通过太空携带的激光测高法测量内陆水位：验证和比较在五大湖和密西西北河下游的三个任务外文翻译资料

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爱思唯尔

通过太空携带的激光测高法测量内陆水位：验证和比较在五大湖和密西西北河下游的三个任务

金翔^a，b，c，李慧^a，b，c，赵家阳^a，b，蔡晓斌^d，李鹏^a，b

湖北关键区进化重点实验室地理与信息工程学院，中国地质大学，武汉430078，中国b湖南洞庭湖地区生态环境遥感重点实验室，地理与信息工程，中国地球科学学院，武汉430078，中国湖北环境与灾害监测与评价重点实验室，中国科学院精密测量科学技术创新研究院，武汉430077.

文章信息

这份手稿是由艾曼诺伊处理的主编Anagnostou

关键字

星载激光测高

ICESAT-2

基底

内河水位

摘要

卫星激光测高技术为精确测量地球表面的内陆水位提供了机会。本文介绍了包括Ice、Cloud和Land Elevation机载地球科学激光高度计系统(GLAS)在内的3个内陆水位反演任务的验证和比较一号卫星(ICESat-1)以及新发射的高级地形激光高度计系统(ATLAS)搭载ICESat-2和全球生态系统动力学调查(GEDI)激光雷达在国际空间站。这项研究是利用22号的原位数据在五大湖和密西西比河下游进行的测量站，探索了监测内陆水动态的潜力。结果显示ICESat-2提供了前所未有的湖泊水位反演精度(RMSE = 0.06 m，偏差)=minus;0.01plusmn;0.05 m)，其次是ICESat-1 (RMSE = 0.10 m，偏差=minus;0.04plusmn;0.10 m)，其次是GEDI (RMSE= 0.28 m，偏差=minus;0.10plusmn;0.23 m). ICESat-2还提供了更精确的河流水位测量(RMSE)= 0.12 m，偏差=minus;0.08plusmn;0.07 m)高于ICESat-1 (RMSE = 0.25 m，偏差=minus;0.18plusmn;0.16 m)和GEDI(RMSE = 0.40 m偏差=minus;0.24plusmn;0.24 m)。分析表明，对于所有高度计，强梁取得了更高的水位精度比那些弱，和夜间捕获略多比白天的精确然而，我们的结果表明，测量精度与河流宽度之间没有相当大的差异。此外，分析显示了它们在监测方面的巨大潜力内陆水动态，特别是在ICESat-2和GEDI平台的结合下。本研究提供了全面了解最近三个特派团的测量精度，并建议这样做使用者应使用夜间获得的强波束数据，以便准确地检索水位。

1. 介绍

内陆水在地球的各种成分中起着重要的作用系统，如水文、气候和生态过程(Pekelet al ., 2016)。监测水位变化是防洪的基础了解水文过程并进行管理水资源与生态系统平衡(Ma et al.， 2020)。水传统的测量方法是在选定的地点用测量站。然而，部署的空间代表性由于安装成本的原因，全球范围内的气象站不足和维

图1所示。研究区域和测量站位置的地图(用红色三角形表示)。(a)五大湖和(b)密西西比河下游河流宽度从0.5公里到1.4公里不等。(如需解释此图例中对颜色的参考，读者可参阅网页版这篇文章)。

护(汉娜等人，2011年)以及可访问性和政治问题(侯赛因等人，2014年)。同时，全球可用性在过去的几十年里，原地站的数量一直在减少(Lawford et al.，2013）. 在这方面，开发新的技术为全球所用通过卫星观测对水位进行高度监测想要的。

最近的卫星测高技术为监测全球内陆水位变化提供了机会。卫星有两种高度表，雷达和激光高度表。与雷达高度表相比，激光高度表具有足迹小、采样密度高、精度高的特点，更适合(Baghdadi et al.， 2011;Phan等人，2012)。迄今为止，已经建造了三个星载激光高度计，即冰、云和陆地上的地球科学激光高度计系统(GLAS)美国国家航空航天局(NASA)于今年1月发射了海拔1号卫星(ICESat-1)2003 (Schutz等人，2005)，先进地形激光高度计由美国宇航局发射的ICESat-2后续任务的系统(ATLAS)2018年(Neuenschwander等人，2020年)和全球生态系统动力学调查(GEDI)激光雷达由美国宇航局飞上国际2019年空间站(ISS) (Dubayah等人，2020年)。尽管这些高度计最初是为冰川、海冰和植被设计的结构观测表明，它们在内陆水位上具有一定的潜力测量(Phan等，2012;Yuan等，2020;Fayad等人，2020年)。由于数据采集技术和处理算法的不同，激光测高仪测高程产品可能含有误差的变化量。有必要对这些产品进行验证对比测量数据，在它们被使用之前描述错误用于水位测量。

