趙 健，沈云中

（1.同濟(jì)大學(xué) 測繪與地理信息學(xué)院，上海200092；2.中國石油大學(xué)（華東）地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島266580；3.同濟(jì)大學(xué) 空間信息科學(xué)及可持續(xù)發(fā)展應(yīng)用中心，上海200092）

衛(wèi)星測高技術(shù)能在全球范圍內(nèi)準(zhǔn)確提供星下點(diǎn)瞬時(shí)平均海平面高度的觀測值，在深海區(qū)域測得海面高（SSH）的精度可以達(dá)到±2～3cm.自1992年以來先后有T／P，ERS－1／2，GFO，Envisat，Jason－1／2等測高衛(wèi)星曾經(jīng)或仍然投入運(yùn)行中，其觀測數(shù)據(jù)被廣泛應(yīng)用于海平面變化、地球重力場、海底地形、海洋環(huán)流等方面的研究［1］.

目前衛(wèi)星測高主要應(yīng)用于深海區(qū)域，根據(jù)衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制條件，離岸約20km 以內(nèi)的近岸海域大部分?jǐn)?shù)據(jù)因質(zhì)量太差均被刪除，導(dǎo)致近海測高數(shù)據(jù)不可用，但衛(wèi)星測高在近岸海域的測量數(shù)據(jù)包含了大量有價(jià)值的信息.由于認(rèn)識(shí)到近岸海域衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)的重要性，目前歐空局（ESA）的COASTALT 項(xiàng)目和法國宇航局（CNES）的PISTACH 項(xiàng)目正在進(jìn)行中，旨在通過區(qū)域性的潮汐和大氣逆壓模型以及多顆衛(wèi)星的軌道校正，研究和建立適用于近海的衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)處理方法，重新處理以往測高衛(wèi)星在近海的歷史數(shù)據(jù)，生成新的數(shù)據(jù)產(chǎn)品［2］.

Envisat是ESA 于2002 年3 月 發(fā) 射 的 太 陽 同步衛(wèi)星，為ERS－1／2的后續(xù)衛(wèi)星，其主要載荷之一為高度計(jì)RA2，軌道高度800km，軌道傾角98°，重復(fù)周期約35d，測量頻率為Ku波段和S波段，在赤道上相鄰軌道間隔約80km，18Hz測高波形數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)地面軌跡采樣點(diǎn)間距約為400m［3］.

1 波形重構(gòu)算法

深海衛(wèi)星測高回波波形遵循Brown海洋模型，因此可獲得高精度的測高距離.近岸海域測高回波波形由于受陸地回波的污染，無法精確提供衛(wèi)星與星下點(diǎn)之間的距離，影響到離岸約20km 的范圍；而且近海的大氣濕對(duì)流層校正、海洋潮汐校正及大氣高頻因數(shù)校正等校正量不準(zhǔn)確，由此求得的距離包含較大的誤差，甚至錯(cuò)誤［4］.為了得到精確的測高距離觀測值，必須對(duì)高度計(jì)原始波形數(shù)據(jù)重新處理，確定波形前緣中點(diǎn)的位置，對(duì)地球物理數(shù)據(jù)記錄（GDR）中給出的衛(wèi)星到海面的距離進(jìn)行改正，該過程稱為波形重構(gòu)［5］.

近年來國內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)波形重構(gòu)算法進(jìn)行了大量研究.鮑李峰等［1］、楊樂等［4］分別利用Beta－5算法和重心偏移（OCOG）算法等對(duì)中國南海區(qū)域T／P和Jason－1衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)進(jìn)行波形重構(gòu)處理，用于近海海平面變化的研究.郭 金 運(yùn)等［5－7］和Hwang等［8－9］提出了多子波參數(shù)重構(gòu)算法，并對(duì)閾值（Threshold）算法進(jìn)行改進(jìn)，通過從有多個(gè)上升沿的回波中提取出子波形，再確定出與大地水準(zhǔn)面模型最合適的海面高結(jié)果.

Envisat高度計(jì)RA2 發(fā)布的測高數(shù)據(jù)產(chǎn)品中SGDR 為傳感器數(shù)據(jù)，它除了GDR 數(shù)據(jù)外，還包含離散傅里葉變換和快速傅里葉變換算法分別處理得到的18Hz波形數(shù)據(jù).GDR 數(shù)據(jù)中不僅包含常規(guī)數(shù)據(jù)，還包 含 了Envisat利 用Ice－1，Ice－2，Sea－ice 和Ocean1等四種波形重構(gòu)算法改正后的海面高，但沒有給出四種結(jié)果的比較說明以及在非遠(yuǎn)海表面上測高結(jié)果的選取標(biāo)準(zhǔn).Ice－1和Ice－2算法主要是針對(duì)冰面進(jìn)行波形重構(gòu)，Sea－ice算法針對(duì)海冰面回波進(jìn)行波形重構(gòu)，Ocean1算法是針對(duì)海洋面回波進(jìn)行波形重構(gòu)［5］.

