基于多波束高度計實驗數(shù)據(jù)的海冰厚度估算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于多波束高度計實驗數(shù)據(jù)（Multiple Altimeter Beam Experimental Lidar，MABEL)的海冰厚度估算方法，屬于遙感地學應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 海冰一直被認為是全球氣候變化的關(guān)鍵變量之一，是全球大氣和海洋環(huán)流變異的 預(yù)警平臺，對全球大氣和海洋環(huán)流有重要和長期的影響，并直接決定著海-氣能量與物質(zhì) 的交換過程和速率。
[0003] 目前國內(nèi)外海冰厚度測量方法大致可分為兩大類：一類是直接測量法，另一類是 遙感測量法。直接測量就是采用厚度測量工具和儀器對海冰進行實地直接測量，包括：水下 聲納方法、冰鉆打穿海冰測厚等，但由于環(huán)境條件的限制和時間、空間的約束，直接測量的 實施與操作都比較困難，而且只能對有限的海冰進行測量。
[0004] 近十年來，隨著空間技術(shù)的發(fā)展，利用衛(wèi)星和航空航天對地觀測技術(shù)獲取海冰 遙感資料，再通過模型算法得出海冰厚度與形態(tài)特征已成為重要的途徑。比較常見的有： CryoSatl，ERS-l，ESR-2，Envisat以及ICEsat等測高衛(wèi)星估算海冰厚度。ICESat作為一 顆近地激光測高衛(wèi)星，相比星載雷達高度計提供了更加精確的觀測數(shù)據(jù)。目前測高衛(wèi)星一 般采用測量海冰出水厚度（水面以上的厚度），通過估算浮冰、雪和水的密度，套用靜水力 學公式換算得出海冰厚度。CryoSat，ERS-1，ESR-2和Envisat等雷達高度計衛(wèi)星都得到 了很好的應(yīng)用。但是由于雷達高度計自身的穿透性，雷達波穿透雪到達海冰并極有可能在 雪冰的交界面反射，而不是從雪表面反射。由于表面雪的存在，增加了海冰厚度估算的不確 定性。積雪的測量采用了各種方法，包括運用氣候?qū)W模型，氣象觀測，通過被動微波數(shù)據(jù)反 演等。ICESat發(fā)射的激光束不會穿透雪層，而是直接測量雪表面的反射，降低了厚度計算的 不確定性。與此同時，ICESat的觀測數(shù)據(jù)改進了空間抽樣，并擴大了觀測的覆蓋區(qū)域。
[0005] ICESat-2衛(wèi)星將在2017年發(fā)射，該衛(wèi)星在ICESat技術(shù)基礎(chǔ)上，測高技術(shù)和精準 度都有了很大的提高。在極地冰雪環(huán)境遙感測量方面的主要科學目標仍然是冰蓋變化和 海冰厚度。由于ICESat已經(jīng)不再采集高程數(shù)據(jù)，將會出現(xiàn)多年激光高程數(shù)據(jù)的間斷。在 ICESat-2發(fā)射之前，NASA正在實施冰橋作業(yè)（Operation Ice-Bridge),它由一系列的空 載觀測組成，范圍覆蓋南極和格陵蘭及周圍區(qū)域。
[0006] MABEL (Multiple Altimeter Beam Experimental Lidar)是 NASA 冰橋作業(yè)的一 部分，MABEL是一種基于多波束高度計實驗數(shù)據(jù)，作為ICESat-2衛(wèi)星的模擬機，搭載在ER-2 飛機上用于驗證ICESat-2衛(wèi)星高度計的精度和參數(shù)設(shè)置；確定ICESat-2地球物理算法； 對ATLAS測量方法提供詳細的誤差分析以及提供ATLAS模型的驗證。MABEL作為ICESat-2 衛(wèi)星的模擬機很多參數(shù)設(shè)置與ICESat-2衛(wèi)星相同，采用微脈沖多光束光子計數(shù)方法，波長 為532和1064nm，脈沖寬度2ns，激光脈沖重復(fù)頻率在5-25KHZ，光斑直徑為2m，飛行高度20 公里。高度計應(yīng)用了每點多探測像素，提高了光子捕獲能力；應(yīng)用激光坐標參考系統(tǒng)提供 了每個激光點的絕對指向，使得MABEL數(shù)據(jù)的觀測精度大大提高。對精確量化冰蓋高程變 化和海冰厚度估算提供了有效的手段，對精確量化冰蓋對海平面的年季貢獻率和南北極海 冰物質(zhì)平衡變化將具有更加深遠的科學意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：針對多波束高度計實驗數(shù)據(jù)（MABEL)提出一種海冰 厚度估算方法，能夠快速從MABEL數(shù)據(jù)中去除大氣影響，獲取海冰厚度參數(shù)。
