李 靜吉淵明岳建平彭剛躍宋亞宏

（1.河海大學地球科學與工程學院，江蘇南京 210098；2.浙江省測繪科學技術(shù)研究院，浙江杭州 310012）

基于衛(wèi)星測高技術(shù)的浙江近海平均海面高模型建立

李 靜1，吉淵明2，岳建平1，彭剛躍1，宋亞宏1

（1.河海大學地球科學與工程學院，江蘇南京 210098；2.浙江省測繪科學技術(shù)研究院，浙江杭州 310012）

利用Jason?2衛(wèi)星與SARAL／AltiKa衛(wèi)星的Waveform數(shù)據(jù)，研究一種新的測高數(shù)據(jù)粗差剔除方法，即剔除不在預定軌跡的海面高后，參考擬合各Pass每個Cycle的海面高值，對測高數(shù)據(jù)分段剔除粗差，以提高近海衛(wèi)星數(shù)據(jù)的可用性；經(jīng)過交叉點平差，進一步削弱徑向軌道誤差和海平面時變信號；采用“移去?恢復”法得到較高精度的離散海面高；采用徑向基函數(shù)法格網(wǎng)化離散海面高，建立2.5′×2.5′格網(wǎng)分辨率的平均海面高模型；將所得模型與驗潮站提供的海面高比較，均方根為±0.017m，與MSS?CNES?CLS11比較，標準差為±0.070 m。研究結(jié)果表明，采用本文方法建立的浙江近海平均海面高模型精度可靠。

衛(wèi)星測高技術(shù)；粗差剔除；浙江近海；平均海面高模型；Jason?2衛(wèi)星；SARAL／AltiKa衛(wèi)星

平均海面的確定是大地測量學和物理海洋學研究的重要內(nèi)容。相對于參考橢球，平均海面由大地水準面和海面地形兩部分組成，因而可以用來研究海域大地水準面、地球形狀、重力場模型等問題［1］。衛(wèi)星測高技術(shù)以其所能提供豐富海面高信息的特點，在平均海面的研究中被廣大學者所采用［2?5］。在開闊的深海區(qū)域，衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)受陸地、島嶼、水底地形起伏、地球物理和硬件響應等因素影響小，而當衛(wèi)星地面軌跡靠近海岸時，其受陸地、海底、地球物理因素等影響，導致測高數(shù)據(jù)含有較大的噪聲。如何處理近海測高衛(wèi)星數(shù)據(jù)，成為計算高精度、高分辨率平均海面高模型的關鍵技術(shù)。

針對近海區(qū)域，一些研究者結(jié)合驗潮站數(shù)據(jù)與全球平均海面高模型進行“移去?恢復”，本文利用Jason?2衛(wèi)星與SARAL／AltiKa衛(wèi)星的Waveform數(shù)據(jù)，根據(jù)浙江近海的測高數(shù)據(jù)特點，采用一種新的數(shù)據(jù)剔除方法，結(jié)合驗潮站數(shù)據(jù)，研究建立浙江近海平均海面高模型。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

1.1 浙江海域概況

浙江海岸線總長6400余km，居中國海岸線長省份首位。浙江海域面積26萬km2，有沿海島嶼3000余個。面積大于500m2的海島有3061個，是中國島嶼最多的省份。該區(qū)域岸長水深，可建萬噸級以上泊位的深水岸線達290.4km（占全國數(shù)量的1／3以上），可建10萬噸級以上泊位的深水岸線達105.8 km［6］。本文以領海基線為界，將向內(nèi)一側(cè)的水域視為近海研究區(qū)域。

1.2 測高數(shù)據(jù)

采用AVISO發(fā)布的Waveform數(shù)據(jù)進行計算，目前，該數(shù)據(jù)產(chǎn)品已具有較好的數(shù)據(jù)質(zhì)量。Jason?2衛(wèi)星重復周期約10d，每運行一個周期為一個Cycle，每個Cycle中包含254個Pass文件，文件中包含了衛(wèi)星高度、測距、對流層改正、電離層改正、后向散射系數(shù)及風速等數(shù)據(jù)項［7?8］。Jason?2衛(wèi)星的Pass62及Pass240弧段經(jīng)過了研究區(qū)，選擇數(shù)據(jù)自2009年3月至2014年3月。SARAL／AltiKa是印度空間研究組織和法國國家太空研究中心共同合作、于2013年2月發(fā)射的用于海洋測量任務的衛(wèi)星，該衛(wèi)星重復周期為35d，每個Cycle中包含1002個Pass文件，同樣包含衛(wèi)星高度、測距、對流層改正、電離層改正、后向散射系數(shù)及風速等數(shù)據(jù)項［9］。SARAL衛(wèi)星的Pass92、Pass178、Pass277、Pass363、Pass636、Pass735、Pass821及Pass907弧段經(jīng)過研究區(qū)，對Jason?2衛(wèi)星的地面軌跡起到了很好的補充作用，選擇數(shù)據(jù)自2013年3月至2014年3月。為了在共線平均處理中能夠更好地消除海平面變化信號，所選數(shù)據(jù)均為周年數(shù)據(jù)。衛(wèi)星數(shù)據(jù)與驗潮站數(shù)據(jù)分布合理，可滿足計算要求。