為改善近海的衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)質(zhì)量，本文對(duì)Envisat在海南近海的18 Hz測高波形數(shù)據(jù)采用Ocean1，Threshold，OCOG 和Beta－5參數(shù)擬合等算法進(jìn)行重構(gòu)分析，其中Threshold算法采用多個(gè)不同閾值進(jìn)行對(duì)比.除常規(guī)的改善程度（IMP）值外，還利用重構(gòu)后海面高中穩(wěn)態(tài)海面地形及時(shí)變海面地形（高頻噪聲）的標(biāo)準(zhǔn)差等指標(biāo)對(duì)重構(gòu)海面高質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，選取適合海南近海的波形重構(gòu)算法；對(duì)研究區(qū)域的交叉點(diǎn)處重構(gòu)后海面高進(jìn)行比對(duì)，以驗(yàn)證重構(gòu)算法的有效性.

2 研究區(qū)域

海南位于中國最南端，是僅次于臺(tái)灣島的中國第二大島.其北隔瓊州海峽與廣東的雷州半島相望，西鄰北部灣與越南相對(duì)，東北鄰南海與臺(tái)灣省相對(duì)，東南和南部在南海中與菲律賓、文萊和馬來西亞為鄰，周圍還分布了包括南海諸島在內(nèi)的眾多島嶼、暗礁、暗沙.海南島海岸曲折，沿海的潮流主要受巴士海峽和巴林塘海峽傳入的太平洋潮波的影響，加上島嶼與島群地形的影響，使得潮流狀況較為復(fù)雜.潮流性質(zhì)、大小、方向及流動(dòng)方式，因時(shí)因地而異，強(qiáng)弱流區(qū)相間.整個(gè)岸段包括不正規(guī)半日潮、不正規(guī)全日潮和正規(guī)全日潮等三種潮流性質(zhì)，且兼有往復(fù)流和旋轉(zhuǎn)流等各種運(yùn)動(dòng)形式，漲落潮流歷時(shí)不等現(xiàn)象也很明顯.海南島沿岸潮差的基本特點(diǎn)是東部和南部潮差比較小，西部較大，西北部最大.

圖1 經(jīng)過研究區(qū)域的八條軌跡Fig.1 Eight passes of the study area

Envisat共有八條軌跡經(jīng)過海南島，分別為軌跡68，75，111，118，340，347，383，390，如 圖1 所 示.選取第20 周期的八條軌跡作為研究對(duì)象，其中軌跡68，111，340，383為升軌，經(jīng)由南海進(jìn)入海南，其余四條軌跡為降軌，由海南陸地進(jìn)入南海.八條軌跡在研究區(qū)域形成四個(gè)交叉點(diǎn)，編號(hào)為1～4.利用四種波形重構(gòu)算法對(duì)八條軌跡的18Hz測高回波波形進(jìn)行重構(gòu)研究，其中閾值算法的閾值分別采用了10%，20%，30%，50%，并將重構(gòu)結(jié)果與由EGM08模型計(jì)算得到的大地水準(zhǔn)面高進(jìn)行比對(duì)，通過計(jì)算IMP值（見式（1））、穩(wěn)態(tài)海面地形及時(shí)變海面地形（高頻噪聲）的標(biāo)準(zhǔn)差等評(píng)價(jià)指標(biāo)來判斷重構(gòu)結(jié)果的精度.考慮海南近海海況的復(fù)雜性，將重構(gòu)海面高中穩(wěn)態(tài)海面地形粗差超過±5m 及時(shí)變海面地形（高頻噪聲）粗差超過±1m 的數(shù)據(jù)剔除.

3 計(jì)算結(jié)果

為了評(píng)價(jià)不同重構(gòu)算法的重構(gòu)效果，重構(gòu)后海面高的改善程度可通過計(jì)算重構(gòu)前后的海面高與大地水準(zhǔn)面高差值的標(biāo)準(zhǔn)差，即IMP值進(jìn)行評(píng)價(jià).IMP值的計(jì)算公式為［8－9］

式中：δraw為重構(gòu)前海面高與大地水準(zhǔn)面高差值的標(biāo)準(zhǔn)差，δretracked為重構(gòu)后海面高與大地水準(zhǔn)面高差值的標(biāo)準(zhǔn)差.若IMP 為負(fù)值，表明波形重構(gòu)后海面高比重構(gòu)前海面高的精度低.

