基于卫星测高回波波形的南极海域重力异常研究.pdf 8页

'中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn基于卫星测高回波波形的南极海域重力异#常研究12*邹蓉，杨元德5（1.中国地质大学（武汉）地球物理与空间信息学院，武汉430074；2.武汉大学中国南极测绘研究中心，武汉430072）摘要：利用ERS–1/GM和Geosat/GM卫星测高回波波形数据，在南极海域对阈值法、Beta–5算法和子波形阈值法进行比较，结果表明子波形阈值法优于其他两算法。船测重力与卫星测10高海洋重力异常比较，表明波形重定能提高卫星测高海洋重力异常精度。联合ERS–1/GM和Geosat/GM数据获得的2"×2"南极海域重力异常，其整体精度约6～8mgal，优于SandwellV18.1。关键词：子波形阈值法；垂线偏差；海洋重力异常；EGM2008中图分类号：P228.315DeterminationofAntarcticOceansfromsatellitealtimeterwaveforms12ZOURong,YANGYuande(1.InstituteofGeophysics&Geomatics,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074;202.ChineseAntarcticCenterofSurveyingandMapping,WuhanUniversity,Wuhan430072)Abstract:TheperformancesofBeta–5,thresholdandsub-waveformthresholdareassessedwithERS–1/GMandGeosat/GMwaveformdataoverwatersAntarcticoceans.Thesub-waveformthresholdoutperformstheothertwo.Useofretrackingimprovedtheprecisionofgravityanomalies.TheaccuracyofgravityanomalieswithERS–1/GMandGeosat/GMisabout6～8mgal,whichisbetterthanthatof25SandwellV18.1.Keywords:Sub-waveformthreshold;deflectionofthevertical;oceangravityanomaly;EGM20080引言重力异常是海洋地球物理的基础数据。南极海域重力异常数据有助于提高对该海域地球30内部构造、海洋资源评估与资源勘探等方面认识，也可获得板块运动进化信息。如西南极海域Bellingshausen与AmundsenSeas的海洋重力异常，有助于了解该海域的构造演化，尤其[1]是18Ma来的演化。基于此，我国于2011年底实施了南极海域资源环境评估专项，在一些重点海域开始进行包括船载重力测量在内的多种观测。船载重力观测是一种获取海域重力异常的常用手段，但该手段实施周期长、花费大、采样数量和所测范围十分有限，海冰的存在35也限制了南极海域船载重力测量的实施。此外，船载重力测量作为相对重力测量，在南极海域实施存在着重力仪零点漂移等问题。卫星测高的出现，不仅为获取大范围高分辨率海洋重力异常提供了新手段，也广泛应用[2]于其他地球学科研究。回波波形为卫星测高的基本观测量，对其分析可获得卫星到地面反射面的距离，由此得到地球表面地形。在开阔海域(openocean)，由于其回波波形符合理想40波形Brown模型，卫星测高测距精度较高。但对于非海域、海岸及海冰区，回波波形发生基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金新教师类资助课题((20130145120001)作者简介：邹蓉（1980-），女，副教授，硕导，主要研究方向：地球参考框架和地壳形变.E-mail:zourong@cug.edu.cn-1- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn了变形，降低了测距精度。卫星测高波形重定技术（retracking）的发展和完善，拓展了卫星[3][4][5]测高在非开阔海域的应用，如近岸、内陆湖泊、冰盖变化。波形重定算法可分为统计和拟合两种，如OCOG、阈值法和Beta算法等。考虑到不同反射面对应的回波波形具有不[6,7]同特点，如海冰得到的镜面波形，回波波形的波形分类得到了重视。2012年Yangetal45提出了子波形阈值法，该算法是采用相关分析获取回波波形的最佳子波形，然后选定阈值进行波形重定。利用ERS-1数据、验潮站数据及船载重力，研究发现子波形阈值法优于阈值法和Beta算法。本文首先利用Geosat/GM和ERS-1/GM数据，从子波形阈值法、阈值法和Beta算法中比较和选取适当的波形重定算法。在此基础上，采用选定波形重定算法，利用Geosat/GM和ERS-1/GM反演南极海域重力异常，并评估其精度。501数据模型1.1数据本文采用ERS–1/GM波形数据(ALT.WAP)，它是1.5级产品，包含了各改正量、校正和轨道信息，进一步数据处理能得到更高等级的数据产品，其赤道处的轨道间距约8km，采样率为20Hz。采用的这些轨迹数据为全球数据，具体计算时，首先进行数据预处理，只保留55海洋部分。