一种基于ICESat-2激光雷达数据的海浪峰值波长提取方法及系统与流程

本发明涉及遥感技术应用和海洋科学领域，特别是关于一种基于icesat-2(ice,cloud, and land elevation satellite-2)激光雷达数据的海浪峰值波长提取方法及系统。具体地说，本发明为海浪峰值波长提取提供了新的可能性。

背景技术：

1、海浪是海洋中一种常见的自然现象，也是海洋基本的物理要素。海浪要素是指海浪的波高、波长、周期和波速等参数。通过研究海浪要素可以深入了解海洋中的运动和变化，可以帮助理解大气系统和海洋系统的相互作用，预测气象变化以及应对极端事件，同时也可以辅助海洋工程的设计和建造，为海上船舶行驶提供安全保障。传统的海浪要素观测方式主要为海上锚泊浮标观测，利用浮标上配备的位移传感器，通过测量位移变化来计算波浪的波高；利用加速计和陀螺仪来测量浮标的加速度和角速度，从而计算波浪传播方向。但是这种观测方式在面对海况复杂的大面积海域海浪观测时，无法全面且高效的获取海浪信息。同时，高昂的仪器成本和仪器投放、维护所需的大量人力资源也成为了锚泊浮标无法作为大面积海域观测手段的关键因素。

2、随着传感器技术和成像技术的发展，各种遥感设备应运而生并应用于各种监测任务。目前，应用于海浪要素提取的遥感技术主要有微波高度计和合成孔径雷达。微波高度计通过测量从海面反射回来的信号的强度以及从海面散射的信号的方向和强度，根据波浪周期、有效波高等信息，利用半经验方法、神经网络方法或参数化方法反演出海浪峰值周期。但是微波高度计获取的数据分辨率较低，无法提供高精度的海浪要素信息。合成孔径雷达通过影像中反射和散射模式来反演出波高、波长和波向等海浪特征。上述两种遥感手段反演海浪要素的过程均较为复杂，且反演精度受所选反演方法影响较大。

3、本发明针对海浪要素信息反演需求，基于icesat-2激光雷达数据，通过频谱分析，相干性分析等方法，计算出海浪峰值波长等海浪参数，提出了一种基于icesat-2激光雷达数据的海浪峰值波长提取方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种新的基于icesat-2激光雷达数据的海浪峰值波长提取方法及系统，该方法能够实现对海浪峰值波长的精确提取。

2、本发明通过以下技术方案实现：

3、一种基于icesat-2激光雷达数据的海浪峰值波长提取方法，包括以下步骤：

4、（1）根据目标区域筛选出icesat-2激光雷达数据；

5、（2）针对icesat-2激光雷达数据，提取出海面信号光子；

6、（3）针对提取出的海面信号光子，进行海面光子廓线提取；

7、（4）通过对海面信号光子廓线进行频谱分析，反演出海浪初步峰值波长；

8、（5）根据icesat-2激光雷达数据每对强弱光束的光子组成的波列存在的高度相干性，获得正确的海浪波向，进而对初步峰值波长进行校正，得到修正后的海浪峰值波长。

9、上述技术方案中，进一步的，步骤（1）中的icesat-2激光雷达数据来自于ice,cloud, and land elevation satellite-2，需含有目标区域规则的海浪信息。

10、进一步的，步骤（2）中针对icesat-2激光雷达数据，提取出海面信号光子，具体包括：

11、1）将icesat-2激光雷达数据中的光子固定高程间隔均匀垂直分成若干段，并统计各段内的光子数；

12、2）基于高斯拟合，确定水面光子的初始上下界；

13、3）利用滑动窗口对初始上下界之间的光子进行中值滤波并迭代处理，得到水面光子的精确上下界，其间光子即为海面信号光子。

14、进一步的，所述步骤2）具体为：

15、根据1）中统计结果绘制光子数与分段中心高程值的统计图，分别以高程值及段内光子数为坐标x轴、y轴；使用寻峰算法在统计图中找到光子数峰值及其对应的高程值坐标，然后沿着y轴将统计图进行倒置，即将统计图中所有y轴坐标值乘-1，借助寻峰算法找到另一个峰值及其对应的x坐标，并确定关于 的对称x坐标；对统计图x坐标范围<mi>[</mi><msub><mi>x</mi><mi>valley</mi></msub><mi>,</mi><msub><mi>x</mi><mi>valley</mi></msub><mi>']</mi>内的数据进行单高斯曲线拟合，得到拟合后的均值，标准差和幅值；将水面光子的初始下界设置为，将水面光子的初始上界设置为。

16、进一步的，所述步骤3）具体为：用滑动窗口对介于水面光子初始上下界之间的光子进行中值滤波，保留每个窗口内光子高程值排序中间的光子，得到水面中点，对水面中点进行插值，将拟合后的曲线分别上下移动，得到第一次迭代后的水面上界和下界；通过迭代进行共三次上述操作得到水面光子的精确上界和下界。

17、进一步的，步骤（3）中所述进行海面光子廓线提取，具体包括：将得到的所有海面信号光子的高程减去平均高程即进行去趋势化，然后对去趋势后的海面信号光子进行支持向量回归拟合，消除不同海面间的差异，对拟合后的回归线进行重采样，重采样点的连线即为海面廓线。

18、进一步的，步骤（4）中具体包括：对海面光子廓线进行频谱分析，提取出谱密度，谱密度显著峰值对应波数的倒数即为反演出的海浪初步峰值波长，根据线性水波理论频散公式即可得到初步周期。

19、进一步的，步骤（5）中利用每对强弱光束的光子组成的波列存在的高度相干性，通过welch平均修正周期图法计算强弱光束波形的交叉功率谱密度，获取不同频率或波长下强弱光束波形的相位角，根据海浪初步峰值波长即可得到相应的强弱光束波形的相位角，计算出海浪传播方向，结合强弱光束波形的相位角、海浪传播方向以及icesat-2飞行方向对海浪初步峰值波长进行修正，得到校正后的海浪峰值波长。

20、进一步的，根据下式计算出海浪传播方向：

21、式中为以弧度制为单位的icesat-2轨道倾角，为强弱光束波形的相位角，

22、进而校正出正确的海浪峰值波长，计算公式如下：

23、式中为海浪传播方向与icesat-2飞行方向的夹角，l为海浪初步峰值波长，d为光束对内强弱光束在跨轨方向上的距离，；为校正后的海浪峰值波长。

24、一种基于icesat-2激光雷达数据的海浪峰值波长提取系统，用于实现上述任一项所述的方法。

25、本发明针对海洋环境监测和资源管理等领域的需求，提出了一种新的基于icesat-2激光雷达数据的海浪峰值波长提取方法及系统。该方法针对目标区域，提取大量icesat-2激光雷达数据的海面信号光子，通过对海面信号光子进行支持积向量回归拟合，提取出海面廓线；通过对海面光子频谱分析，反演出正确的海浪波长以及海浪周期；利用每对强弱光束的光子组成的波列存在高度相干性，计算出了海浪传播方向。本发明旨在提高海浪要素反演的精度和效率，并为海洋环境监测和资源管理提供可靠的技术支持，具有极大实用价值。本发明为海浪要素反演提供了一种高效便利的方式，是遥感信息技术应用方面的一项创新，是对海浪要素反演方法的一个有益补充。