表1給出了研究區(qū)域八條軌跡不同算法計(jì)算得到的海面高與EGM08大地水準(zhǔn)面高差值的標(biāo)準(zhǔn)差（SD）及對(duì)應(yīng)的IMP 值.其中，Ocean 算法結(jié)果由GDR 數(shù)據(jù)中重構(gòu)前海面高計(jì)算得到，Ocean1結(jié)果由SGDR 數(shù)據(jù)中Ocean1算法重構(gòu)后的18 Hz海面高計(jì)算得到.軌跡68計(jì)算范圍為17.0°N～19.3°N，軌跡75為17.0°N～19.5°N，軌跡111 為17.0°N～18.2°N，軌跡118 為17.00°N～18.07°N，軌跡340為17.0°N～18.6°N，軌跡347為17.0°N～18.3°N，軌跡383 為17.0°N～18.3°N，軌跡390 為17.00°N～18.95°N.

從表1中可以看到，研究區(qū)域中八條軌跡不同算法重構(gòu)海面高與EGM08大地水準(zhǔn)面高差值的標(biāo)準(zhǔn)差（SD）差別較大，其中OCOG 算法標(biāo)準(zhǔn)差最大，這主要是由于該算法使用了全部波形數(shù)據(jù)，當(dāng)波形位于海陸交匯處時(shí)，因?yàn)楹０兜匦巍⒌厍蛭锢憝h(huán)境等影響，波形中含有較大的噪聲.因此OCOG 算法一般用來為其他算法求定初始值.Beta－5 算法基于Brown平均脈沖反射模型，采樣適當(dāng)?shù)膮?shù)函數(shù)對(duì)測高波形進(jìn)行擬合，標(biāo)準(zhǔn)差較小，但在近岸海域測高回波波形較為復(fù)雜，導(dǎo)致該算法可能不收斂，重構(gòu)成功率相對(duì)偏低.Ocean1 算法的重構(gòu)效果較好，標(biāo)準(zhǔn)差比Beta－5算法要小，主要是因?yàn)樵撍惴ɑ诟倪M(jìn)的Hayne模型，適合對(duì)海洋面回波進(jìn)行重構(gòu)［3］.在OCOG 算法基礎(chǔ)上改進(jìn)得到的Threshold算法標(biāo)準(zhǔn)差最小，八條軌跡利用Threshold算法計(jì)算得到的IMP值均大于其他算法求得的IMP值，表明在研究區(qū)域該算法的重構(gòu)效果最好.這主要是因?yàn)門hreshold算法對(duì)星下點(diǎn)地形變化較為敏感，如果定好一個(gè)較為準(zhǔn)確的閾值，這種算法將獲得一個(gè)較好的波形前緣中點(diǎn).Deng［10］通過分析澳大利亞近海的衛(wèi)星測高波形，建議在離岸0～5km 內(nèi)，閾值因子采用30%；離岸超過5km，海洋回波是主要的波形，閾值因子采用50%.通過表1 中10%，20%，30%，50%四種閾值因子的計(jì)算結(jié)果比對(duì)，可以發(fā)現(xiàn)海南近岸海域測高波形重構(gòu)時(shí)Threshold算法的閾值因子采用50%效果較好.

表1 八條軌跡波形重構(gòu)結(jié)果對(duì)比表Tab.1 Statistics of waveform retracking of eight passes

除了IMP值外，還應(yīng)考慮波形重構(gòu)后海面高的平滑度，即相鄰點(diǎn)的海面高之間的差值要小，不能產(chǎn)生大的突變，應(yīng)保持良好的光滑性［10－11］.圖2～5 是分別選取八條軌跡中的111，118，340，390利用四種重構(gòu)算法重構(gòu)后海面高與EGM08大地水準(zhǔn)面高的比對(duì)，其中Threshold算法閾值為50%.從圖中可以看出，利用Threshold 50%算法重構(gòu)后的海面高最為平滑，且重構(gòu)后海面高與大地水準(zhǔn)面高更為相似，表明Threshold 50%算法是目前最適合該區(qū)域的重構(gòu)算法.