采用的Geosat数据是美国测高卫星Geosat携带Ku波段的高度计，于1985年和1986年执行大地测量任务获得，采样率为10Hz。Geosat/GM数据保密了很多年，直到ERS–1/GM数据公开，才公开。Geosat覆盖到72.20S，而ERS–1则加密并拓展到81.50S。南极海域船载重力异常资料由美国国家海洋与大气机构NOAA提供，考虑到1990年以后的船载重力异常精度较高，本文只下载了1990年后的船载重力测量数据。受各因素的影[8]60响，船载重力异常的长波分量存在系统误差，HwangandParsons给出了二次多项式对每个航次的船测重力进行处理，本文沿用该算法数据处理，处理后的船载重力空间分布如图1。图1南极海域船测重力数据65Fig.1Theshipbornegravityanomalies-2- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn1.2波形重定算法1.2.1Beta算法[9]Beta算法由Martin等人于1983年提出，基于Brown反射模型的拟合算法，主要用于70陆地冰盖。该模型中，回波波形时间序列如公式：nt3iy(t)12i15iQiP(1)i14i其中0fort3i0.54iQi(2)t0.5fort0.53i4i3i4i2x1qP(x)expdq(3)2275n为1表示Beta-5,2表示Beta-9；y表示时刻t对应的回波波形能量；q为正态分布函2数exp(-q/2)的变量；1表示回波波形热噪声；2i表示回波波形振幅；3i表示回波波形的波形前缘中点；4i表示与有效波高相关的波形前缘斜率；5i表示波形后缘斜率，表示观测误差。Beta参数采用最小二乘估算，对于镜面波形，该算法通常失败。波形重定改正由下式得到：80C(G)R(4)3iT式中G是理想采样窗口中点，其中Geosat为30.5,ERS–1为32.5；R表示一个采样点T对应的距离，Geosat为0.46875m，ERS–1为0.4545m。1.2.2OCOG算法[10]OCOG算法由Wingham等提出，该算法为经验算法。回波波形的振幅A、宽度W和85重心COG由下式计算得到：64na64na42APtPt(5)iii1nai1na264na64na24WPitPit(6)i1nai1na64na64na22COGiPtPt(7)iii1nai1na相应的波形前缘中点：90LEGCOGW(8)2其中Pt为第i个采样点对应的能量。相应的距离改正量由公式（4）计算得到。i-3- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn1.2.3阈值法[11]为改善波形重定后的测距精度，Davis在OCOG算法基础上提出了阈值法，用于监测冰盖高程变化。该算法以OCOG算法的波形振幅A为基础，由指定的百分比即阈值水平确95定阈值，波形前缘中点由与该阈值两相邻采样点的采样值线性内插确定，具体计算公式DC123PPPP45P/5Tl?ADCThDC(9)GGGGTPrkkk1/1kPkPk1式中DC表示热噪声，为波形前5个平均采样值，Th表示阈值水平，Tl表示与阈值水平对应的阈值，Gk表示采样值大于阈值Tl的采样点，Gr表示波形前缘中点。当P(k)等于P(k–1)，由k+1代替k。1001.2.4子波形阈值法回波波形可以分成三部分，热噪声、波形前缘和波形后缘，研究发现波形前缘的精度最[7]高。2012年Yangetal提出的子波形阈值法，目的是提取出回波波形的精度最高波形前缘，以提高波形重定改正量的精度，进而提高海面高和重力异常的精度。该算法分成三个步骤：[12]（1）参考波形前缘的确定：根据Brown模型，设定参数值计算得到At1t105Pt()erf()1(10)22exp((tt))式中A表示波形振幅，σ表示上升时间参数，反映有效波高SWH的变化，t为采样时[11]间，τ为波形前缘中点，α为与波形后缘有关参数，erf为误差函数。稳定运行的测高仪，[2]α可看成常数，ERS–1测高数据对应的α=137nsec，τ=32.5。取A=1及SWH=5m，由公式(9)计算得到了理论波形，参考波形前缘为理论波形的采样点20至采样点42。110（2）确定最佳子波形，采用子波形相关分析得到。子波形相关分析研究发现，不同SWH的子波形高相关，且最大相关系数对应最佳子波形。子波形相关分析也能反映出波形前缘中点的变化。（3）通过最佳子波形分析，确定回波波形的波形前缘。（4）采用阈值法对波形前缘进行计算，得到其波形重定改正量。[7]115具体分析和计算过程参考Yangetal，该文利用ERS-1数据进行分析，本文将数据范围拓展到Geosat数据。1.3波形分类对于南极海域，回波波形需要进行波形分类。回波波形在海冰区为镜面波形，在非冰区为散射波形。镜面波形表现在快速上升快速下降，而散射波形则主要由SWH决定。通常[13]120镜面波形的最大能量量级约为散射波形的3倍。通常采用脉冲峰值PP进行波形分类,31.5Pmax(9)PP64Pi()i5其中，Pmax为回波波形的最大反射能量，P(i)为第i个采样点的反射能量。PP<1.8时，回波波形确认为散射波形，反之为镜面波形。-4- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn2数据模型1252.1波形重定算法的比较本文对阈值法、Beta算法和子波形阈值法进行比较。对于子波形阈值法阈值水平的选取，国内外还没有一致看法。