卫星雷达测高技术的应用及发展趋势

卫星雷达测高技术产生于20 世纪60 年代末，是随着空间技术的不断进步而发展起来的新兴边缘科学（王广运等，1995）。由于其具有快速的全球覆盖能力，最初被用于海洋、大地测量和地球物理测量等领域。例如，对于海洋上的各种自然现象及其变化，卫星测高能够进行大范围、高精度、周期性地探测，具有其他观测技术无可比拟的优越性，大大提高了人类对海洋认识的广度和深度。经过40 多年的发展和深入研究，卫星雷达测高技术已日趋成熟，应用范围不断扩大，社会效益越来越显著。

表 星载雷达高度计发展现状（截至2018 年）

卫星测高即利用卫星搭载的雷达/激光雷达高度计测量卫星至地球表面的高度，是空间技术与信息技术相互交叉的结晶。目前，已有的星载高度计主要有激光雷达高度计、脉冲有限高度计、合成孔径雷达（synthetic aperture radar，SAR）高度计、合成孔径雷达干涉（synthetic aperture radar interferometry，SARIn）高度计。除激光雷达高度计外，其他均是微波高度计。SAR 高度计和SARIn 高度计是近年来出现的新型雷达高度计，SARIn高度计将传统的一维、沿轨剖面测高过渡到二维宽刈幅干涉测高，使得空间分辨率和时间分辨率得到了巨大的提升。目前，在轨运行的有Cryosat-2 和天宫二号三维成像微波高度计（interferometric imaging radar altimeter，InIRA），而计划于2021 年发射的SWOT （surface water and ocean topography）卫星，也将采用合成孔径干涉雷达技术，且已被美国国家研究委员会推荐为“未来10 年NASA 承担的地球科学和应用的国家重点计划”，将为星载雷达高度计的应用带来更多契机。

▲ SWOT 卫星的基本配置（Fu and Rodriguez，2004）

卫星雷达测高作为一项重大的空间计划，其最初目的较为单一，即试图从空中采用遥测的方法确定海面形状，研究大洋环流和其他海洋学参数。之后，由于测高数据精度的大幅提高，卫星雷达测高在海洋、陆地水体、冰盖/冰川、测绘领域得到了空前规模的应用。

卫星雷达测高的海洋应用研究均基于3 个基本观测量（蔡玉林等，2006）：海面高度、有效波高、海面风速，它们可为海洋水体运动研究提供基础的数据支持，有助于预报海洋天气和海面状态。雷达高度计通过卫星星下点向海面发射有限脉冲信号，记录携带丰富海面特征信息的回波波形，可在全球范围内全天候、多次重复地测量瞬时海面高度，还可同时测量海面有效波高和风速。雷达高度计对海面高度的测量精度可达3～4cm，有效波高为0.4m，风速为1.5m/s（Picot et al.，2003）。

雷达测高最初和最广泛的应用是全球海平面变化（董晓军和黄珹，2000；于宜法，2004）。海平面变化是气候变化的重要特征，近年来有学者利用测高数据分析了海平面变化与一些全球性气候现象的关系，探讨厄尔尼诺和拉尼娜等极端气候现象对海平面的影响（Chen，2001），从而加强人们对短期天气预报及对极端天气出现的了解。

海面由于存在波浪而起伏不平，高度计发出的脉冲回波信号强弱不同且有一定的时域展宽，波高越大，回波信号的展宽越大，因此可通过建立海面和回波信号之间的关系，识别海洋表面特征（Tejera et al.，2002）。

海面在海风的作用下能产生厘米尺度的波浪，从而引起海面粗糙度的变化。高度计的后向散射截面与海面风速存在反比关系，从而可测出海面风速，其结果可用于海洋工程（如海岸码头）的建造或者大、中尺度的气候变化研究（Chen et al.，2004）。结合地球自转模型，海面风速还可用于海洋洋流的研究。在海洋环境中，洋流作为其重要组成部分，既有全球性变化，也有局部性变化，还有瞬时变化，各种尺度变化常常交织在一起。利用卫星高度计测量出海面风场，由此可以研究海面的作用力，从而研究洋流及其变化。

