一种星载高度计探测边缘海有效波高的方法及装置

本发明涉及海洋遥感，尤其是一种星载高度计探测边缘海有效波高的方法及装置。

背景技术：

1、有效波高（significant wave heigh，swh）是表征海浪的关键参数，对海况监测，海洋动力研究有着至关重要的意义。卫星雷达高度计是测量海面信息的主要工具，雷达高度计向天底点发射微波脉冲信号，通过跟踪处理海面反射的能量得到海面的回波波形。在开阔大洋上，由于反射面变化小，回波波形几乎相同，为海洋波形，可由brown-hayne模型表示，回波波形的前缘是反演有效波高的直接来源，可以直接使用波形重跟踪方法进行反演。目前的大多数算法都是通过简化或改进原始的brown-hayne模型，对原始波形进行拟合，反演得到swh。如mle4，ice-2，ales,自适应算法等。在边缘海（非开阔海域），如近海，冰盖边缘等区域，海洋波形受陆地，海冰影响，波形会产生较大的噪声，但又包含海面信息。这类波形呈现出非brown模型的形态，通常无法进行传统的重跟踪方法。

2、目前，对于星载雷达高度计探测到的边缘海波形处理方法，都是先进行波形分类，将边缘海波形挑出，再针对边缘海波形进行一些处理，然后进行重跟踪反演出有效波高；其中，重跟踪方法大都基于模型，需要用给定的回波模型对实际的回波波形进行拟合，并且需要选择合适的参数估计方法以求出波形参数，由于进行了迭代计算，拟合结果的精度虽然有所提升，但计算速度比较慢，对于比较复杂的波形形态（如冰盖边缘区域），经常拟合失败；而基于经验的算法没有明确的物理意义，不需要进行迭代计算，计算速度比较快，但对于复杂形态的波形得出结果精度比较低；例如：目前市面上公认探测回波波形有效波高准确度较高的swim l2产品，其采用重跟踪方法进行海面回波波形有效波高的拟合，相比era5再分析数据集中的回波波形有效波高，均方根误差在1.83/m左右，可见swiml2产品的探测精度仍有待提高。

3、鉴于此，亟需设计一种更加先进的用于星载高度计探测边缘海有效波高的方法，以解决现有技术中星载雷达高度计探测边缘海波形的有效波高精度差的问题。

技术实现思路

1、本发明目的在于提供一种星载高度计探测边缘海有效波高的方法及装置，利用预先构建的回波波形分类模型及有效波高反演模型，首先基于回波波形分类模型确定星载高度计采集的星下点回波波形数据的波形分类，得到边缘海回波波形，进一步计算得到边缘海回波波形的目标特征参数，最后基于目标特征参数，利用有效波高反演模型确定边缘海回波波形的有效波高；从而实现了利用星载高度计高效探测边缘海的有效波高，提升了对边缘海有效波高的探测效率及探测精度；解决了现有技术中的星载高度计探测边缘海有效波高精度差的问题。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种星载高度计探测边缘海有效波高的方法，可以包括：

4、获取星载高度计采集的星下点回波波形数据；

5、利用回波波形分类模型，确定所述星载高度计采集的星下点回波波形数据中各个回波波形的波形类别，得到第一回波波形分类库；所述回波波形分类模型是基于swim波谱仪采集的星下点回波波形数据构建得到的；

6、从所述第一回波波形分类库中获取第一边缘海回波波形；

7、利用预设的波形特征参数确定策略，确定所述第一边缘海回波波形的目标特征参数；所述目标特征参数至少包括一般参数、ocog算法参数以及ice2算法参数；

8、基于所述目标特征参数，利用训练完成的有效波高反演模型，确定所述第一边缘海回波波形的有效波高；所述有效波高反演模型是基于swim波谱仪采集的星下点回波波形数据与era5再分析数据集中的波高数据构建得到的。

9、优选的，所述回波波形分类模型可以是基于以下步骤构建的：

10、从swim波谱仪产品数据库中获取swim波谱仪采集的星下点回波波形数据；

11、基于所述swim波谱仪采集的星下点回波波形数据的波形几何特征，对所述swim波谱仪采集的星下点回波波形数据进行分类处理，得到第二回波波形分类库；

12、利用预设的波形特征参数确定策略，确定所述第二回波波形分类库中各个类别的回波波形对应的多个特征参数；多个所述特征参数至少包括一般参数、ocog算法参数以及ice2算法参数；

13、以多个所述特征参数为输入，以与多个所述特征参数对应的回波波形类别为输出，进行模型训练，直至模型预测结果符合预设收敛条件为止，得到所述回波波形分类模型。

14、优选的，进行模型训练的神经网络模型可以包括输出层、隐藏层及输出层；其中，所述隐藏层包括三层隐藏层，第一层隐藏层包括32个神经元，第二层隐藏层包括16个神经元，第三层隐藏层包括8个神经元。