如为确定冰盖高程变化，Davivs比较了0.1、0.2和0.5等三种不同的阈值水平后的结果。Deng采用0.3阈值水平对澳大利亚周边海域的回波波形进行波形重定，Hwang等则采用0.5阈值水平进行波形重定。Yangetal研究发现ERS-1数据0.1130的阈值水平优于其他的阈值水平。本文以0.1、0.2、0.3和0.5等四种阈值水平，对Geosat[7]数据进行评估。选用的评估指标采用差分海面高ΔNres的标准差SΔN。0000比较和选取波形重定算法时，以南极普里兹湾55~95E，55~70S为实验区域。对ERS-1/GM和Geosat进行波形分类，发现散射波形在整个ERS-1/GM回波波形中所占比例约为63.5%，而散射波形在整个Geosat回波波形中所占比例则超过97%。分别对Geosat/GM135散射波形、ERS–1/GM散射波形和ERS–1/GM镜面波形等进行波形重定算法进行比较，结果如表1。表1普里兹湾不同波形重定法对应的SΔNTab.1SΔNamongdifferentretrackersaroundPyrzBay0.1子波形阈0.2子波形阈0.3子波形阈0.5子波形阈数据类型阈值(m)Beta–5(m)值(m)值(m)值(m)值(m)Geosat/GM0.13540.10790.09960.10770.13600.1457散射波形ERS–1/GM0.12660.07050.07480.08360.11140.1205散射波形ERS–1/GM0.25260.17220.17980.19360.2361镜面波形140在表1中，阈值法利用整个回波波形，其阈值水平为0.5。结果表明，对于不同数据（ERS-1/GM和Geosat/GM）和不同反射面（开阔海域和海冰），子波形阈值法优于阈值法和Beta–5算法。对于ERS-1/GM数据，阈值水平为0.1的子波形阈值，开阔海域和海冰的SΔN分别为0.0705和0.17221m，分别为阈值法的56%和63%。表1也表明，ERS-1/GM数据的子波形阈值法，阈值水平为0.1优于其他的阈值水平，这也Yangetal结论一致。总体而言，145开阔海域的SΔN约为海冰的40%。这也表明，开阔海域波形重定后的海面高精度优于海冰区。对于Geosat/GM，阈值水平为0.2的子波形阈值对应的SΔN为0.0996m，为阈值法的73%。而Geosat/GM数据的子波形阈值法，阈值水平为0.2优于其他的阈值水平。Geosat/GM子波形阈值对应的SΔN，介于ERS-1/GM开阔海域和海冰的SΔN之间，这可能说明Geosat/GM结果为混合型，其波形分类有待进一步研究。子波形阈值算法中，ERS-1/GM和Geosat/GM对150应的阈值水平不一致，这也表明不同的数据需要通过计算确定其阈值水平。2.2波形重定对重力异常贡献时间序列拟合是基于一些先验信息对GPS观测的时间序列进行最小二乘拟合，从而提取出各种周期项和线性项信号。对于某GPS基准站的观测时间序列，假定其主要由常数项、趋势项、周年和半年项以及同震阶跃项组成，则该序列可以写为如下表达式：-5- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn155为了反映波形重定对重力异常精度的贡献，下面将卫星测高重力异常与船载重力异常进[14]行比较。计算卫星测高重力异常时，采用逆VeningMeinesz公式。具体计算，将沿轨海面高转换成大地水准面梯度，由其得到2"×2"格网大地水准面梯度的东西和南北分量。采用[15]标准的移去-恢复过程进行计算，其中参考重力场选用2190阶EGM2008。将未波形重定海面高和重定后的海面高作为起始数据，分别得到了2"×2"卫星测高海洋160重力异常格网。船载重力异常与卫星测高重力异常进行比较前，首先将NOAA下载的每条航线进行偏差和漂移改正。改正后的船载重力异常与卫星测高重力异常进行比较，当两者差值超过3倍中误差，将船载重力异常作为粗差，不参与比较。表2ERS–1/GM与Geosat/GM测高与船测重力异常差值统计165Tab.2Statisticsofdifferences(inmgal)betweenaltimeter–derivedandshipbornegravityanomaliesusingrawandretrackedSSHswithERS–1/GMandGeosat/GMdata起算数据状态最大值()最小值平均值标准差重定前117.526–81.5251.05215.038ERS–1/GM重定后50.045–47.5670.1478.028重定前55.833–47.8790.16210.339Geosat/GM重定后50.569–47.9450.1128.032选取的实验海域范围2250~2700E，55~820S与Yangetal(2012)一样，该海域为世界上最南的海域之一，包含了大部分BellingshausenandAmundsen大部分海域。表2给出了船载170重力异常与卫星测高重力异常差值的统计结果。这里采用改善率描述波形重定对卫星测高重力异常精度的改善程度。对于ERS-1/GM，波形重定使得差值的平均值和标准差分别从1.052、15.038mgal减小到0.147、8.028mgal，标准差的改善率达46.6%。对于Geosat/GM，波形重定使得差值的平均值和标准差分别从0.162、10.339mgal减小到0.112、8.032mgal，标准差的改善率有限。表2结果也表明，波形重定后ERS-1/GM重力异常的精度与Geosat/GM175相当。