在山地环境下进行水位提取的雷达和激光雷达测高任务的性能评价：以瑞士湖泊为例外文翻译资料

 2023-03-31 21:38:07

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在山地环境下进行水位提取的雷达和激光雷达测高任务的性能评价：以瑞士湖泊为例

Freacute;deacute;ric Frappart 1,* , Fabien Blarel 1 , Ibrahim Fayad 2 , Muriel Bergeacute;-Nguyen 1,3, Jean-Franccedil;ois Creacute;taux 1,3 ,

Song Shu 4 , Joeuml;l Schregenberger 5,6 and Nicolas Baghdadi 2

摘 要

雷达测高法目前常用于提供内陆水位的长期监测，以补充或取代消失的测量站的原位网络。最近在跟踪和采集模式方面的改进提高了水位提取的质量。由于使用了先验海拔，新实现的开环模式可能会增加监测水体的数量，特别是在丘陵和山区。本研究的新颖之处是提供一个全面的评价关于过去和现在的雷达测高任务，根据采集（低分辨率模式或合成孔径雷达）和跟踪（关闭或开环）模式，并在可能会丢失跟踪的信号的山区的采集频率(Ku或Ka)，以及最近发射的ICESat-2和GEDI激光雷达任务。为此，我们评估了从1995年后在瑞士八个湖泊上启动的大部分雷达测高任务中水位提取的质量，这些都使用了最近开发的测高时间序列软件，就是为了比较新的跟踪和采集模式的性能以及使用的频率的影响。SENTINEL-3A和B中开环跟踪模式和合成孔径雷达采集模式的结合优于经典的低分辨率模式的其他任务，这些任务包括湖的可观测性大于95%，一个几乎恒定的偏差（0.17plusmn;0.04）米，RMSE一般低于0.07米以及R的大多数时间高于0.85 相比原位测量记录。 为了增加可监测的湖泊数量和水位提取的时间采样，还考虑了激光雷达测高任务获得的数据。与原位水位相比，ICESat-2数据的RMSE低于0.06，R大于0.95，也获得了非常准确的结果。还观察到一个几乎恒定的偏置（0.42plusmn;0.03）m。使用GEDI得到了更多的对比结果。由于这些数据可以在较短的时间内获得，因此需要进行更多的分析来确定它们提取水位的潜力。

关键词：雷达和激光测高仪；湖泊；验证

目录

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

第2章 材料和方法 3

2.1 研究区域 3

2.2 数据集 3

2.2.1 雷达测高数据 3

2.2.2 激光雷达测高数据 6

2.2.3 原位水位 8

2.2.4 CHGeo2004Geoid模型 8

2.3 基于测高法的水位 8

2.3.1 测量原理 8

2.3.2 利用AlTiS从雷达测高数据中生成水位时间序列 9

2.3.3 利用ICESat-2激光雷达数据生成水位时间序列 10

2.3.4 利用GEDI激光雷达数据生成水位的时间序列 10

2.3.5 对不同水位数据集的水平分析 11

2.3.6 基于测高法的湖泊水位的验证 12

第3章 验证结果 13

3.1 基于雷达测高水位验证 13

3.2 基于激光雷达测高的水位验证 14

3.2.1 基于ICESat-2的水位验证 14

3.2.2 基于GEDI的水位验证 15

第4章 讨论 19

4.1 山区雷达测高水位的有效性和准确性 19

4.2 山区激光雷达测高水位的有效性和准确性 20

结 论 24

参 考 文 献 26

  1. 绪论

1.1 引言

湖泊和水库被认为是气候变化的哨兵、整合者和调节者，因为它们的物理、化学和生物特性的快速响应气候引起的变化[1–3]。湖泊性质在多个时间尺度上受到气候相关变化的影响。（例如太阳辐射、气温和降雨的变化)，从短期和强烈的风暴事件到季节变化到长期的年代际变化[4]。各种人为胁迫也强烈地改变了湖泊生态系统的[5,6]。湖泊水位的变化直接反映了气候变化和人为行动的影响，如强降雨事件、长期干旱或以灌溉或人类消费目的对湖泊和地下水过度抽水。

据报道，世界各地的原地水位计量数有所下降，包括湖[7,8]。在这种情况下，雷达测高法在监测内陆水体，特别是湖[9,10]方面显示出了很强的能力。传感器特性的进步，如2013年在SARAL上的ka波段，提供了更小的足迹和更高的带宽的测量[11]；在最近的雷达测高任务中合成孔径雷达(SAR)模式[12]的泛化(即Cryosat-2、Sentinel-3和Sentinel-6/Jason-Continuity服务(CS))，以减少沿轨道方向的高度计的足迹；开环(OL)或数字高程模型(DEM)跟踪模式[13,14]开发， 以限制丘陵地区的数据丢失；以及精细处理技术的发展(即高速率测高的数据，和波形再跟踪算法比基于响应建模的海洋表面或布朗模型[15]的海洋的要更强大，每个周期都增了内陆水体观察数量)允许监测小规模湖泊的宽度沿跟踪低于500米[16,17]。由于高精度雷达高度计已经运行了20多年，长期时间序列结合了多个雷达测高任务的数据(即Topex-Poseidon、Jason-1、2、3 和Sentinel-6/Jason-cs的10天重复轨道，ERS-1、2，ENVIST和SARAL的35天重复轨道，Sentinel-3A和B的27天重复轨道或多个重复轨道，以监测湖泊水位和存储的变化，以应对气候变化和人为影响(例 [18–21])。

