文章引自：《自然资源学报》2010年第3期。

Jason-2卫星测高数据在陆地水域水位变化监测中的应用——以南洞庭湖为例

李景刚1，李纪人1，阮宏勋2，黄诗峰1

(1. 中国水利水电科学研究院 遥感技术应用中心，北京 100048；

2. 上海交通大学 电子信息与电气工程学院，上海 200240)

摘要：论文在对Jason-2/OSTM GDRs数据特点、湖泊水位计算原理、测高数据编辑与处理过程进行详细阐述的基础上，以地处长江中游的南洞庭湖区为监测实例，对Jason-2卫星测高数据在陆地水域水位变化监测中的应用进行了试验研究。在同监测点距离最近的地面水文站实测水位的对比来看，二者监测结果间存在显著的线性相关关系，相关系数达0.974。表明基于Jason-2/OSTM GDR数据的水位监测结果具有较高的可信度，在陆地水域水位变化卫星监测中具有一定的现实可行性，从而为我国陆地水域水位变化监测提供了一种新的有效技术手段。

关  键  字： 卫星测高；陆地水域；水位变化；南洞庭湖

中图分类号：P236；P332.3 　文献标识码：A　 文章编号：1000 – 3037（2010）03 – 0502-09

1         引言

卫星测高学是随着卫星遥感遥测技术的应用而发展起来的一门新型边缘学科，它利用卫星上装载的微波雷达测高仪、辐射计和合成孔径雷达等仪器，实时测量卫星到海面的距离、有效波高和后向散射系数，并通过数据处理和分析，来研究大地测量学、地球物理学和海洋学等方面的问题[1]。其测高原理是利用星载测高仪上的雷达装置垂直向下发射脉冲信号，经过地球表面（海、陆、冰等）反射后回到接收天线；然后通过测量脉冲往返时间来确定卫星质心到星下点的距离，继而计算得到星下点的海（水、冰等）平面高度[2]。自1973年{dy}颗星载主动微波遥感器Skylab发射以来，雷达测高技术得到了迅速的发展，至今国际上已相继实施了10余项这样的卫星测高计划，其中近30多年来世界各国先后发射的载有雷达测高仪的卫星平台如下图1所示。30多年来的研究实践表明，卫星测高技术在研究海洋大地水准面和重力异常方面，在研究地球物理和海洋参数方面，均具有巨大的应用潜力[3-5]。

在陆地水域水位信息的获取上，人们通常采用地面定点（水文站点）、连续观测的方式，而这种方式往往需要一定的人力、物力和财力资源保障。但在现实情况中，许多陆地水域（如河流、湖泊等），由于其地处偏远，若要在其周边布置地面观测站点往往存在诸多困难，尤其是在一些经济条件相对落后的地区。近年来，随着新一代测高卫星不同跟踪模式的实现，卫星雷达测高作为一种技术手段，从最初的全球海平面变化观测，正逐步扩展到极地冰盖厚度以及内陆水域水位的变化监测中，尤其像一些缺乏地面水文观测的河流、湖泊、湿地等内陆水域[6-8]。例如：Birkett、Ponchaut、Camilo等人先后利用Topex/Poseidon（T/P）数据和ENVISAT-1数据，对北美、南美、中美、东非等地区的诸多内陆水域水位变化以及其与气候环境间的关系进行了研究[7-14]。在国内，李建成、褚永海等人，也先后利用Jason-1、T/P和Envisat-1等卫星测高数据，对我国呼伦湖、青海湖、长江中下游4湖（鄱阳湖、洞庭湖、太湖、巢湖）等水位变化及其气候关系进行了监测研究[6, 15-17]。另外，张继群等人[18]利用T/P数据，对卫星测高数据在江河流量测算中的应用也进行了相关研究，为利用遥感手段估算河流流量开辟了一条新的途径。

（引自：http://www.pecad.fas.usda.gov/cropexplorer/global_reservoir/）

图1 1985年以来各种卫星雷达测高仪的发射和运行时间表

Fig.1 The general timeline for satellite radar altimeters since 1985

作为T/P和Jason-1星的延续，Jason-2于2008年6月20日在美国加利福尼亚州的范登堡空军基地被成功发射升空。该星的轨道高度、轨道倾角、重访周期等基本特征与T/P和Jason-1相同，其中轨道高度为1336km，轨道倾角66.039°，重访周期约为10天。另外，该星也被称作“大洋表面形态任务”（Ocean Surface Topography Mission，OSTM）星，为法国航天局（CNES）、美国国家航空航天局（NASA）、欧洲气象卫星组织（EUMETSAT）和美国国家海洋大气管理局（NOAA）的一项联合任务。当前，Jason-2和Jason-1同时在轨运行。不过，Jason-1于2009年2月在Jason-2星定标阶段结束时经过了变轨处理。与当年T/P星变轨一样，Jason-1轨道被漂移55″，现位于先前地面轨迹的间隙中部；而其先前轨道则让位于Jason-2星，而这也正是T/P星2002年变轨前的所在轨道，从而保证了该系列星观测数据的连续性。变轨后，Jason-1和Jason-2相邻轨道间彼此观测数据存在5天的时间延迟[19]。

