寬刈幅衛星測高監測內陸湖泊水位與河流流量研究

杜 斌

昆明理工大學國土資源工程學院,云南 昆明 650093

地表水對生命至關重要,水位監測有助于地表水資源的利用和保護,有助于促進對環境、氣候和天氣的理解。衛星測高獲取了海量水面高度數據,促進了海洋學、水文學和大地測量學的研究進展。然而現有衛星測高任務僅能對星下點進行觀測,需在空間和時間分辨率之間權衡,因軌跡間距大或重訪周期長無法滿足內陸水體動態監測的需求;更重要的是現有測高衛星多為海洋學研究設計,水文數據作為附屬產品,受陸地干擾因而水位精度不高。寬刈幅衛星測高技術搭載成像式雷達干涉高度計,可觀測星下點軌跡兩側各幾十千米寬度的條帶,可兼顧時空分辨率;地表水與海洋地形測量任務(surface water and ocean topography mission,SWOT)是搭載Ka波段雷達干涉高度計(Ka-band radar interferometer,KaRIn)的寬刈幅衛星測高任務,除海洋學觀測任務外,首次將陸地水體監測作為任務目標。

論文研究寬刈幅衛星測高監測內陸水體水位和河流流量的能力,在系統分析星下點高度計確定陸地湖泊與河流水位變化精度的前提下,基于星下點高度計確定的湖泊水位,模擬了SWOT湖泊水位觀測數據,研究了SWOT湖泊水位精度的時空特性,并針對SWOT衛星基線翻滾角誤差校正方法進行了改進;然后,針對SWOT寬刈幅觀測數據確定河流流量,改進了不依賴先驗信息的河流流量計算方法,提高了計算精度。論文主要研究內容和貢獻如下。

(1) 星下點衛星測高水位監測精度分析。SWOT陸地水位數據仿真需使用現有星下點衛星測高數據。論文首先分析星下點高度計確定陸地湖泊與河流水位變化的精度。以貝加爾湖為例,評估了Jason-2、SARAL和Sentinel-3A使用不同重跟蹤算法的表現;對于更難獲得精確水位的河流,使用多顆星下點衛星測高數據,分析了不同重跟蹤算法提取河流水位的效果和影響因素。結果表明:Jason-2、SARAL和Sentinel-3A均可較精確地監測貝加爾湖的水位變化趨勢,推薦使用ICE1進行重跟蹤。河流水位監測時,對于SARAL、Jason-3和Sentinel-3A衛星,推薦使用ICE1和閾值法進行重跟蹤。Sentinel-3A和SARAL可獲得比Jason-3更高的水位精度。衛星測高水位監測效果與衛星的工作方式、使用的重跟蹤方法、足印區環境的同質性、水文站與衛星軌跡的距離及相交長度等有關,變化復雜。

(2) 寬刈幅衛星測高監測湖泊水位能力分析?，F有研究多集中在驗證SWOT監測湖泊整體水位變化的能力,忽略了SWOT寬刈幅水位數據在湖泊內不同位置的精度差異。論文基于星下點衛星測高數據仿真了貝加爾湖SWOT寬刈幅水位數據,將其與Jason級星下點衛星測高數據和實測水位數據進行比較,首先分析了其監測湖面水位變化的性能,其次分析了湖面不同區域的水位數據精度差異及其影響因素。結果表明:SWOT寬刈幅水位數據受殘余系統誤差影響難以達到Jason級星下點測高的精度,需對殘余系統誤差進行校正;此外,SWOT寬刈幅水位數據的精度與其空間位置、距星下點的距離和觀測值之間的時間間隔有關,位于靠近星下點、重復觀測次數多和時間間隔均勻位置處的數據精度更高。該結論可為將來SWOT數據使用提供參考。

(3) 寬刈幅湖泊水位數據誤差的局部交叉校正。SWOT官方使用局部估計中間內插的方式進行基線翻滾角等系統誤差的校正。但該方法只能改正基線翻滾角誤差的長波部分,其殘余短波部分仍嚴重影響著寬刈幅水位的精度。論文提出了針對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寬刈幅水位數據對局部交叉校正方法進行了驗證。結果表明: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寬刈幅水位數據的精度,對高分辨率SWOT寬刈幅水位數據精度的提升尤其顯著。該方法可作為官方校正方法的補充,進一步提高SWOT監測陸地水體水位的能力。

(4) 寬刈幅衛星測高河流流量監測。SWOT除監測陸地水體的水位外,還具有類似遙感衛星監測水面面積的能力,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河流數據用于提取河面寬度,然后使用AMHG算法計算河流流量并分析其精度,在此基礎上提出了基于河岸坡度和基于先驗流量的兩種算法改進方案,并在長江中下游的3個水文站進行了驗證。結果表明:利用SWOT河面寬度數據,基于河岸坡度的改進AMHG算法不僅提升了流量估計的精度,其趨勢也與實測數據更一致,同時改善了原始AMHG算法流量估計的系統偏差,有利于平均流量的計算?；谙闰灹髁康母倪MAMHG算法也可大幅提升流量估計精度,在SWOT數據發布后,利用SWOT河流產品聯合其他流量算法計算的先驗流量即可實現較精確的流量估計。