20 世纪80 年代末，雷达高度计开始应用于内陆湖泊、河流的水位变化监测（Ponchaut and Cazenave，1998），后来又扩展到湿地监测（Sarch and Birkett，2000），现已发展到业务化阶段。卫星测高已在内陆水域水位变化监测上表现出良好的应用前景，尤其是那些大型的内陆湖泊水域。

湖泊作为地表水的重要载体，对水资源短缺、水环境恶化、水灾害频发等反应敏感，而区域性的湖泊水位同步变化可过滤掉局部地域的影响因素，提供大量的气候、降水和湿度变化等信息，反映出较大范围的气候变化。

大型湖泊、河流的水位通常由地面水文站的定点、连续观测提供，然而这种观测方式往往需要一定的人力、物力和财力资源保障。对于地处偏远、经济条件相对落后、自然环境恶劣地区的湖泊、河流，要在其周边布置地面观测站点往往非常困难。近年来，随着新一代测高卫星任务的不断开展，测高技术为这些地区的陆地水域水位变化监测提供了可能。

▲2002～2016 年全球典型湖泊水位年均变化状况数据图

当湖泊、河流、湿地等陆地水域面积足够大，且有测高卫星的地面轨迹通过时，即可利用卫星测高技术监测其水位变化，并对其水位变化实施动态监控。一方面，国内外已经有了成功的研究；另一方面，利用卫星高度计水位观测序列数据，结合区域气象数据，还可对湖区水域在气候变化条件下的演变趋势进行研究（Zhang et al.，2011）。

在冰川方面，雷达测高主要用于海冰、陆地冰的测绘和监测，以研究冰川融化与全球变暖、全球物候因子（如温度、降水量）的定量关系。

自1978 年，雷达高度计开始对南北极冰盖进行观测，至今已获取了极地冰盖超过30 年的时间序列数据，科学家由此研究了全球变暖、降雪和冰川融化引起的冰盖高程年季变化，估算了冰盖的质量平衡，并准确测量了海洋冰面高度和冰的体积以及海上冰盖的消长，监测了海冰的分布和运动（杨元德等，2010）。

全球及区域重力场模型（杨元德，2010）是现代大地测量和相关地球物理科学发展的重要基础，测量高精度的地球重力场是地球科学的重要目标之一，对军事发展也有着重要影响。卫星测高资料极大地满足了重力场测量的需求，如果将卫星测高获取的观测量作为边界条件建立海洋动力模型，即可计算出海洋的深度，从而绘制海底地形、地貌图，而海底地形、地貌图是现代潜艇和各种水面舰艇顺利执行各项军事任务不可或缺的测绘保障（刘付前等，2009）。

近年来，卫星雷达测高技术逐渐从最初的海平面变化监测扩展到湖泊等内陆水域的水位变化监测。

• Brooks（1982）将Seasat 卫星观测的湖面高程数据用于制图。

• Birkett（1994）使用Geosat 卫星数据监测了几个湖泊的水位变化。

• Ponchaut 和Cazenave（1998）使用1993～1996 年的T/P 卫星数据研究了非洲坦噶尼喀湖、马拉维湖、图尔卡纳湖和北美洲苏必利尔湖、密歇根湖、休伦湖共6 个湖泊的水位变化及其与降水量的关系。

• Birkett（2000）研究了印度洋气候变化与东非湖泊影响的关系。Mercier 等（2002）使用1993～1999 年的T/P 卫星数据研究了受印度洋气候影响的非洲12 个湖泊的水位变化。

• Camilo 等（2008）利用2004～2006 年的ENVISAT 测高数据并结合地面观测，对伊萨瓦尔湖的水位变化进行了动态监测，并深入分析了其与当地天气状况、区域气候变化的关系。

• Lee 等（2011）利用ENVISAT 测高数据分析了2002～2009 年青藏高原东北部地区的湖面高程变化。

• Jarihani 等（2013）利用多种测高数据反演艾尔登湖和阿盖尔湖的水位，精度分别为28cm（Jason-2 卫星）和42cm（ENVISAT）。

• Yi 等（2013）获取的贝加尔湖水位的精度分别为9.5cm（ENVISAT）和9.7cm（Jason-1 卫星）。

• Nielsen 等（2015）利用Cryosat-2 SAR数据反演了维纳恩湖和奥基乔比湖的水位，精度分别为5cm 和8cm，而Villadsen 等（2016）更是将这两个湖泊的反演水位精度分别提高至3.5cm 和2.1cm。