2.3卫星测高重力异常精度评估联合波形重定后的ERS-1/GM和Geosat/GM数据，以2190阶EGM2008为参考重力场，由逆Vening–Meinesz算法反演了2"×2"南极海域卫星测高重力异常CACSM，其空间分布如图2。将CACSM与国际上的卫星测高重力异常模型SandwellV18.1进行比较。具体计算时，180将整个南极海域按经度450为间隔，分成区域一至区域八，如区域一为00~450E。各区域分别统计卫星测高与船载重力异常差值。由于区域八没有船载重力，仅在七个区域进行比较。各区域的统计结果如表3，结果表明卫星测高重力异常精度在空间分布上存在差异，其中两个区域标准差约3mgal，四个区域标准差在6~8mgal之间，区域七的标准差最大，达到11mgal，其船载重力主要分布在南极半岛附近海域。该结果反映出卫星测高的精度受离陆地距离远185近、受海冰影响程度、船测重力密度和船测重力精度等因素的影响。[16]表3也给出了SandwellV18.1与船载重力异常差值的统计结果，结果表明CACSM整体精度优于SandwellV18.1。在七个区域中，CACSM在三个区域与SandwellV18.1相当，其他四个区域优于SandwellV18.1。区域一，CACSM的平均值和标准差分别由SandwellV18.1的2.812、10.786mgal减小到1.78、8.536mgal，标准差的改善率达20%。-6- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn190表3不同卫星测高重力异常模型精度比较Tab.3Comparisonofdifferentaltimeter–onlygravityanomalymodels(inmgal)区域测高重力异常最大值最小值平均值标准差CACSM54.810–57.8311.7808.536一SandwellV18.149.574–61.4242.81210.786CACSM27.604–21.9880.5543.317二SandwellV18.127.140–22.6890.5723.198CACSM20.436–19.619–1.2063.379三SandwellV18.122.576–20.053–1.0693.395CACSM51.988–48.004–0.2547.648四SandwellV18.182.095–130.6820.0137.571CACSM72.771–71.240–0.9767.105五SandwellV18.172.287–72.969–1.0067.068CACSM50.663–46.2660.1577.951六SandwellV18.156.028–81.0540.1738.355CACSM62.660–61.718–0.99111.226SandwellV18.182.247–79.708–1.10711.930CACSM54.810–57.8311.7808.536七SandwellV18.149.574–61.4242.81210.786195图2南极海域卫星测高重力异常CACSM的空间分布Fig.2Thegravityanomalies(CACSM)distributionofAntarcticOceansfromsatellitealtimeterwaveforms3结论本文利用ERS–1/GM和Geosat/GM卫星测高回波波形数据，在南极海域比较了几种波-7- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn200形重定算法，结果显示子波形阈值优于Beta–5算法和阈值法。不同的数据需要选用不同的阈值水平，ERS-1/GM的为0.1，Geosat/GM为0.2。子波形阈值法均能提高两种数据的海面高和重力异常精度。经过波形重定后，ERS–1/GM卫星测高重力异常精度和Geosat/GM接近。联合两种数据，得到了南极海域的重力异常，与船载重力比较，不同区域的精度不同，大部分区域的精度6~8mgal，该精度优于SandwellV18.1。本文研究也发现，卫星测高能够205提高海面高和重力异常的精度，但不能提高质量不好的卫星测高回波波形。不好的卫星测高数据也可能与地球物理改正有关，要提高海面高和重力异常的精度，需要考虑地球物理改正。此外其他一些新的波形重定算法，本文并未进行比较，需要进一步比较研究。参考重力场精度和分辨率是决定卫星测高重力异常精度的因素之一，本文采用的EGM2008并没有包含最新的GOCE卫星成果，下一步可利用最新的参考重力场。210致谢本文的卫星测高回波波形数据来源于ERS–1/GM和Geosat/GM，南极海域船载重力异常资料来源于美国国家海洋与大气机构NOAA，在此表示感谢。