基于多波束高度计实验数据的海冰厚度估算方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于多波束高度计实验数据（Multiple Altimeter Beam Experimental Lidar，MABEL)的海冰厚度估算方法，属于遥感地学应用技术领域。
【背景技术】
[0002] 海冰一直被认为是全球气候变化的关键变量之一，是全球大气和海洋环流变异的 预警平台，对全球大气和海洋环流有重要和长期的影响，并直接决定着海-气能量与物质 的交换过程和速率。
[0003] 目前国内外海冰厚度测量方法大致可分为两大类：一类是直接测量法，另一类是 遥感测量法。直接测量就是采用厚度测量工具和仪器对海冰进行实地直接测量，包括：水下 声纳方法、冰钻打穿海冰测厚等，但由于环境条件的限制和时间、空间的约束，直接测量的 实施与操作都比较困难，而且只能对有限的海冰进行测量。
[0004] 近十年来，随着空间技术的发展，利用卫星和航空航天对地观测技术获取海冰 遥感资料，再通过模型算法得出海冰厚度与形态特征已成为重要的途径。比较常见的有： CryoSatl，ERS-l，ESR-2，Envisat以及ICEsat等测高卫星估算海冰厚度。ICESat作为一 颗近地激光测高卫星，相比星载雷达高度计提供了更加精确的观测数据。目前测高卫星一 般采用测量海冰出水厚度（水面以上的厚度），通过估算浮冰、雪和水的密度，套用静水力 学公式换算得出海冰厚度。CryoSat，ERS-1，ESR-2和Envisat等雷达高度计卫星都得到 了很好的应用。但是由于雷达高度计自身的穿透性，雷达波穿透雪到达海冰并极有可能在 雪冰的交界面反射，而不是从雪表面反射。由于表面雪的存在，增加了海冰厚度估算的不确 定性。积雪的测量采用了各种方法，包括运用气候学模型，气象观测，通过被动微波数据反 演等。ICESat发射的激光束不会穿透雪层，而是直接测量雪表面的反射，降低了厚度计算的 不确定性。与此同时，ICESat的观测数据改进了空间抽样，并扩大了观测的覆盖区域。
[0005] ICESat-2卫星将在2017年发射，该卫星在ICESat技术基础上，测高技术和精准 度都有了很大的提高。在极地冰雪环境遥感测量方面的主要科学目标仍然是冰盖变化和 海冰厚度。由于ICESat已经不再采集高程数据，将会出现多年激光高程数据的间断。在 ICESat-2发射之前，NASA正在实施冰桥作业（Operation Ice-Bridge),它由一系列的空 载观测组成，范围覆盖南极和格陵兰及周围区域。
[0006] MABEL (Multiple Altimeter Beam Experimental Lidar)是 NASA 冰桥作业的一 部分，MABEL是一种基于多波束高度计实验数据，作为ICESat-2卫星的模拟机，搭载在ER-2 飞机上用于验证ICESat-2卫星高度计的精度和参数设置；确定ICESat-2地球物理算法； 对ATLAS测量方法提供详细的误差分析以及提供ATLAS模型的验证。MABEL作为ICESat-2 卫星的模拟机很多参数设置与ICESat-2卫星相同，采用微脉冲多光束光子计数方法，波长 为532和1064nm，脉冲宽度2ns，激光脉冲重复频率在5-25KHZ，光斑直径为2m，飞行高度20 公里。高度计应用了每点多探测像素，提高了光子捕获能力；应用激光坐标参考系统提供 了每个激光点的绝对指向，使得MABEL数据的观测精度大大提高。对精确量化冰盖高程变 化和海冰厚度估算提供了有效的手段，对精确量化冰盖对海平面的年季贡献率和南北极海 冰物质平衡变化将具有更加深远的科学意义。
【发明内容】
[0007] 本发明要解决的技术问题是：针对多波束高度计实验数据（MABEL)提出一种海冰 厚度估算方法，能够快速从MABEL数据中去除大气影响，获取海冰厚度参数。
[0008] 为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是：一种基于多波束高度计实验 数据的海冰厚度估算方法，其特征在于，包括如下步骤： 第一步、读取MABEL原始数据，从中提取反射光子的时间数据、高程数据和经纬度数 据，并进行匹配； 第二步、以时间T为步长，将反射光子的数据按照时间轴进行分割； 第三步、统计每个被分割的时间区间内反射光子高程数据的最大值和最小值，并根据 二者之差，将光子数据在高程轴上进行N等分；统计每个高程区间内包含的反射光子数量， 提取包含反射光子数量最多的高程区间，舍弃其他高程区间的光子数据；至此得到各时间 区间中光子数量最多的高程区间； 第四步、统计各时间区间中包含光子数量最多的高程区间内的反射光子的高程标准差 Std和高程均值M; 第五步、对于任意一个时间区间而言，如果|M- M_initial|>0. 01m，则将M的值赋予皿_ initial，针对高程在[M-Std，M+Std]范围内的反射光子重新计算高程标准差Std和高程 均值M，并重复本步骤，直到|M- M_initial|彡0. 01m为止，其中，M_initial的初始均为 〇 ； 第六步、针对每个时间区间，提取高程数据在[M-Std，M+Std]范围内的反射光子； 第七步、将各时间区间内高程在[M-Std，M+Std]范围内的反射光子的高程平均值，作 为该时间区间反射光子对应地理位置的海面高程，将所有时间区间的海面高程进行连接， 得到海面高程的轮廓线；所述海面高程轮廓线包含了裸露水域的海平面高程和浮冰区域的 海冰冰面高程； 第八步、某一时间区间对应的海冰冰面高程减去附近时间区间的海平面高程，即得到 该时间区间对应地理位置的海冰出水高度，据此出水高度来计算该地理位置的海冰厚度。