2 數(shù)據(jù)分析及處理

2.1 數(shù)據(jù)分析

測高數(shù)據(jù)已進行包括濕對流層改正、干對流層改正、電離層改正、固體潮改正、極潮改正、海況改正、海潮改正、逆氣壓改正、風速改正等多項預處理。以SARAL衛(wèi)星Pass277的Cycle2為例進行分析，圖1為經(jīng)過預處理的經(jīng)度與海面高，圖2為經(jīng)過預處理的經(jīng)度與緯度。

由圖1可見，數(shù)據(jù)有隔斷現(xiàn)象，產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因是近海區(qū)域有島礁，衛(wèi)星經(jīng)過島礁與經(jīng)過水域的數(shù)據(jù)編輯標準不同，本文提取的是水域數(shù)據(jù)，故產(chǎn)生不連續(xù)現(xiàn)象。圖3中的海面高有明顯粗差，產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因是數(shù)據(jù)受陸地回波污染，這也與數(shù)據(jù)隔斷處存在粗差相吻合。由于本研究區(qū)域范圍較小，衛(wèi)星在該區(qū)域的地面軌跡可視為直線，由圖2可見，衛(wèi)星地面軌跡存在偏差。

2.2 粗差剔除

基于以上分析，本文研究一種粗差剔除方法，以提高近海區(qū)域衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)的可用性。由于所涉及研究區(qū)域較小，衛(wèi)星在該區(qū)域的地面軌跡可視為直線。對測高數(shù)據(jù)經(jīng)緯度進行最小二乘擬合，剔除偏離擬合軌跡一定距離的點，結(jié)果如圖3所示。

近海區(qū)域平均海面變化較為平緩，首先對1個Cycle的經(jīng)度與海面高進行最小二乘擬合，剔除偏離1 m的海面高。由圖1可見，數(shù)據(jù)隔斷處存在粗差，故對1個Cycle分段最小二乘擬合，并剔除粗差值。具體如下：（a）相鄰2點的經(jīng)度差大于設定閾值時，進行分段。（b）參考對整個Cycle擬合時每段的海面高，插值出分段后每段起始、中間與結(jié)束處的海面高，并進行擬合。（c）對分段后的數(shù)據(jù)進行最小二乘擬合，求其與整體擬合時相同經(jīng)度處海面高的偏差，對這些偏差值的絕對值求平均，若平均值大于1 m則以整體擬合為標準，剔除偏離0.5m的海面高；否則以分段擬合為標準，剔除偏離0.5 m的海面高，結(jié)果如圖4所示。由圖4可直觀看出，經(jīng)過剔除粗差，提高了海面高的平滑性，表明上述方法有效。

對測高數(shù)據(jù)進行共線平均，可以削弱海面高的時變影響和大范圍海洋學異?，F(xiàn)象（如厄爾尼諾和拉尼娜現(xiàn)象）所引起的測高數(shù)據(jù)短波誤差。交叉點不符值反映的是軌道徑向誤差，它的確定對交叉點平差至關重要，其精度主要由交叉點位置決定［10?12］。本文采用基于快速排斥和跨立試驗的計算機圖形學方法來直接求解全弧段交叉點的精確位置。該方法避免了全球范圍運用多項式擬合求解造成的誤差，同時也解決了人為分段效率低的問題［13］。表1為剔除粗差前后交叉點不符值（“—”代表該衛(wèi)星未形成交叉點）。

由表1可見，在近海區(qū)域RMS＝16.353m，顯然存在粗差。經(jīng)過粗差剔除，RMS＝0.485m，表明上述方法可以有效地剔除粗差，獲得較高精度的海面高。

本文參考文獻［14］進行測高數(shù)據(jù)交叉點平差。Jason?2衛(wèi)星與Saral衛(wèi)星RMS改正前為0.041 m，改正后為0 m；Saral衛(wèi)星與Saral衛(wèi)星RMS改正前為0.485m，改正后為0.249m。

