一種基于遙感技術(shù)的古風(fēng)力強(qiáng)度定量化重建方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及古風(fēng)力重建技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于遙感技術(shù)的古風(fēng)力強(qiáng)度定 量化重建方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 全球氣候變化是當(dāng)今科學(xué)研究的熱點(diǎn)，恢復(fù)古氣候和古環(huán)境變化資料，是研究未 來氣候和環(huán)境演變的基礎(chǔ)。大氣環(huán)流是控制氣候的重要因素之一，古大氣環(huán)流樣式的恢復(fù) 對(duì)了解古氣候特征及演化有著至關(guān)重要的作用。古風(fēng)力是古大氣環(huán)流的重要內(nèi)容，是古大 氣環(huán)流的直接記錄，它的重建能夠清晰明了地刻畫古大氣環(huán)流樣式。
[0003] 在遙感領(lǐng)域中，星載SAR技術(shù)與應(yīng)用現(xiàn)階段取得了突破性進(jìn)展，SAR影像已成為十 分重要的對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)源。干涉SAR(InSAR)是雷達(dá)遙感的重要發(fā)展方向。德國(guó)宇航局發(fā)射 的TerraSAR-X (TSX)衛(wèi)星和TanDEM-X (TDX)衛(wèi)星，編隊(duì)飛行，構(gòu)建雙站SAR干涉系統(tǒng)，能夠獲 取全球范圍的高分辨率、高精度DEM(Digital Elevation Model)數(shù)據(jù)。
[0004] 但是現(xiàn)有技術(shù)中還沒有將遙感技術(shù)應(yīng)用于古風(fēng)力重建領(lǐng)域的任何研究，本申請(qǐng)就 是在此基礎(chǔ)上進(jìn)行研究的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種基于遙感技術(shù)的古風(fēng)力強(qiáng)度定量化重建方 法，使其克服現(xiàn)有的古風(fēng)力強(qiáng)度定量化重建方法的不足。
[0006] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種基于遙感技術(shù)的古風(fēng)力強(qiáng)度定量化重建方 法，所述方法包括如下步驟：
[0007] A、生成高精度DEM，并建立湖流模型；
[0008] B、利用步驟A建立的湖流模型，進(jìn)行誤差分析，并在生成的DEM上計(jì)算不同的退縮 痕跡所對(duì)應(yīng)的主風(fēng)向的上風(fēng)向與下風(fēng)向之間的高程差，以所述高程差代表主風(fēng)力強(qiáng)度，并 通過對(duì)計(jì)算得到的高程差散點(diǎn)進(jìn)行篩選，完成古風(fēng)力強(qiáng)度定量化的重建。
[0009]作為本發(fā)明的一種改進(jìn)，所述步驟B具體包括如下步驟：
[0010] (1)建立高程差散點(diǎn)圖對(duì)所研究區(qū)域的干涸湖盆DEM上從外圍向內(nèi)部的不同的退 縮痕跡進(jìn)行編號(hào)，以該編號(hào)為橫坐標(biāo)，以同一退縮痕跡的主風(fēng)向在上風(fēng)向與下風(fēng)向之間的 高程差為縱坐標(biāo)，生成高程差散點(diǎn)圖；
[0011] (2)篩選高程差散點(diǎn)根據(jù)所述高程差散點(diǎn)圖的分布規(guī)律、大致走向，對(duì)散點(diǎn)圖進(jìn)行 分段，對(duì)分段形成的每一段中散點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸，同時(shí)計(jì)算該段內(nèi)高程差散點(diǎn)的均方 根誤差，然后計(jì)算各高程差散點(diǎn)與回歸線在縱坐標(biāo)上的距離，當(dāng)該距離大于該段高程差散 點(diǎn)的均方根誤差時(shí)，保留該高程差散點(diǎn)；當(dāng)該距離小于該段高程差散點(diǎn)的均方根誤差時(shí)，忽 略該高程差散點(diǎn)；
[0012] (3)建立風(fēng)力強(qiáng)度曲線對(duì)步驟(2)中保留的高程差散點(diǎn)與回歸線合理連接，即得風(fēng) 力強(qiáng)度曲線。
[0013] 進(jìn)一步改進(jìn)，所述步驟A中高精度DEM從所研究區(qū)域的TerraSAR-X/TanDEM-X長(zhǎng)基 線干涉對(duì)數(shù)據(jù)中生成。
[0014] 進(jìn)一步改進(jìn)，所述高精度DEM的生成還包括對(duì)所述TerraSAR-X/TanDEM-X長(zhǎng)基線干 涉對(duì)數(shù)據(jù)的圖像配準(zhǔn)、干涉相位圖生成、平地相位去除、相位解纏、相位-高程轉(zhuǎn)換和地理編 碼步驟。
[0015] 進(jìn)一步改進(jìn)，所述圖像配準(zhǔn)依次包括粗配準(zhǔn)、像元級(jí)配準(zhǔn)和亞像元級(jí)配準(zhǔn)，經(jīng)所述 三級(jí)配準(zhǔn)后，圖像配準(zhǔn)精度達(dá)到1/10像素。
[0016] 進(jìn)一步改進(jìn)，所述相位解纏的步驟包括：首先對(duì)去除平地效應(yīng)的干涉圖，用 Goldstein方法進(jìn)行濾波;再用最小費(fèi)用流方法進(jìn)行相位解纏，恢復(fù)真實(shí)的全相位值。