在经过在轨1年多时间的测试和校正后，OSTST（Ocean Surface Topography Science Team）发现，Jason-2/OSTM GDRs（Geophysical Data Records）数据产品具有非常好的数据质量，其海面测高精度可达2.5~3.4cm，而且同Jason-1 GDRs保有很好的一致性。因此，在2009年6月的西雅图会议上，OSTST建议对Jason-2/OSTM GDRs数据进行发布[20]。随后，于2009年8月5日，OSTST在Aviso网站和NOAA Class网站分别对外发布了Jason-2/OSTM Version ‘T’ GDRs数据产品。

为了有效检验Jason-2卫星测高数据在陆地水域水位变化监测中的可行性，本文在对Jason-2/OSTM GDRs数据特点、湖泊水位计算原理、测高数据编辑与处理过程进行详细阐述的基础上，以地处长江中游的南洞庭湖区为监测实例，对Jason-2测高数据应用于我国陆地水域水位变化监测进行试验研究。

2         研究区和数据

2.1 研究区概况

洞庭湖为我国第二大淡水湖，跨湖南、湖北两省，是一个吞吐型湖泊。洞庭湖由东、南、西3个湖泊组成。北面的松滋河、藕池河、华容河分别从松滋、太平、藕池、调弦（1958年堵口建闸）四口分泄长江中游荆江水沙入湖，即四口水系。南、西面有湘水、资水、沅水、澧水四水入湖，即四水水系。另外，还有汨罗江、新墙河等区间河溪入湖。水系流域面积262823km2，占长江流域总面积的12%，入湖水沙经湖泊调蓄后，于湖口七里山泄入长江[21]。该湖的存在和稳定，对于缓解长江中游地区洪涝灾害，减小长江干流的冲淤变迁，维系地区的洪水蓄泄和泥沙的冲淤平衡，具有不可替代的作用[22]。图2为GoogleEarth环境下显示的Jason-2卫星通过洞庭湖的地面轨迹。在每个周期（Cycle）内，Jason-2总共有254个Pass文件，其中只有Pass 12弧段经过沅江市东侧的南洞庭湖湖面。此处水位变化主要受西洞庭湖（四口、沅水和澧水）来水量的影响。

2.2 Jason-2测高数据

OSTST发布的Jason-2/ OSTM GDRs属于Jason-2的2级数据处理产品，其总共包括3个大类9种不同的数据格式（表1）[20]。其中，从OGDR（Operational GDR）到IGDR (Interim GDR)，再到最终的GDR，所包含的主要海洋信息参数以及数据格式均基本相同，{wy}不同的就是处理过程中所采用的辅助数据以及数据的精度水平。同时，伴随着最终数据处理精度的不断提高，数据分发延时也依次递增。另外，对于3类数据产品内部的3种不同数据文件类型，从上到下，文件大小和复杂性也依次递增。

表1 Jason-2/OSTM 2级数据产品

Table1 Jason-2/OSTM level-2 products

*注：除OGDR-BUFR外，其它数据均为NetCDF（Network Common Data Form）格式；OGDR-BUFR内未包含20Hz采样率数据； SSHA = Sea Surface Height Anomaly。

本文所用的Jason-2测高数据为从Aviso网站下载的北京时间2008-07-12~2009-05-16（Cycle001~Cycle032）间所有的Pass12 GDR数据。每个Pass文件约5 MB，数据分发延迟为60天。

3         方法

3.1湖泊水位计算

湖泊水位是指湖泊自由水面的高程。根据卫星测高基本原理（图3），湖泊水位计算公式为：

                                 （1）

式中：GH为湖泊水位正高；AltSat为测高仪的椭球高；RanSat为测高仪的观测距离；△RanCor为各项观测误差修正；HeiGeo为大地基准面相对于参考椭球面高度。其中，参考椭球体与T/P和 Jason-1卫星相同，将地球定义为一个赤道半径6378.1363km、扁率1/298.257的椭球体。而大地水准面则采用的是EGM96水准面[20]。