[0008] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案是：一種基于多波束高度計實驗 數(shù)據(jù)的海冰厚度估算方法，其特征在于，包括如下步驟： 第一步、讀取MABEL原始數(shù)據(jù)，從中提取反射光子的時間數(shù)據(jù)、高程數(shù)據(jù)和經(jīng)緯度數(shù) 據(jù)，并進行匹配； 第二步、以時間T為步長，將反射光子的數(shù)據(jù)按照時間軸進行分割； 第三步、統(tǒng)計每個被分割的時間區(qū)間內(nèi)反射光子高程數(shù)據(jù)的最大值和最小值，并根據(jù) 二者之差，將光子數(shù)據(jù)在高程軸上進行N等分；統(tǒng)計每個高程區(qū)間內(nèi)包含的反射光子數(shù)量， 提取包含反射光子數(shù)量最多的高程區(qū)間，舍棄其他高程區(qū)間的光子數(shù)據(jù)；至此得到各時間 區(qū)間中光子數(shù)量最多的高程區(qū)間； 第四步、統(tǒng)計各時間區(qū)間中包含光子數(shù)量最多的高程區(qū)間內(nèi)的反射光子的高程標準差 Std和高程均值M; 第五步、對于任意一個時間區(qū)間而言，如果|M- M_initial|>0. 01m，則將M的值賦予皿_ initial，針對高程在[M-Std，M+Std]范圍內(nèi)的反射光子重新計算高程標準差Std和高程 均值M，并重復(fù)本步驟，直到|M- M_initial|彡0. 01m為止，其中，M_initial的初始均為 〇 ； 第六步、針對每個時間區(qū)間，提取高程數(shù)據(jù)在[M-Std，M+Std]范圍內(nèi)的反射光子； 第七步、將各時間區(qū)間內(nèi)高程在[M-Std，M+Std]范圍內(nèi)的反射光子的高程平均值，作 為該時間區(qū)間反射光子對應(yīng)地理位置的海面高程，將所有時間區(qū)間的海面高程進行連接， 得到海面高程的輪廓線；所述海面高程輪廓線包含了裸露水域的海平面高程和浮冰區(qū)域的 海冰冰面高程； 第八步、某一時間區(qū)間對應(yīng)的海冰冰面高程減去附近時間區(qū)間的海平面高程，即得到 該時間區(qū)間對應(yīng)地理位置的海冰出水高度，據(jù)此出水高度來計算該地理位置的海冰厚度。
[0009] 本發(fā)明還具有如下進一步的特征： 1、所述MABEL原始數(shù)據(jù)以HDF格式存儲，第一步中利用MATALB軟件的hdf5read函數(shù) 讀取該MABEL原始數(shù)據(jù)。
[0010] 2、每個反射光子的時間數(shù)據(jù)、高程數(shù)據(jù)、經(jīng)緯度數(shù)據(jù)都具有相同的ID碼，第一步 中，根據(jù)該ID碼將反射光子的數(shù)據(jù)進行匹配，在MATLAB中創(chuàng)建三維數(shù)組用于存儲匹配結(jié) 果。
[0011] 3、第二步中，利用MATLAB軟件顯示匹配后的反射光子數(shù)據(jù)，并創(chuàng)建cell型數(shù)組存 儲按照時間軸進行分割的反射光子數(shù)據(jù)。
[0012] 4、第三步中，針對任一時間區(qū)間，提取光子數(shù)目最多的高程區(qū)間具體步驟如下： 步驟a、創(chuàng)建數(shù)組Number用于存儲高程區(qū)間內(nèi)包含的光子個數(shù)，倉ij建二維數(shù)組elev，將 cell型數(shù)組存儲的時間軸等分結(jié)果賦給elev ; 步驟b、利用Max和Min函數(shù)統(tǒng)計數(shù)組elev的最大值、最小值，并對其進行N等分，利用 length函數(shù)提取高程區(qū)間的光子數(shù)量，存儲在數(shù)組Number中； 步驟c、利用Max函數(shù)搜索數(shù)組Number中的最大值，提取該高程區(qū)間的高程范圍； 步驟d、利用Find函數(shù)在數(shù)組elev中搜索步驟c中提取的高程范圍內(nèi)包含的光子，賦 給cell型數(shù)組，數(shù)組Number和elev清空，等待進入下一個時間區(qū)間的處理。
[0013] 本辦法占用資源少，執(zhí)行效率高，能夠快速處理海量的MABEL數(shù)據(jù)，有助于海冰厚 度的高精度快速提取。
[0014] 5、第四步中，采用mean和std函數(shù)統(tǒng)計包含光子數(shù)最多的高程區(qū)間的標準差Std 和均值M。
