一种两类反演方法弹性配置的全球海洋重力场模型构建系统及方法

本技术属于海洋遥感测绘领域，具体涉及一种两类反演方法弹性配置的全球海洋重力场模型构建系统及方法。

背景技术：

1、雷达高度计(radaraltimeter)是一种重要的主动式微波遥感器，搭载于海洋遥感卫星上，通过向海面发射雷达脉冲信号并接收回波信号来获取海面高度(sea surfaceheight,ssh)、有效波高、风速等海洋观测数据。从卫星高度计ssh数据中提取海洋大地水准面和垂线偏差等重力相关参量，可以进一步反演出海洋重力场。卫星测高具有快速的全球覆盖能力，能够从空间大范围地获取全球海洋重力场信息，并能开展重复测量。相比于传统的重力探测手段(如船测、航空)，卫星测高在几个月内就可以完成过去一个世纪的工作量；相比于重力卫星，卫星测高可以探测更高分辨率的短波海洋重力场信息。因此，卫星高度计是目前获取高精度全球海洋短波重力场的最有效手段。

2、大地水准面高法和垂线偏差法是基于卫星测高数据反演海洋重力场的两类主流方法，它们分别在不同类型的海域更有优势。大地水准面高法具有更好的稳健性，尤其在近岸、浅水以及大洋环流影响显著等海况复杂海域受噪声干扰影响较小；而垂线偏差法具有更加敏感的重力场信号探测能力，在开阔海域特别是海底地形剧烈变化区域具有良好的性能。当今国际上最具代表性的全球海洋重力场模型是美国斯克里普斯海洋研究所(sio)的系列海洋重力场模型与丹麦科技大学(dtu)构建的系列海洋重力场模型，sio系列模型是基于垂线偏差法，dtu系列模型采用了大地水准面高法。目前，全球海洋重力场模型构建方法均采用单一反演方法，没有发挥大地水准面高法和垂线偏差法两类反演方法的优势，难以提供全球范围复杂海域的高精度海洋重力场信息。

技术实现思路

1、本技术的目的在于克服现有全球海洋重力场模型均采用单一反演方法构建，难以提供全球范围复杂海域的高精度海洋重力场信息的缺陷。

2、为了实现上述目的，本技术提出了一种两类反演方法弹性配置的全球海洋重力场模型构建系统，其特征在于，所述系统包括：

3、卫星测高数据预处理模块：用于对卫星测高数据进行数据编辑和质量控制，剔除无效数据和异常值后，从海面高中移除参考模型大地水准面高和海洋平均动力地形，得到用于反演的卫星测线海面高数据；

4、重力场反演方法弹性配置模块：用于对全球不同类型海域弹性配置海洋重力场反演方法，基于大地水准面高法和垂线偏差法的反演机理，设置两类海洋重力场反演方法融合的加权函数，建立两类反演方法的全球弹性配置策略，考察离岸距离、水深、海底地形特征参数分别评定两类方法的最佳适用场景，划分两类反演方法各自的反演区域；

5、垂线偏差法反演模块：用于对指定海域的卫星测线海面高数据进行差分处理计算海面高坡度，经垂线偏差分量解算得到垂线偏差格网数据，然后基于垂线偏差法反演出指定海域的海洋重力场；

6、大地水准面高法反演模块：用于对指定海域的卫星测线海面高数据进行交叉点平差，经格网化处理得到大地水准面高格网数据，然后基于大地水准面高法反演出指定海域的海洋重力场；

7、海洋重力场模型构建模块：用于根据海洋重力场反演方法全球弹性配置策略的融合加权函数，将两类反演方法得到的区域海洋重力场全球弹性融合，并恢复与上述移去的参考大地水准面高模型对应的参考重力场模型，构建得到全球海洋重力场模型。

8、作为上述系统的一种改进，所述卫星测高数据预处理模块的处理过程包括：

9、步骤a1：根据经纬度信息、海面高有效值范围和海陆掩膜信息对卫星测高数据进行数据编辑和质量控制，剔除无效数据和异常值；

10、步骤a2：用经纬度信息插值到卫星测高数据对应位置，从海面高中移除参考模型大地水准面高和平均动力地形：

11、δn＝ssh-mdt-nref

12、其中，δn为用于后续反演的残留高度；ssh为卫星测高得到的海面高度；mdt为平均动力地形模型的高度值；nref为参考模型大地水准面高度。

13、作为上述系统的一种改进，所述重力场反演方法弹性配置模块的处理过程包括：

14、步骤b1：基于大地水准面高法和垂线偏差法的反演机理并结合离岸距离、水深和海底地形特征参数，设置两类海洋重力场反演方法融合的加权函数，建立两类海洋重力场反演方法的全球弹性配置策略：

15、

16、pdov＝1-pgeoid

17、其中，pdov和pgeoid分别表示垂线偏差法和大地水准面高法的融合权重因子；x表示待求重力场位置的离岸距离或水深；xr表示两类海洋重力场反演方法融合区域近岸或浅水侧起始点；xq表示两类海洋重力场反演方法融合区域的一半宽度；xr+xq表示两类海洋重力场反演方法融合区域的中心点，该点垂线偏差法和大地水准面高法的融合权重因子相等，均为1/2；