[0009] 本发明还具有如下进一步的特征： 1、所述MABEL原始数据以HDF格式存储，第一步中利用MATALB软件的hdf5read函数 读取该MABEL原始数据。
[0010] 2、每个反射光子的时间数据、高程数据、经纬度数据都具有相同的ID码，第一步 中，根据该ID码将反射光子的数据进行匹配，在MATLAB中创建三维数组用于存储匹配结 果。
[0011] 3、第二步中，利用MATLAB软件显示匹配后的反射光子数据，并创建cell型数组存 储按照时间轴进行分割的反射光子数据。
[0012] 4、第三步中，针对任一时间区间，提取光子数目最多的高程区间具体步骤如下： 步骤a、创建数组Number用于存储高程区间内包含的光子个数，仓ij建二维数组elev，将 cell型数组存储的时间轴等分结果赋给elev ; 步骤b、利用Max和Min函数统计数组elev的最大值、最小值，并对其进行N等分，利用 length函数提取高程区间的光子数量，存储在数组Number中； 步骤c、利用Max函数搜索数组Number中的最大值，提取该高程区间的高程范围； 步骤d、利用Find函数在数组elev中搜索步骤c中提取的高程范围内包含的光子，赋 给cell型数组，数组Number和elev清空，等待进入下一个时间区间的处理。
[0013] 本办法占用资源少，执行效率高，能够快速处理海量的MABEL数据，有助于海冰厚 度的高精度快速提取。
[0014] 5、第四步中，采用mean和std函数统计包含光子数最多的高程区间的标准差Std 和均值M。
[0015] 6、N的取值范围为8-12, T的取值为0. 125s，h的取值范围为0. 001-0. 01m。
[0016] 7、第七步中，采用plot函数绘制海面高程轮廓线。
[0017] 本发明利用多波束高度计实验数据（MABEL)，经过数据匹配、网格构建、出水高度 计算等处理，估算海冰厚度。首先对原始的MABEL数据进行预处理，去除无关信息，提取反 射光子的高程、时间和经纬度坐标，在此基础上进行数据匹配。然后对光子数据构建二维网 格，统计每个单元的光子数目，取光子数目最多的区间作为海面高程反射的光子。最后根据 光子的高程计算海冰的出水高度，进而估算海冰厚度。与传统方法相比，本发明引入MABEL 数据估算海冰厚度，精度更高。
[0018] 此外，本发明基于多波束高度计实验数据估算海冰厚度的方法，还具有如下改 进： 1、第一步中，从MABEL数据中提取反射光子的高程、时间和经纬度信息时，去除数据中 的气候、飞行参数、轨道信息，以减少数据量，提高了数据处理效率。
[0019] 2、第二、三步中，利用时间、高程建立二维坐标，对匹配的反射光子数据进行分割 形成平面网格，根据高程分布，可初步提取海面反射光子的高程，相比于传统的滤波等算 法，效率大大提高。
[0020] 3、第六步中，从初步提取的光子高程中统计光子分布的均值和方差，经过多次试 验，选取〇. 01作为评判标准，有效提_了_程提取的精度。
[0021] 4、第七、八步中，提取海冰出水高度，根据出水高度估算海冰厚度参考了其他文 献，目前Cry 〇Sat，ERS-l，ESR-2和Envisat等雷达高度计卫星都得到了很好的应用。例 如 Laxon 等人 2003 年发表于 Nature 的 "High interannual variability of sea ice thickness in the Arctic region"采用测量出水厚度，套用静水力学公式换算得出海冰 厚度。
[0022] 本发明利用了 MABEL数据，MABEL作为搭载在ICESat-2卫星上的光子计数 器（Advanced Topographic Laser Altimeter System - ATLAS)的技术验证，对于确保 ICESat-2地球物理算法以及提供详细的误差分析具有重要意义。本发明所涉及的数据格式 的转化过程相对简单，数据匹配，二维网格的构建，均值、方差的计算等处理均通过MATLAB 程序实现。大大地减少了工作量，同时减少了人工误差。特别是对于MABEL HDF格式的数 据，包含几十万个光子数据，MATLAB程序处理具有较大的优势。
[0023] 综上，本发明方法的执行步骤简单易行，效果较好。由于目前海冰厚度的大面积观 测资料比较缺少，而且遥感反演海冰厚度普遍精度不高。本发明使用MABEL数据估算海冰 厚度，进一步提高了 MABEL数据的利用价值，特别是对极地冰雪的冰盖变化和海冰厚度等 进行监测。
【附图说明】
[0024] 下面结合附图对本发明作进一步的说明。
[0025] 图1是本发明基于多波束高度计实验数据（MABEL)的海冰厚度估算方法流程图。
[0026] 图2是MABEL数据位置示意图 图3是MABEL数据匹配结果。
[0027] 图4是海面高程提取结果。
[0028] 图5是海冰厚度估算结果输出。
【具体实施方式】
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