• Song 等（2015）获取的青藏高原纳木错湖的Cryosat-2 SARIn 水位与实测水位之间的均方根误差（root mean square error，RMSE）仅为0.18m。

• 赵云（2017）验证了多个湖泊的Cryosat-2 数据反演水位的精度，包括青海湖、巢湖、太湖、高邮湖、洞庭湖和鄱阳湖。

• 此外，很多学者还利用测高数据监测了更多湖泊的水位变化，分析了其与气候变化之间的关系（Hwang et al.，2016；Jiang et al.，2017；Phan et al.，2012；Song et al.，2014）。

近40 年来，多种海洋、极地卫星测高计划任务不断实施，卫星测高数据以海量形式不断增加。多种测高卫星任务为地学、大地测量学和海洋学的研究提供了更加丰富的数据源。对这些测高系统获取的数据进行综合和交叉运用，可以充分发挥各系统的优势（李建成等，2000，2001），因此开展多任务海量数据联合应用及处理技术研究成为一个十分迫切的任务。

当前卫星测高观测平台不断丰富，数据精度不断提高，因此在对卫星测高技术继续进行深入研究的同时，卫星测高技术也逐渐进入了业务化生产实施阶段。例如，大的水库或者湖泊都位于全球面积较大的农业区内，其水位变化研究可作为作物估产的基础。美国农业部、美国国家航空航天局、马里兰大学合作跟踪监测了全球多个湖泊和水库的水位变化，以便迅速确定区域性干旱[源自国外农业服务（Foreign Agricultural Service，FAS）]。欧洲也有类似的项目计划，英国德蒙特福德大学和欧洲空间局合作开发了一个系统，利用ERS 和ENVISAT 获得湖泊与河流的水位。

展望未来雷达测高技术的发展趋势，在测高雷达系统方面将有更多的新技术得到发展并应用于海洋和陆地领域。随着多种测高卫星计划不断得以实施，星载测高海量数据不断增加，数据精度不断提高，利用卫星测高数据开展科学研究的同时，业务化应用也不断深入，因而使得卫星测高数据成为了全球变化研究和行业应用不可或缺的宝贵信息源。对星载雷达测高数据进行科学处理和信息加工，实现数据的增值应用，是科学家的任务和责任。

 

近年来，中国科学院遥感与数字地球研究所廖静娟研究员开始关注雷达测高技术在内陆湖泊水位测量的应用，在国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目的支持下，实现了雷达测高技术应用于全球、全国和青藏高原湖泊水位变化的测量，取得了卓有成效的成果。《星载雷达高度计数据处理及陆地应用》（廖静娟著．北京：科学出版社，2020.2）是其研究团队将星载雷达测高技术应用于陆地领域的成果总结，相信对相关学者具有重要的参考价值。

 

中国科学院院士

2019 年9 月

本文摘编自《星载雷达高度计数据处理及陆地应用》（廖静娟著．北京：科学出版社，2020.2）一书“第1章 绪论”“前言”“序”，有删减修改，标题为编者所加。

(地球观测与导航技术丛书)

ISBN 978-7-03-063979-0

责任编辑: 朱 丽 李秋艳 吴春花

本书从分析星载雷达高度计发展概况及趋势入手，论述星载雷达高度计的应用领域及研究现状，介绍星载雷达高度计原理和测高数据处理方法，展示星载雷达高度计数据在湖泊水位监测、冰盖高程变化监测等方面的应用，探讨包括天宫二号三维成像雷达高度计和合成孔径干涉雷达高度计等新型星载雷达高度计数据的处理及应用，并展望星载雷达高度计在陆地领域的应用前景。

本书适合微波遥感、全球变化、水文、测绘等方面的专家、学者和高校师生阅读，也可作为遥感、测绘、地理信息系统等专业的科研院所研究人员、高等院校师生的参考用书。

 （本文编辑：刘四旦）

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