杜 斌

昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院,云南 昆明 650093

地表水對(duì)生命至關(guān)重要,水位監(jiān)測(cè)有助于地表水資源的利用和保護(hù),有助于促進(jìn)對(duì)環(huán)境、氣候和天氣的理解。衛(wèi)星測(cè)高獲取了海量水面高度數(shù)據(jù),促進(jìn)了海洋學(xué)、水文學(xué)和大地測(cè)量學(xué)的研究進(jìn)展。然而現(xiàn)有衛(wèi)星測(cè)高任務(wù)僅能對(duì)星下點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè),需在空間和時(shí)間分辨率之間權(quán)衡,因軌跡間距大或重訪周期長(zhǎng)無法滿足內(nèi)陸水體動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的需求;更重要的是現(xiàn)有測(cè)高衛(wèi)星多為海洋學(xué)研究設(shè)計(jì),水文數(shù)據(jù)作為附屬產(chǎn)品,受陸地干擾因而水位精度不高。寬刈幅衛(wèi)星測(cè)高技術(shù)搭載成像式雷達(dá)干涉高度計(jì),可觀測(cè)星下點(diǎn)軌跡兩側(cè)各幾十千米寬度的條帶,可兼顧時(shí)空分辨率;地表水與海洋地形測(cè)量任務(wù)(surface water and ocean topography mission,SWOT)是搭載Ka波段雷達(dá)干涉高度計(jì)(Ka-band radar interferometer,KaRIn)的寬刈幅衛(wèi)星測(cè)高任務(wù),除海洋學(xué)觀測(cè)任務(wù)外,首次將陸地水體監(jiān)測(cè)作為任務(wù)目標(biāo)。

論文研究寬刈幅衛(wèi)星測(cè)高監(jiān)測(cè)內(nèi)陸水體水位和河流流量的能力,在系統(tǒng)分析星下點(diǎn)高度計(jì)確定陸地湖泊與河流水位變化精度的前提下,基于星下點(diǎn)高度計(jì)確定的湖泊水位,模擬了SWOT湖泊水位觀測(cè)數(shù)據(jù),研究了SWOT湖泊水位精度的時(shí)空特性,并針對(duì)SWOT衛(wèi)星基線翻滾角誤差校正方法進(jìn)行了改進(jìn);然后,針對(duì)SWOT寬刈幅觀測(cè)數(shù)據(jù)確定河流流量,改進(jìn)了不依賴先驗(yàn)信息的河流流量計(jì)算方法,提高了計(jì)算精度。論文主要研究?jī)?nèi)容和貢獻(xiàn)如下。

(1) 星下點(diǎn)衛(wèi)星測(cè)高水位監(jiān)測(cè)精度分析。SWOT陸地水位數(shù)據(jù)仿真需使用現(xiàn)有星下點(diǎn)衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)。論文首先分析星下點(diǎn)高度計(jì)確定陸地湖泊與河流水位變化的精度。以貝加爾湖為例,評(píng)估了Jason-2、SARAL和Sentinel-3A使用不同重跟蹤算法的表現(xiàn);對(duì)于更難獲得精確水位的河流,使用多顆星下點(diǎn)衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù),分析了不同重跟蹤算法提取河流水位的效果和影響因素。結(jié)果表明:Jason-2、SARAL和Sentinel-3A均可較精確地監(jiān)測(cè)貝加爾湖的水位變化趨勢(shì),推薦使用ICE1進(jìn)行重跟蹤。河流水位監(jiān)測(cè)時(shí),對(duì)于SARAL、Jason-3和Sentinel-3A衛(wèi)星,推薦使用ICE1和閾值法進(jìn)行重跟蹤。Sentinel-3A和SARAL可獲得比Jason-3更高的水位精度。衛(wèi)星測(cè)高水位監(jiān)測(cè)效果與衛(wèi)星的工作方式、使用的重跟蹤方法、足印區(qū)環(huán)境的同質(zhì)性、水文站與衛(wèi)星軌跡的距離及相交長(zhǎng)度等有關(guān),變化復(fù)雜。