2.3 “移去?恢復”法

“移去?恢復”法基本思路是：用衛(wèi)星測高方法得到離散海面高，內(nèi)插得到驗潮站處的海面高值，并將其與驗潮站處海面高值求差；將所得到的殘差采用一定的方法進行擬合，得到衛(wèi)星測高點處的海面高殘差值；在擬合后的海面高殘差值基礎上，對海面高進行恢復。本文基于150個驗潮站提供的平均海面高值，采用“移去?恢復”法，得到了浙江近海離散海面高值。

2.4 格網(wǎng)化

為獲得較高的格網(wǎng)化精度，利用多種方法進行測高數(shù)據(jù)的格網(wǎng)化，并進行交叉驗證，驗證結(jié)果見表2。

由表2可知，徑向基函數(shù)法格網(wǎng)精度最好，均方根誤差為±0.017m，且標準誤差和標準差均為最小。故選擇徑向基函數(shù)對測高數(shù)據(jù)進行格網(wǎng)化，格網(wǎng)分辨率為2.5′×2.5′。將浙江近海平均海面高繪制成等值線柵格圖如圖5所示。

3 精度評定

以本文建立的平均海面高模型插值出驗潮站的平均海面高進行驗證，數(shù)據(jù)對比結(jié)果如表3所示。

由表3可知，本模型在驗潮站處與驗潮站的平均海面高差值中的平均值為-0.002 m，最大差值為0.046 m，最小差值為-0.143m，均方根為±0.017 m，表明本模型精度可靠。牛軛港等115個站點差值絕對值在0.010 m以內(nèi)，表中未予以顯示。

以本文建立的平均海面高模型與國際上具有代表性的CLS系列的平均海面高模型對比?？紤]到有些點的誤差較大，將差值大于 3倍RMS的數(shù)據(jù)刪除以后（剔除0.33%），本文計算的浙江近海平均海面高模型與MSS?CNES?CLS11平均值差值為-0.003 m，均方根差值為±0.070m，標準差差值為±0.070 m，證明本模型精度是可靠的。

4 結(jié) 語

通過分析測高數(shù)據(jù)在近海區(qū)域的特征，研究了一種新的數(shù)據(jù)粗差剔除方法，經(jīng)粗差剔除提高近海衛(wèi)星數(shù)據(jù)的可用性。經(jīng)過交叉點平差，進一步削弱了徑向軌道誤差和海平面時變信號。采用“移去?恢復”法得到較高精度的離散海面高，采用徑向基函數(shù)法格網(wǎng)化離散海面高，最終建立2.5′×2.5′格網(wǎng)分辨率的平均海面高模型。將所得模型與驗潮站提供的海面高比較，均方根為±0.017 m；與MSS?CNES?CLS11比較，標準差為±0.070m。結(jié)果表明本模型正確，且精度可靠。

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Establishment of mean sea surface height model for Zhejiang coastal areas based on satellite altimetry technique

LI Jing1，JI Yuanming2，YUE Jianping1，PENG Gangyue1，SONG Yahong1
（1.College of Earth Science and Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China；2.Zhejiang Academy of Surveying and Mapping，Hangzhou 310012，China）

Based on the Waveform data from Jason?2 and SARAL／AltiKa satellites，a new method of eliminating the gross error of altimetry data was developed.By eliminating the sea surface height that was not in the predetermined trajectory，the gross error in each segment of altimetry data was eliminated according to the sea surface height in each cycle of each Pass file，in order to improve the usability of satellite data in coastal areas.Through crossover adjustment，the time?varying signals for the radial orbit error and sea level were further weakened.The discrete sea surface height with high accuracy，which was obtained with the remove?restore technique，was gridded using the radial basis function method.A mean sea surface height model with grid resolutions of 2.5′×2.5′was established.The root mean square error between the sea surface height data from the established model and the data from tidal stations is±0.017m，and the standard deviation between the established model and MSS?CNES?CLS11 was±0.070m.The results show that the established mean sea surface height model for Zhejiang coastal areas is reliable.

satellite altimetry technique；gross error elimination；Zhejiang coastal areas；mean sea surface height model；Jason?2 satellite；SARAL／AltiKa satellite

P228

A

1000-1980（2015）04-0356-05

10.3876／j.issn.1000-1980.2015.04.014

2014-1104

李靜（1992—），女，山東菏澤人，碩士研究生，主要從事衛(wèi)星大地測量研究。E?mail：hhu_lj＠sina.com