分析表1與圖2～5可以發(fā)現(xiàn)，不同軌跡利用波形重構(gòu)算法重構(gòu)后海面高改善程度不同，重構(gòu)前海面高的標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)重構(gòu)后的IMP值影響較大.四條降軌重構(gòu)后海面高的改善程度均好于相鄰的升軌，其中軌跡118波形重構(gòu)效果最明顯，重構(gòu)后的IMP值達(dá)到59.0%.四條升軌重構(gòu)前海面高標(biāo)準(zhǔn)差較小，此時(shí)測高波形多為海洋波形，未重構(gòu)的海面高精度較高，因此重構(gòu)后海面高改善效果不明顯.四條升軌中軌跡340的IMP 值最大，為32.0%.而四條降軌重構(gòu)前海面高標(biāo)準(zhǔn)差較大，此時(shí)測高波形多為似海洋波形，波形質(zhì)量較差，未重構(gòu)的海面高精度相對(duì)較低，重構(gòu)后海面高的改善效果更為明顯.除軌跡75之外，其余三條降軌重構(gòu)后IMP 值均在40%以上.需要注意的是，當(dāng)測高軌跡較短或研究區(qū)域較小時(shí)利用IMP值來評(píng)價(jià)重構(gòu)算法的改善程度效果較好.由于海面地形變化的影響，較長軌跡或較大研究區(qū)域重構(gòu)前海面高標(biāo)準(zhǔn)差可能會(huì)較大，但重構(gòu)前后海面高標(biāo)準(zhǔn)差的差值可能會(huì)隨著統(tǒng)計(jì)樣本的增加而減小，使得IMP 值反而會(huì)較小，導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果無法客觀反映重構(gòu)算法的改善情況.

重構(gòu)海面高與大地水準(zhǔn)面高之間的差值主要由兩部分組成：一部分為穩(wěn)態(tài)海面地形，主要為中長波分量；另一部分為時(shí)變海面地形（高頻噪聲），主要反映重構(gòu)海面高的粗糙度.穩(wěn)態(tài)海面地形的精度可利用大地水準(zhǔn)面高與重構(gòu)海面高每秒均值的差值來評(píng)價(jià)；時(shí)變海面地形的精度可通過18 Hz重構(gòu)海面高與其每秒平均值之間的差值來評(píng)價(jià)［12］.以軌跡68為例，經(jīng)過粗差剔除后，分別計(jì)算不同重構(gòu)算法重構(gòu)后的穩(wěn)態(tài)海面地形與時(shí)變海面地形的標(biāo)準(zhǔn)差，如表2所示.表2中第二列為不同重構(gòu)算法重構(gòu)海面高中穩(wěn)態(tài)海面地形的標(biāo)準(zhǔn)差（SST SD），第三列為重構(gòu)海面高中時(shí)變海面地形（高頻噪聲）的標(biāo)準(zhǔn)差（Noise SD）.將研究區(qū)域八條軌跡重構(gòu)海面高整體分析，考慮到海面地形的復(fù)雜性，在此僅計(jì)算不同重構(gòu)算法重構(gòu)后海面高中時(shí)變海面地形的標(biāo)準(zhǔn)差，結(jié)果如表3所示.從表2和表3中可以看出，無論是單條軌跡還是整個(gè)區(qū)域，Threshold 50%算法的標(biāo)準(zhǔn)差均較小，表現(xiàn)較為穩(wěn)定，說明該算法是最適合該區(qū)域的重構(gòu)算法.

表2 軌跡68重構(gòu)算法效果對(duì)比Tab.2 Comparison of retrackers of Pass 68

表3 研究區(qū)域重構(gòu)算法效果對(duì)比Tab.3 Performance of retrackers in the test regions

研究區(qū)域內(nèi)四條升軌與四條降軌形成四個(gè)交叉點(diǎn)，利用最為穩(wěn)定的Threshold 50%算法、Ocean1算法分別計(jì)算升降軌在交叉點(diǎn)處的重構(gòu)海面高，結(jié)果如表4所示.從表4中可以看到，同一交叉點(diǎn)處升降軌重構(gòu)海面高結(jié)果非常一致，不符值為1～3cm.交叉點(diǎn)海面高計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了重構(gòu)算法的有效性，說明在近岸海域進(jìn)行波形重構(gòu)是非常必要的，可顯著提高衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)的精度和可用數(shù)據(jù)量.

