算公式是：

64、；

65、；

66、其中，为系列水面高程的平均值，当方差小于1时，便是水面海拔高程；

67、建立时间序列，包括：将每个虚拟站点数据的波形提取之后，基于每次过境水面采样点的波形，依据以下的函数进行波形重构：

68、；

69、；

70、；

71、；

72、其中，是重构后波形，矩阵大小为[1，128]，是原始各水面采样点波形组合，矩阵大小为[n，1，128]，其中n为采样点的个数，peak是重构波形的波峰能量值。

73、本发明公开的一种内陆水面高程测量方法，通过基于测高任务需求确定对应的更新oltc方案对所述oltc先验高程进行更新，所述更新oltc方案包括：基于闭环模式更新、基于最新dem更新、基于其他多源测高更新和基于水利设施高度更新。可以实现新一代雷达测高任务在新建水库中获得更精确的测量结果。通过更新oltc先验高程，可以消除传统先验高程无法准确代表实际水面高度的问题，提高测高数据的准确性和可靠性。