18、在0≤x<xr范围内，完全采用大地水准面高法；在x≥xr+2*xq范围内，完全采用垂线偏差法；在xr≤x<xr+2*xq范围内，两类海洋重力场反演方法加权融合；

19、步骤b2：根据海洋重力场反演方法的全球弹性配置策略，考察离岸距离、水深和海底地形特征参数分别评定两类方法的最佳适用场景，即确定不同考察参数下最佳的xr和xq，划分大地水准面高法和垂线偏差法两类方法各自的反演区域。

20、作为上述系统的一种改进，所述垂线偏差法反演模块的处理过程包括：

21、步骤c1：对指定海域的卫星高度计的测线海面高数据进行差分处理计算测线海面坡度信息，包括时间tdov、经度λdov、纬度φdov、坡度εdov、方位角azdov和精度σdov：

22、

23、

24、

25、

26、

27、

28、

29、其中，ti，tj，λi，λj，hi，hj分别表示相邻两点i点和j点的时间、经度、纬度和海面高；re为地球平均半径；分别表示相邻两点i点和j点的精度；

30、步骤c2：将待求格网点附近的海面高坡度数据，经垂线偏差分量解算得到垂线偏差格网数据；

31、海面坡度与垂线偏差分量平均值的观测方程为：

32、

33、其中，εk、vk和αk分别为第k个观测点的坡度、残差和方位角；n为海面坡度点的数目；和为该格网点子午分量和卯酉分量的平均值；

34、根据最小二乘原理，解算出垂线偏差格网的子午分量和卯酉分量；

35、步骤c3：将解算得到的垂线偏差格网数据，基于垂线偏差法反演出指定海域的海洋重力场。

36、作为上述系统的一种改进，所述大地水准面高法反演模块的处理过程包括：

37、步骤d1：对指定海域的卫星测线海面高数据确定交叉点位置，基于最小二乘原理进行平差解算，去除轨道误差及时变噪声；

38、步骤d2：对平差后的测线海面高数据进行格网化处理，得到大地水准面高格网数据；

39、步骤d3：将大地水准面高格网数据，基于大地水准面高法反演出指定海域的海洋重力场。

40、作为上述系统的一种改进，所述海洋重力场模型构建模块的处理过程包括：

41、步骤e1：根据海洋重力场反演方法全球弹性配置策略设置的融合加权函数，将两类反演方法得到的区域海洋重力场进行全球弹性融合；

42、两类方法反演海洋重力场全球弹性融合的表达式为：

43、δgcom＝pdov*δgdov+pgeoid*δggeoid

44、其中，δgcom表示融合得到的重力值；δgdov和δggeoid分别表示垂线偏差反演海洋重力值和大地水准面高反演海洋重力值，未计算格网点重力值默认为0；pdov和pgeoid分别表示垂线偏差法和大地水准面高法的融合权重因子；

45、步骤e2：将与上述移去的参考大地水准面高模型对应的参考重力场模型恢复到融合的全球海洋重力场，生成全球高精度的海洋重力场模型；

46、全球海洋重力场模型表达式为：

47、g＝δgcom+gref

48、其中，g为最终的海洋重力场模型；gref为参考重力场模型。

49、本技术还提供一种两类反演方法弹性配置的全球海洋重力场模型构建方法，基于上述系统实现，所述方法包括：

50、步骤1)读入卫星雷达高度计的测高数据，对数据进行编辑剔除测高数据中的异常值；

51、步骤2)从海面高中移除参考大地水准面高模型和平均海面动力地形模型，得到用于反演的卫星测高数据；

52、步骤3)对全球不同类型海域弹性配置海洋重力场反演方法，基于大地水准面高法和垂线偏差法的反演机理，设置两类海洋重力场反演方法融合的加权函数，建立两类反演方法的全球弹性配置策略，考察离岸距离、水深和海底地形特征参数分别评定两类方法的最佳适用场景，划分两类反演方法各自的反演区域；

53、步骤4)对指定海域的卫星测高数据进行差分处理计算海面高坡度，并解算垂线偏差分量信息，然后基于逆vening-meinesz法反演出指定海域的海洋重力场；

54、对指定海域的卫星测高数据进行海面高交叉点平差，计算大地水准面高格网数据，然后基于逆stokes法反演出指定海域的海洋重力场；

55、步骤5)根据海洋重力场反演方法全球弹性配置策略设置的融合权重因子，将两类反演方法得到的区域海洋重力场进行全球弹性融合；

56、步骤6)将与上述移去的参考大地水准面高模型对应的参考重力场模型恢复到融合的全球海洋重力场，生成全球高精度的海洋重力场模型。

57、与现有技术相比，本技术的优势在于：

58、1、本技术首次建立了一套面向复杂海域的垂线偏差法和大地水准面高法弹性配置的全球高精度海洋重力场模型构建系统。

59、2、本技术提出的全球海洋重力场模型构建方法，可以对全球不同类型海域弹性配置海洋重力场反演方法，有效融合大地水准面高法和垂线偏差法两类反演方法的优势，获取全球范围复杂海域的高精度海洋重力场信息。