表4 研究區(qū)域四個(gè)交叉點(diǎn)海面高計(jì)算結(jié)果（第20周期）Tab.4 Retracked SSH of the 4crossover points in the study area（the 20th cycle）

4 結(jié)語

本文以海南近岸海域?yàn)槔肙cean1，Threshold，OCOG，Beta－5 等 波 形 重 構(gòu) 算 法 對(duì)Envisat的18Hz測高波形數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)研究，并對(duì)重構(gòu)后海面高質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià).由于海南周邊海域復(fù)雜的海況及水深變化，該區(qū)域的研究結(jié)果對(duì)近岸海域的波形重構(gòu)提供了有價(jià)值的參考.采用合適的波形重構(gòu)算法能夠大大提高近海測高海面高數(shù)據(jù)質(zhì)量，Threshold 50%算法在研究區(qū)域的八條軌跡均取得較好的重構(gòu)效果，重構(gòu)后IMP 值最大可達(dá)59.0%，重構(gòu)后海面高也更為光滑.重構(gòu)后海面高中時(shí)變海面地形的標(biāo)準(zhǔn)差較小，交叉點(diǎn)處海面高的不符值也較小.今后應(yīng)通過波形分類、重構(gòu)算法改進(jìn)等方法對(duì)近岸海域測高波形進(jìn)行研究，并采用更為準(zhǔn)確的濕對(duì)流層校正、潮汐校正等地球物理改正模型，進(jìn)一步改善近岸海域衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)質(zhì)量，提高近岸衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)的利用率.

［1］ 鮑李峰，陸洋，許厚澤.淺海區(qū)域Topex／Poseidon 測高衛(wèi)星數(shù)據(jù)波形重構(gòu)方法［J］.地球物理學(xué)報(bào)，2004，47（2）：216.BAO Lifeng，LU Yang，XU Houze.Waveform retracking of Topex／Poseidon altimeter in Chinese offshore ［J］.Chinese Journal of Geophysics，2004，47（2）：216.

［2］ CNES.Coastal and hydrology altimetry product（PISTACH）handbook（Issue 1.0）［M］.Paris：CNES，2010.

［3］ European Space Agency（ESA）.Envisat RA2／MWR product

handbook（Issue 2.1）［M］.Paris：ESA，2006.

［4］ 楊樂，林明森，張有廣，等.中國近岸海域高度計(jì)JASON－1測量數(shù)據(jù)的波形重構(gòu)算法研究［J］.海洋學(xué)報(bào)，2010，32（6）：91.YANG Le，LIN Mingsen， ZHANG Youguang，et al.Improving the quality of JASON－1 altimetry data by waveform retracking in coastal waters off China［J］.ActaOceanologica Sinica，2010，32（6）：91.

［5］ 郭金運(yùn)，高永剛，常曉濤，等.近岸海域ENVISAT 衛(wèi)星測高波形重定的Threshold 優(yōu)化算法［J］.地球物理學(xué)報(bào)，2010，53（4）：807.GUO Jinyun，GAO Yonggang，CHANG Xiaotao，et al.Optimal threshold algorithm of ENVISAT waveform retracking over coastal sea［J］.Chinese Journal of Geophysics，2010，53（4）：807.

［6］ 常曉濤，李建成，郭金運(yùn)，等.一種多前緣多閾值的波形重構(gòu)算法［J］.地球物理學(xué)報(bào)，2006，49（6）：1629.CHANG Xiaotao，LI Jiancheng，GUO Jinyun，et al.A multileading edge and multi－threshold waveform retracker ［J］.Chinese Journal of Geophysics.2006，49（6）：1629.

［7］ GUO J Y，GAO Y G，HWANG C W，et al.A multisubwaveform parametric retracker of the radar satellite altimetric waveform and recovery of gravity anomalies over coastal oceans［J］.Science China Earth Sciences，2010，53：610.

［8］ HWANG C，GUO J Y，DENG X L，et al.Coastal gravity anomalies from retracked geosat／GM altimetry：improvement，limitation and the role of airborne gravity data［J］.Journal of Geodesy，2006，80：204.

［9］ GUO J Y，HWANG C W，CHANG X T，et al.Improved threshold retracker for satellite altimeter waveform retracking over coastal sea［J］.Progress in Natural Science，2006，16：732.

［10］ DENG X L.Improvement of geodetic parameter estimation in coastal regions from satellite radar altimetry［D］.Perth：Curtin University of Technology，2004.

［11］ DENG X L，F(xiàn)EATHERSTONE W，HWANG C W，et al.Estimation of contamination of ERS－2 and poseidon satellite radar altimetry close to the coasts of australia［J］.Marine Geodesy，2002，25（1）：249.

［12］ BAO L F，LU Y，WANG Y.Improved retracking algorithm for oceanic altimeter waveforms ［J］.Progress in Natural Science，2009，19：195.