为了对基于雷达测高的水位有充分信心，需要进行校准/验证(cal/val)来评估每个任务偏差、任务间偏差（当结合来自不同雷达高度计的数据时），并通过均方根误差(RMSE)和相关系数(R) 等措施来确定数据集的质量。尽管海洋上有大量的永久校准验证设施，但内陆水域的校准验证设施较少。据我们所知，吉尔吉斯斯坦（中亚）的伊西库尔湖是一个独特的地点，根据自2000年中期以来，人们定期对现场数据、全球导航卫星系统(GNSS)和基于雷达测高的水位的比较得出[22–24]。最近，一项研究评估了在面积从487到81,935km2的大型湖泊上[25]，11个雷达高度计(RA)任务的性能，从GEOSAT到Sentinel-3A。

由于雷达测高法在最低点方向收集地球表面的海拔测量值，因此只有一小部分地球表面被测高轨迹覆盖。根据[26]的说法，目前在重复轨道上进行的测高任务，不考虑Cryosat-2，只能监测面积大于100平方公里的湖泊总数的不到一半的情况。为了增加水位可以提取的湖泊的数量，从ICESat任务得来的激光雷达测高数据使用得越来越多，因为他们的小足迹(~70米的ICESat/GAS和~17米ICESat-2)和长周期/漂移轨道，允许观察更大的一部分地球表面的时间频率[27–29]。2018年启动了两项新的卫星激光雷达测高任务：ICESat-2和全球生态系统动力学调查激光雷达(GEDI)，其主要目标是分别监测格陵兰岛和南极冰盖的海拔变化，并提供森林垂直结构的观测。

在本研究中，对大多数高分辨率雷达测高任务的性能进行了评估(即, Jason-1/2/3，ERS-2,ENVISAT,SARAL和SENTINEL-3A和B)在8个瑞士湖泊上进行，重点是最近发射的SENTINEL-3A和B任务。研究区域被选择的原因有：1)高质量的存在，连续，水平的水位数据集覆盖整个1995-2020年研究期间；2)湖泊周围的强大地形将允许评估的跟踪模式的影响雷达测高的水位测量。还对研究区域可用的ICESat-2和GEDI数据进行了互补的cal/val研究，以确定它们在用于监测湖泊水位方面的优缺点。

第2章 材料和方法

2.1 研究区域

研究区域由位于瑞士的10个湖泊组成(图1a，b)。在崎岖不平的山区（图1c），湖泊盆地及周围的海拔高度在300米至4000米以上。作为大多数瑞士高山湖泊，本研究中考虑的湖泊具有细长的形状和轴向流出的特征，并被陡峭的侧山坡[30]所包围。

2.2 数据集

2.2.1 雷达测高数据

在本研究中使用了以下高精度雷达测高任务的数据：ERS-2、envisat、Jason-1/2/3、SARAL(在低分辨率模式下运行-LRM)、SENTINEL-3A和3B(在SAR模式下运行)。这些任务正在获取三个不同的标称轨道上的数据。其主要特点总结如下：

  1. 10天重复轨道任务：Jason-1、Jason-2和Jason-3

Jason-1、Jason-2和Jason-3被放置在海拔1336公里、倾斜66度的轨道上，有10天的重复循环，赤道地面轨道间距约315公里，以前被Topex-Poseidon任务使用。

Jason-1是美国国家空间训练中心(CNES)和美国国家航空航天局(NASA)于2001年12月7日发射的联合任务。Jason-1有效载荷是由在CNES的Poseidon-2的C(5.3GHz)和Ku(13.575GHz)波段工作的双频高度计，NASA的Jason微波辐射计和精确的轨道测定的三重系统组成，而三重轨道测定系统包括：CNES的DORIS仪器，NASA的Black Jason全球定位系统接收器和NASA/喷气推进实验室(LPL)的激光回射器阵列（LRA）[31]。Jason-1号在其名义轨道上一直运行到2009年1月26日，并于2013年6月21日退役。

Jason-2是CNES、欧洲气象卫星开发组织（欧洲气象卫星）、美国宇航局和美国国家海洋和大气管理局(NOAA)于2008年6月20日发射的联合任务。Jason-2有效载荷由CNES开发的波塞冬-3雷达高度计，喷气推进实验室/NASA的先进微波辐射计(AMR)，以及一个用于精确轨道确定的三重系统：实时跟踪系统确定多普勒轨道成像和卫星（多利斯）仪器集成的无线电定位来自CNES，全球导航卫星系统(GNSS)接收器和美国宇航局/喷气推进实验室的主抵抗军。Poseidon-3 雷达高度计是一种双频固态高度仪，在Ku和c波段工作，旨在精确确定卫星与表面或范围之间的距离，并为海洋上的范围提供电离层修正[32]。Jason-2号一直保持在其名义轨道上，直到2016年7月3日，并已于2019年10月4日退役。

Jason-3任务是来自CNES、欧洲气象卫星组织、美国宇航局和美国国家海洋和大气管理局的联合任务。它于2016年1月17日发射[33]。它的有效载荷包括在Ku和c波段运行的双频Poseidon-3B雷达高度计，一个由一个GPS和一个doris接收器组成的精确轨道确定(POD)，以及一个来自美国宇航局/喷气推进实验室的LRA。

图 1 .(a) 研究区域位于西欧的瑞士(标红) (a)和由下列湖泊组成(标蓝) (b): 日内瓦湖 (1), 纽夏特湖 (2), 图恩湖 (3), 琉森湖 (4), 楚格湖 (5),苏黎世湖 (6), 苏黎世湖（伯湖）(7), 瓦伦湖 (8), 森帕赫湖 (9), 萨尔嫩湖 (10).(c)这些湖泊位于瑞士阿尔卑斯山脉的山区，海拔在300米到4000米之间，作为背景的数字高程模型(DEM)是由SwissTopo提供的200米空间分辨率的数字高度模型DHM25[34]。

  1. 35天重复轨道

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