15、优选的，所述有效波高反演模型可以是基于以下步骤构建的：

16、从所述第二回波波形分类库中获取第二边缘海回波波形；

17、根据所述第二边缘海回波波形，从era5再分析数据集中获取与所述第二边缘海回波波形地理时空相同的目标波高数据；

18、以所述第二边缘海回波波形的特征参数为输入，以所述目标波高数据为输出，进行模型训练，直至模型预测结果符合预设收敛条件为止，得到所述有效波高反演模型。

19、优选的，所述利用预设的波形特征参数确定策略，确定所述第一边缘海回波波形的目标特征参数，可以包括采用公式：

20、；

21、拟合回波波形计算ice2算法参数；其中，为ice2算法模型、为误差函数、为波形的振幅、为热噪声影响、l为波形前缘斜率、为前缘中点、为前缘上升时间、为波形数据对应的采样门个数。

22、优选的，所述利用预设的波形特征参数确定策略，确定所述第一边缘海回波波形的目标特征参数，可以包括采用公式：

23、；

24、计算得到所述第一边缘海回波波形的峰度；其中，为峰度、n为波形数据采样门个数，为归一化后的波形数据、为均值、为标准差。

25、优选的，所述利用预设的波形特征参数确定策略，确定所述第一边缘海回波波形的目标特征参数，可以包括采用公式：

26、；

27、计算得到所述第一边缘海回波波形的高度；其中，为高度、n为波形数据采样门个数，为归一化后的波形数据。

28、优选的，所述一般参数可以包括均值、标准差、偏度、峰度及脉冲峰值；所述ocog算法参数可以包括高度、宽度、重心及半功率点；所述ice2算法参数可以包括波形前缘斜率和前缘上升时间。

29、优选的，所述回波波形分类模型的输入层的输入为星下点回波波形数据，输出层的输出为带有类别标识的回波波形；所述有效波高反演模型的输入层的输入为边缘海回波波形的特征参数，输出层的输出为波高。

30、第二方面，本发明提供一种星载高度计探测边缘海有效波高的装置，可以包括：

31、波形数据获取模块，所述波形数据获取模块用于获取星载高度计采集的星下点回波波形数据；

32、波形分类模块，所述波形分类模块用于利用回波波形分类模型，确定所述星载高度计采集的星下点回波波形数据中各个回波波形的波形类别，得到第一回波波形分类库；所述回波波形分类模型是基于swim波谱仪采集的星下点回波波形数据构建得到的；

33、边缘海波形获取模块，所述边缘海波形获取模块用于从所述第一回波波形分类库中获取第一边缘海回波波形；

34、特征参数确定模块，所述特征参数确定模块用于利用预设的波形特征参数确定策略，确定所述第一边缘海回波波形的目标特征参数；所述目标特征参数至少包括一般参数、ocog算法参数以及ice2算法参数；

35、有效波高确定模块，所述有效波高确定模块用于基于所述目标特征参数，利用训练完成的有效波高反演模型，确定所述第一边缘海回波波形的有效波高；所述有效波高反演模型是基于swim波谱仪采集的星下点回波波形数据与era5再分析数据集中的波高数据构建得到的。

36、与现有技术相比，本发明提供的一种星载高度计探测边缘海有效波高的方法，通过获取星载高度计采集的星下点回波波形数据；利用回波波形分类模型，确定星载高度计采集的星下点回波波形数据中各个回波波形的波形类别，得到第一回波波形分类库；其中，回波波形分类模型是基于swim波谱仪采集的星下点回波波形数据构建得到的；从第一回波波形分类库中获取第一边缘海回波波形；利用预设的波形特征参数确定策略，确定第一边缘海回波波形的目标特征参数；目标特征参数至少包括一般参数、ocog算法参数以及ice2算法参数；最后基于目标特征参数，利用训练完成的有效波高反演模型，确定第一边缘海回波波形的有效波高；其中，有效波高反演模型是基于swim波谱仪采集的星下点回波波形数据与era5再分析数据集中的波高数据构建得到的；基于此，可以直接利用回波波形分类模型对星载雷达高度计的原始回波波形进行精细化分类，进一步直接利用有效波高反演模型对边缘海波形的有效波高进行高效的反演，不需要再采用给定的回波模型对实际的回波波形进行拟合后求解波形参数，避免了拟合失败；将采用本发明提供的方法得到的有效波高与era5再分析数据集中的有效波高相比，得到均方根误差为0.46/m，可见，本发明提供的方法大大提升了星载雷达高度计对边缘海有效波高的探测精度。