(2) 寬刈幅衛(wèi)星測(cè)高監(jiān)測(cè)湖泊水位能力分析?，F(xiàn)有研究多集中在驗(yàn)證SWOT監(jiān)測(cè)湖泊整體水位變化的能力,忽略了SWOT寬刈幅水位數(shù)據(jù)在湖泊內(nèi)不同位置的精度差異。論文基于星下點(diǎn)衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)仿真了貝加爾湖SWOT寬刈幅水位數(shù)據(jù),將其與Jason級(jí)星下點(diǎn)衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)水位數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,首先分析了其監(jiān)測(cè)湖面水位變化的性能,其次分析了湖面不同區(qū)域的水位數(shù)據(jù)精度差異及其影響因素。結(jié)果表明:SWOT寬刈幅水位數(shù)據(jù)受殘余系統(tǒng)誤差影響難以達(dá)到Jason級(jí)星下點(diǎn)測(cè)高的精度,需對(duì)殘余系統(tǒng)誤差進(jìn)行校正;此外,SWOT寬刈幅水位數(shù)據(jù)的精度與其空間位置、距星下點(diǎn)的距離和觀測(cè)值之間的時(shí)間間隔有關(guān),位于靠近星下點(diǎn)、重復(fù)觀測(cè)次數(shù)多和時(shí)間間隔均勻位置處的數(shù)據(jù)精度更高。該結(jié)論可為將來SWOT數(shù)據(jù)使用提供參考。

(3) 寬刈幅湖泊水位數(shù)據(jù)誤差的局部交叉校正。SWOT官方使用局部估計(jì)中間內(nèi)插的方式進(jìn)行基線翻滾角等系統(tǒng)誤差的校正。但該方法只能改正基線翻滾角誤差的長(zhǎng)波部分,其殘余短波部分仍嚴(yán)重影響著寬刈幅水位的精度。論文提出了針對(duì)基線翻滾角誤差短波部分的局部交叉校正方法,在貝加爾湖,基于仿真的SWOT寬刈幅水位數(shù)據(jù)對(duì)局部交叉校正方法進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明:論文提出的局部交叉校正方法較好地削弱了基線翻滾角誤差的短波部分,提升了SWOT寬刈幅水位數(shù)據(jù)的精度,對(duì)高分辨率SWOT寬刈幅水位數(shù)據(jù)精度的提升尤其顯著。該方法可作為官方校正方法的補(bǔ)充,進(jìn)一步提高SWOT監(jiān)測(cè)陸地水體水位的能力。

(4) 寬刈幅衛(wèi)星測(cè)高河流流量監(jiān)測(cè)。SWOT除監(jiān)測(cè)陸地水體的水位外,還具有類似遙感衛(wèi)星監(jiān)測(cè)水面面積的能力,可提供河面寬度信息。多站水力幾何(at-many-stations hydraulic geometry,AMHG)算法僅利用河面寬度即可計(jì)算河流流量,但其精度較低。鑒于此,論文首先基于遙感影像仿真了SWOT河流數(shù)據(jù)用于提取河面寬度,然后使用AMHG算法計(jì)算河流流量并分析其精度,在此基礎(chǔ)上提出了基于河岸坡度和基于先驗(yàn)流量的兩種算法改進(jìn)方案,并在長(zhǎng)江中下游的3個(gè)水文站進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明:利用SWOT河面寬度數(shù)據(jù),基于河岸坡度的改進(jìn)AMHG算法不僅提升了流量估計(jì)的精度,其趨勢(shì)也與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)更一致,同時(shí)改善了原始AMHG算法流量估計(jì)的系統(tǒng)偏差,有利于平均流量的計(jì)算?；谙闰?yàn)流量的改進(jìn)AMHG算法也可大幅提升流量估計(jì)精度,在SWOT數(shù)據(jù)發(fā)布后,利用SWOT河流產(chǎn)品聯(lián)合其他流量算法計(jì)算的先驗(yàn)流量即可實(shí)現(xiàn)較精確的流量估計(jì)。