已经进行了许多研究来评估ICESat-1的准确性遍布世界各地的内陆水域。例如,阿卜杜拉等人(2011)评估了ICESat-1数据在五大湖上空的准确性在北美，发现它的总体偏差为- 4.6厘米(低估)，在五大湖尺度上的标准偏差为11.6厘米。Zhang等人(2011)比较了

ICESat-1卫星的测高数据和测量的数据在青

海湖(中国)的测量发现了很强的相关性R2 = 0.90, RMSE = 0.08 m。(2011)将ICESat-1数据应用于法国河流，得到了小河流水位测量值为1.14 m以上1.5公里以上为0.15米。Jarihani等人(2013)验证阿盖尔湖的多颗卫星测高数据和原位测量数据发现ICESat-1提供了最精确的湖泊水面叶等人(2017年)验证了海拔测量(RMSE = 0.04 m)ICESat-1/GLAS数据与博斯腾湖上空的原位测量数据对比测量结果与GLAS数据具有较好的一致性(R2 =0.99, RMSE = 0.173 m). Xu et al.(2020)将ICESat-1数据与北美六个湖泊的现场测量数据。结果使用210米的外缓冲带时，RMSE为14.75厘米。
到目前为止，ICESat-2和GEDI在内陆水域的验证是有效的非常有限，因为ICESat-2的数据不到2年，1年写入时的GEDI数据。张等人(2019)利用ICESat-2数据监测青藏高原湖泊水位变化并发现这些观测数据与青海湖的实测数据有很(R2 = 0.95, RMSE = 0.10 m)。元等(2020)获取了ICESat-2在湖泊上空的测高数据的性能中国的水库面积大于10平方公里，发现了ICESat-2数据提供了三个高度计中最高的精度项为相对高程误差(~0.06 m)和标准偏差Fayad等人(2020)验证了GEDI在瑞士的八个湖泊的数据，发现偏差范围从minus;0.14到0.10 m，标准偏差从0.15到0.32 m

上述研究表明，ICESat-1在内陆水域的准确性是众所周知的。然而，人们对新发射的ICESat-2和GEDI的性能仍然知之甚少。此外，很少有研究比较了三次空间飞行任务的执行情况，这对于保持内陆水域测高数据的连续性和通过综合测量提供机会提取更多数据产品是至关重要的。因此，这项工作的总体目标是评估和比较内陆水位的表现。

2.研究区域和数据

2.1研究区域

五大湖和下游的密西西比河被用来验证研究(图1)。前者是一系列相互关联的北美洲中东部和加拿大的淡水湖，横跨从西到东1200多公里。他们被选中是因为他们是地球上最大的内陆水体，有足够的地面轨道激光测高覆盖范围。此外，五大湖还有1到4厘米的潮汐，但没有普遍的海洋潮汐或高海浪，使它是验证研究的绝佳地点(Morris和Gill, 1994)。此外，还部署了密集的水文站网络进行记录该水位，为现场评价提供了充分的资料。的本研究考虑的河段为400 km以下的河段密西西比河，位于巴吞鲁日和西点之间Hache。选择这条河是因为它有一个密集的原位网络测量站。此外，研究河段的宽度在0.5和1.4 km，评价结果可转移性强世界上的其他河流。

表1

ICESAT-1上GLAS，ICESAT-2上图谱和GEDI的技术细节比较

2.2数据

三次星载激光测高任务的数据集是与水文站的现场测量数据进行了验证。这些特派团的主要特点和技术细节是汇总如表1所示，使用的计量站列于表A1。数据集的详细描述见下面的部分。

2.2.1激光测光数据

Icesat-1

搭载在ICESat-1上的GLAS是第一个星载激光高度计，它测量反射的脉冲的双向旅行时间以40hz的频率，有两个通道，532 nm和
1064 nm (Zwally等人，2002)。采用1064nm通道测量陆地、冰盖、海冰和海洋的海拔高度(Abshire等人，2005)。GLAS产生了一系列直径约70米的脚印，沿着轨道以近170米的间隔分开15公里穿过轨道(在赤道)和2.6公里在80◦纬度(Schutz et al.， 2005)。共得到15种GLAS数据产品以及GLA14(全球陆地表面)利用测高数据)产品获得内陆水域足迹在这项工作中的海拔。GLA14数据参考Topex/波塞冬椭球面，包含95个不同参数的记录不同的情况。本研究的数据采集自2003年2月使用到2009年10月进行验证，下载来自国家冰雪数据中心(NSIDC)网站。

ICESAT-2

搭载ICESat-2的ATLAS是ICESat

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