[参考文献](References)215[1]McAdooD.andLaxonS.,AntarcticTectonics:ConstraintsFromanERS-1SatelliteMarineGravityField,Science,1997,276,556-560[2]FuL.L.,CazenaveA.,SatelliteAltimetryandEarthSciences,California:AcademicPress,2001[3]Lee,H.,C.K.Shum,K.H.Tseng,J.Y.Guo,andC.Y.Kuo,Present-DayLakeLevelVariationfromEnvisatAltimetryovertheNortheasternQinghai-TibetanPlateau:LinkswithPrecipitationandTemperature.TerrAtmos220OceanSci,2011,22(2):169-175[4]Hwang,C.,Y.C.Kao,andN.Tangdamrongsub,PreliminaryAnalysisofLakeLevelandWaterStorageChangesoverLakesBaikalandBalkhashfromSatelliteAltimetryandGravimetry.TerrAtmosOceanSci,2011,22(2),97-108[5]WinghamD.J.,RapleyC.G.andGriffithsH.,Newtechniquesinsatellitealtimetertrackingsystems[A],Proc225IGARSS"86Symp[C],Zurich,1986,1339-1344[6]Wang,H.,Y.Yueh,S.Zhou,andY.Yang,ClassificationofRadarAltimeterWaveforms14BasedonClusterAnalysis.GeomaticsandInformationScienceofWuhanUniversity,2010,15:35(1):833-835[7]Yang,Y.,C.Hwang,H.-J.Hsu,E.Dongchen,andH.Wang,AsubwaveformthresholdretrackerforERS-1altimetry:AcasestudyintheAntarcticOcean.ComputGeosci,2012,41(0):88-98,2012230[8]Hwang,C.,Parsons,B.,GravityanomaliesderivedfromSeasat,Geosat,ERS-1andTOPEX/POSEIDONaltimetryandshipgravity:acasestudyovertheReykjanesRidge.GeophysicalJournalInternational1995,122:551-568[9]MartinT.V.,ZwallyH.J.,BrennerA.C.andBindschadlerR.A.,AnalysisandRetrackingofContinentalIceSheetRadarAltimeterWaveforms,JournalofGeophysicalResearch,1983,88(C3):1608-1616235[10]Wingham,D.J.,Rapley,C.G.,Griffiths,H.,Newtechniquesinsatellitealtimetertrackingsystems[A].In:ProceedingsofIGARSS88Symposium.September[C],Zurich,Switzerland,1986,1339-1344[11]DavisC.H.,ARobustThresholdretrackingAlgorithmforMeasuringIce-SheetSurfaceElevationChangefromSatelliteRadarAltimeter,IEEETransactionsonGeoscienceandRemoteSensing,1998,35(4):974-979[12]BrownG.S.,Theaverageimpulseresponseofaroughsurfaceanditsapplication,IEEETransactionson240antennasandpropagation,1977,25(1):67-74[13]PeacockN.R.andLaxonS.,SeasurfaceheightdeterminationintheArcticOceanfromERSaltimetry,JournalofGeophysicalResearch,2004,109(C07):1-14[14]HwangC.andParsonsB.,GravityAnomaliesDerivedfromSeasat,Geosat,ERS-1andTOPEX/POSEIDONAltimetryandShipGravity:ACaseStudyovertheReykjanesRidge,GeophysicalJournal245International,1995,122:551-568[15]Pavlis,N.K.,Holmes,S.A.,Kenyon,S.C.,Factor,J.K.,Anearthgravitationalmodeltodegree2160:EGM2008[A].Presentedatthe2008GeneralAssemblyoftheEuropeanGeosciencesUnion[C].2008April13-18,Vienna,Austria[16]Sandwell,D.T.,Smith,W.H.F.,GlobalmarinegravityfromretrackedGeosatandERS-1altimetry:ridge250segmentationversusspreadingrate.JournalofGeophysicalResearch,2009,114,B01411-8-'