[0015] 6、N的取值范圍為8-12, T的取值為0. 125s，h的取值范圍為0. 001-0. 01m。
[0016] 7、第七步中，采用plot函數(shù)繪制海面高程輪廓線。
[0017] 本發(fā)明利用多波束高度計實驗數(shù)據(jù)（MABEL)，經(jīng)過數(shù)據(jù)匹配、網(wǎng)格構(gòu)建、出水高度 計算等處理，估算海冰厚度。首先對原始的MABEL數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，去除無關(guān)信息，提取反 射光子的高程、時間和經(jīng)緯度坐標，在此基礎(chǔ)上進行數(shù)據(jù)匹配。然后對光子數(shù)據(jù)構(gòu)建二維網(wǎng) 格，統(tǒng)計每個單元的光子數(shù)目，取光子數(shù)目最多的區(qū)間作為海面高程反射的光子。最后根據(jù) 光子的高程計算海冰的出水高度，進而估算海冰厚度。與傳統(tǒng)方法相比，本發(fā)明引入MABEL 數(shù)據(jù)估算海冰厚度，精度更高。
[0018] 此外，本發(fā)明基于多波束高度計實驗數(shù)據(jù)估算海冰厚度的方法，還具有如下改 進： 1、第一步中，從MABEL數(shù)據(jù)中提取反射光子的高程、時間和經(jīng)緯度信息時，去除數(shù)據(jù)中 的氣候、飛行參數(shù)、軌道信息，以減少數(shù)據(jù)量，提高了數(shù)據(jù)處理效率。
[0019] 2、第二、三步中，利用時間、高程建立二維坐標，對匹配的反射光子數(shù)據(jù)進行分割 形成平面網(wǎng)格，根據(jù)高程分布，可初步提取海面反射光子的高程，相比于傳統(tǒng)的濾波等算 法，效率大大提高。
[0020] 3、第六步中，從初步提取的光子高程中統(tǒng)計光子分布的均值和方差，經(jīng)過多次試 驗，選取〇. 01作為評判標準，有效提_了_程提取的精度。
[0021] 4、第七、八步中，提取海冰出水高度，根據(jù)出水高度估算海冰厚度參考了其他文 獻，目前Cry 〇Sat，ERS-l，ESR-2和Envisat等雷達高度計衛(wèi)星都得到了很好的應(yīng)用。例 如 Laxon 等人 2003 年發(fā)表于 Nature 的 "High interannual variability of sea ice thickness in the Arctic region"采用測量出水厚度，套用靜水力學公式換算得出海冰 厚度。
[0022] 本發(fā)明利用了 MABEL數(shù)據(jù)，MABEL作為搭載在ICESat-2衛(wèi)星上的光子計數(shù) 器（Advanced Topographic Laser Altimeter System - ATLAS)的技術(shù)驗證，對于確保 ICESat-2地球物理算法以及提供詳細的誤差分析具有重要意義。本發(fā)明所涉及的數(shù)據(jù)格式 的轉(zhuǎn)化過程相對簡單，數(shù)據(jù)匹配，二維網(wǎng)格的構(gòu)建，均值、方差的計算等處理均通過MATLAB 程序?qū)崿F(xiàn)。大大地減少了工作量，同時減少了人工誤差。特別是對于MABEL HDF格式的數(shù) 據(jù)，包含幾十萬個光子數(shù)據(jù)，MATLAB程序處理具有較大的優(yōu)勢。
[0023] 綜上，本發(fā)明方法的執(zhí)行步驟簡單易行，效果較好。由于目前海冰厚度的大面積觀 測資料比較缺少，而且遙感反演海冰厚度普遍精度不高。本發(fā)明使用MABEL數(shù)據(jù)估算海冰 厚度，進一步提高了 MABEL數(shù)據(jù)的利用價值，特別是對極地冰雪的冰蓋變化和海冰厚度等 進行監(jiān)測。
【附圖說明】
[0024] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的說明。
[0025] 圖1是本發(fā)明基于多波束高度計實驗數(shù)據(jù)（MABEL)的海冰厚度估算方法流程圖。
[0026] 圖2是MABEL數(shù)據(jù)位置示意圖 圖3是MABEL數(shù)據(jù)匹配結(jié)果。
[0027] 圖4是海面高程提取結(jié)果。
[0028] 圖5是海冰厚度估算結(jié)果輸出。
【具體實施方式】
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