对于陆地湖泊由于水面相对较小，与开阔的海洋相比受海潮、逆气压、潮压等的影响相对很小，因此本研究中也未考虑上述观测误差修正。公式（1）中具体的观测误差修正为：

                     （2）

式中：Wet为湿对流层修正；Dry为干对流层修正；Lono为电离层修正；Set为固体潮修正；Pol为极潮修正。

公式（1）、（2）中各变量值均从GDR数据文件中读取，读取软件为欧空局网站提供的基本雷达测高工具箱BRAT（Basic Radar Altimetry Toolbox）。另外，结合数据本身有效性，卫星测高仪椭球高和观测距离均采用的是20Hz采样率数据，Retracking过程为Ice-retracking，在GDR文件中分别对应于alt_20hz 和ice_range_20hz_ku数据项；而湿对流层修正、干对流层修正、电离层修正、固体潮修正和极潮修正，则分别对应于GDR文件中的rad_wet_tropo_corr、model_dry_tropo_corr、iono_corr_gim_ku、solid_earth_tide和pole_tide数据项。

3.2数据编辑与处理

1）数据编辑规则：对于湖泊范围内的GDR数据，由于其数量相对较少，因此对其进行编辑处理时不能xx使用海洋上的数据编辑标准。本研究中，GDR数据的具体编辑标准为：①保证数据位于湖泊水面范围以内。借助GDR文件内的surface_type数据项以及同期的MODIS、北京一号、中巴卫星等数据进行控制。②保证数据系统处理过程有效。借助GDR文件内的数据处理质量标识数据项，如ice_qual_flag_20hz_ku等进行控制。③保证各项修正的数值在有效范围内。参照海洋数据处理标准，对各修正项数值范围进行有效设定。

2）由于Jason-2卫星不同周期（Cycle）间的同一地面轨道间距可达1km，每次测量的点位并不xx相同，因此参照文献[16]，在将不同cycle中的观测数据处理成一个时间序列前，把测高卫星观测的湖面水位数据约化到同一参考点上。如图4所示，首先根据读入GDR数据的多少，将参考点选取在湖面数据点最多的cycle轨迹上；其次根据每个cycle中所观测点 ，…， 处的水位计算出 处相应的湖面水位平均值；{zh1}根据实际轨道与参考轨道的距离，加入大地起伏差将实际轨道上的湖面水位约化到参考轨道 处。

                              （3）

                        （4）

式中： 为实际轨道各观测点的水位值； 为实际轨道的平均水位值； 为实际轨道平均水位的约化值； 为实际轨道均值点的大地起伏值； 为参考轨道参考点的大地起伏值。        

4 结果分析

4.1 南洞庭湖监测点水位变化监测分析

Jason-2/OSTM GDR内采用的是UTC（Universal Time Coordinate）时间，在此基础上再加8小时即可转换为北京时间。经时间转换后南洞庭湖监测点水位变化过程如图5所示：

1）2008年8月中旬~2008年9月中旬南洞庭湖监测点水位相对较高。其中，8月中旬的高水位主要来自于流域西部的强降水，期间沅江、澧水均发生了超警洪水。根据2008年8月全国主要江河水情月报[23]显示，沅江上游支流锦江芦家洞水文站8月16日11时洪峰水位为236.18m，超过警戒水位1.18m，相应流量2300m3/s；而中游支流酉水高砌头水文站8月16日20时洪峰水位为115.36m，超过警戒水位0.36m，相应流量9240m3/s。另外，澧水控制站石门水文站8月16日13时洪峰水位为58.51m，超过警戒水位0.01m，相应流量9220m3/s；而其下游津市水文站8月17日4时洪峰水位为41.43m，超过警戒水位0.43m，相应流量8700m3/s。因此，相对处于下游的监测点水位在8月21日出现一峰值，为31.97m。而8月下旬~9月中旬期间，洞庭湖流域降水较少，监测点9月10日的高水位可能主要由上游长江入湖水量的增加造成。

2）2008年9月中旬至2009年4月初，受洞庭湖四水、长江干流来水减少以及三峡水库蓄水的影响，南洞庭湖监测点水位下降明显，水位较低，基本维持在28~29m之间。不过2008年11月上旬受长江中上游强降水过程的影响，沅水、资水都发生了当年以来和历史同期的{zd0}洪水，而地处相对下游的南洞庭湖监测点水位也受此影响显著。根据2008年11月全国主要江河水情月报[23]显示，沅江控制站桃源水文站11月7日17时洪峰水位为43.97m，超过警戒水位1.47m，相应流量18400m3/s；其下游常德水文站11月8日1时洪峰水位为39.60m，超过警戒水位0.60m，相应流量18700m3/s。因此，监测点水位在2008年11月8日也创下了本文监测时段内的{zg}值，为32.38m。

3）2009年4月下旬，受湖南北部、西部以及贵州东部等地区强降水的影响，南洞庭湖监测点水位相对较高。根据2009年4月全国主要江河水情月报[23]显示，沅江上游支流六洞河、马尾河、舞阳河发生超警洪水，其中六洞河六洞桥水文站4月19日14时30分洪峰水位为528.65m，超过警戒水位1.65m，相应流量662m3/s。另外，资水支流赧水、湘江支流渌水也均发生超警洪水，其中渌水大西滩水文站4月20日3时洪峰水位为51.28m，超过警戒水位0.78m，相应流量1290m3/s。因此，受上游来水量的增加影响，2009年4月26日监测点水位也出现了一个明显峰值，为30.87m。

图5 南洞庭湖水位变化监测结果

Fig.5 Monitoring results of water level fluctuation in the South Dongting Lake

4.2 水位监测结果精度分析

受Jason-2雷达测高仪同实测水文站水位高程基准（参考椭球体和大地水准面）、地形比降、洪峰过境以及观测时间等诸多因素差异的影响，本文利用水文站实测水位数据对测高仪水位监测结果进行间接性的精度分析。从距离监测点最近的小河咀水文站实测水位变化过程看（图5），Jason-2雷达测高仪监测结果虽与其在数值上存在一定差异，但二者所反映的南洞庭湖水位变化过程则基本一致。另外，从图6中可以看出，Jason-2测高仪监测水位与水文站实测水位间存在显著的线性相关性，相关系数达0.974，且通过了99%的显著性检验，即Jason-2卫星测高得到的水位数据具有较高的可信度，在一定程度上可用于我国陆地水域水位变化的卫星监测。

5         结论和讨论

Jason-2作为 Jason-1和T/P星的延续，在轨运行1年后OSTST于2009年8月5日对外发布了Jason-2/OSTM GDRs 2级数据产品。为了有效检验该数据产品在陆地水域水位变化监测中的可行性，本文以地处长江中游的南洞庭湖区为监测实例，在对Jason-2/OSTM GDRs数据特点、湖泊水位计算过程进行详细阐述的基础上，对Jason-2测高数据应用于陆地水域水位变化监测进行了试验研究。在与监测点距离最近的地面水文站实测水位的对比来看，二者监测结果间存在显著的线性相关性，相关系数达0.974。这些表明基于Jason-2/OSTM GDR数据的水位监测结果具有较高的可信度，在我国陆地水域水位变化卫星监测中具有一定的现实可行性。

需要指出的是，卫星测高技术设计的初衷是研究海洋，要将其用来研究陆地水域，还受到河流或湖泊面积小和卫星地面轨迹覆盖有限等诸多限制。另外，不同于各种卫星成像装置，雷达测高仪只能提供其轨道周围一定区域内的水位观测信息。因此，利用卫星监测陆地水域水位变化，在数据的实时性上同地面水文站点还存在一定的差距，但如果能将多卫星资料结合，实现陆地水域多星联合监测，对于研究区域气候与水文变化将有着极其重要的意义，同时也为我国陆地水域水位监测提供了一种新的有效技术手段[5]。另外，需要说明的是，由于文中只选取了南洞庭湖一个试验点，因此一定程度上限制了本文研究结论的代表性。在今后工作中，还需通过选取其它一些河流、湖泊的水位监测，进而对Jason-2测高数据在我们陆地水域水位变化监测中的可行性做出更为深入和全面的评价。

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Application of Jason-2 altimetry data in monitoring of continental water level fluctuations—a case study in South Dongting Lake, China

LI Jing-gang1, LI Ji-ren1, RUAN Hong-xun2, HUANG Shi-feng1

(1. Remote Sensing Technology Application Center, China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100048, China; 2. School of Electronic, Information and Electric Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

Abstract: In order to test of the feasibility of Jason-2 satellite altimeter data on inland water level monitoring, in this paper, the characteristics of Jason-2/OSTM GDRs and the process for lake water level calculation were elaborated, and the South Dongting Lake on the middle reach of the Yangtze River in China was taken as an monitoring example to experimentally study the application of Jason-2 altimetry data in monitoring of continental water level fluctuations based on data editing rules and some geophysical corrections. The study results compared with the measured level data from the nearest in-situ station showed a linear dependence with the correlation coefficient 0.974, in the meantime, which proved that the Jason-2/OSTM GDR data had the ability to monitor the continental water level fluctuation to a certain extent, and also could provide an effective technical means and method to investigate the long-term level variations of inland waters in China.

Key words: satellite altimetry; continental waters; water level fluctuation; South Dongting Lake

2009-09-04； 修订日期：2010-01-06

资助项目：国家自然科学基金（40801170）；国家高技术研究发展计划（2009AA12Z144）；国家科技支撑计划（2009BAK56B01）。

{dy}作者简介：李景刚（1978-），男，河北南皮人，博士生，主要从事水资源遥感及生态环境评价研究。

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