[0017] 進(jìn)一步改進(jìn)，所述方法中還包括對(duì)步驟A生成的高精度DEM的精度評(píng)價(jià)，所述精度 評(píng)價(jià)方法是采用高程精度為13.8cm的激光高度計(jì)GLAS數(shù)據(jù)做為真實(shí)值來評(píng)價(jià)所述高精度 DEM 的。
[0018] 進(jìn)一步改進(jìn)，所述精度評(píng)價(jià)方法具體步驟為:先對(duì)激光高度計(jì)GLAS數(shù)據(jù)進(jìn)行橢球 基準(zhǔn)大地高轉(zhuǎn)換、大地高與正高轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)篩選預(yù)處理，生成所研究區(qū)域的高程點(diǎn)數(shù)據(jù);再 用遙感軟件對(duì)所研究區(qū)域DEM進(jìn)行重采樣，生成與激光高度計(jì)數(shù)據(jù)尺度上配準(zhǔn)的DEM，最后 通過在GLAS和DEM上選擇評(píng)價(jià)樣本，計(jì)算所有樣本的均方根誤差，評(píng)價(jià)DEM的高程精度。
[0019] 進(jìn)一步改進(jìn)，所述方法還包括對(duì)所述步驟B中高程差代表主風(fēng)力強(qiáng)度的驗(yàn)證步驟， 其驗(yàn)證步驟包括對(duì)主風(fēng)向選擇誤差的影響步驟和湖面大小的影響步驟。
[0020] 進(jìn)一步改進(jìn)，所述主風(fēng)向選擇誤差影響的驗(yàn)證步驟包括:在主風(fēng)向橫穿湖盆中央 的DEM影像上選擇3條相交于湖盆中央的剖面線，所述3條剖面線之間的角度為3度，分別分 解計(jì)算所述3條剖面線在主風(fēng)向的上風(fēng)向與下風(fēng)向的高程差，通過比較所述三條剖面線計(jì) 算得到的高程差變化規(guī)律，分析主風(fēng)向選擇誤差對(duì)風(fēng)力變化規(guī)律的影響；
[0021] 所述湖面大小影響的驗(yàn)證步驟包括:利用湖流模型，計(jì)算不同水面高度下、不同風(fēng) 速下、主風(fēng)向下的水面傾斜高程差，再利用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析不同水面高度對(duì)高程差的影響。
[0022] 采用上述的技術(shù)方案，本發(fā)明至少具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0023] 1.本發(fā)明針對(duì)在某一主風(fēng)向風(fēng)力影響下，有清晰退縮痕跡的干涸湖盆，首次運(yùn)用 TDX/TSX雙站長(zhǎng)基線干涉對(duì)數(shù)據(jù)，生成米級(jí)高程精度的DEM，建立湖流模型，進(jìn)而通過誤差分 析、高程差計(jì)算與篩選，最后完成古風(fēng)力強(qiáng)度定量化的重建，突破性的實(shí)現(xiàn)了基于遙感技術(shù) 的古風(fēng)力強(qiáng)度重建，避開了前期復(fù)雜的大氣環(huán)流、古氣候方面的分析，減少人為誤差，實(shí)現(xiàn) 定量化重建。
[0024] 2.本發(fā)明還首次運(yùn)用激光高度計(jì)GLAS數(shù)據(jù)來對(duì)TDX/TSX干涉對(duì)生成的高精度DEM 進(jìn)行高程精度評(píng)價(jià)，不用實(shí)地布置控制點(diǎn)即可實(shí)現(xiàn)可靠的精度評(píng)價(jià)。
[0025] 3.本發(fā)明還通過誤差分析，首次將干涸湖盆存在的退縮痕跡與等高線紋理之間的 高程差異與風(fēng)力強(qiáng)度聯(lián)系起來，即用該高程差來代表主風(fēng)力強(qiáng)度，并對(duì)其進(jìn)行篩選，最后生 成風(fēng)力強(qiáng)度曲線，實(shí)現(xiàn)了基于遙感技術(shù)的古風(fēng)力強(qiáng)度的定量化重建。
【附圖說明】
[0026]上述僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段，以下 結(jié)合附圖與【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0027] 圖1是本發(fā)明基于遙感技術(shù)的古風(fēng)力強(qiáng)度定量化重建方法的流程圖；
[0028] 圖2是本發(fā)明誤差分析中主風(fēng)向選擇誤差影響示意圖；
[0029] 圖3是本發(fā)明誤差分析中湖面大小誤差影響示意圖；
[0030] 圖4是本發(fā)明高程差計(jì)算中高程差散點(diǎn)圖；
[0031 ]圖5是本發(fā)明高程差篩選時(shí)高程差篩選過程示意圖；
[0032]圖6是本發(fā)明建立的古風(fēng)力強(qiáng)度曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033] 本發(fā)明首次將遙感技術(shù)應(yīng)用于古風(fēng)力強(qiáng)度定量化重建中，其重建方法是在首先生 成的高精度DEM的基礎(chǔ)上，建立湖流模型，然后通過誤差分析、高程差計(jì)算與篩選，最后完成 古風(fēng)力強(qiáng)度定量化重建的。
[0034] 參照附圖1所示，本發(fā)明基于遙感技術(shù)的古風(fēng)力強(qiáng)度定量化重建方法具體技術(shù)流 程包括如下步驟：
[0035] 第一步，獲取研究區(qū)TerraSAR-X/TanDEM-X長(zhǎng)基線干涉對(duì)數(shù)據(jù)。根據(jù)本申請(qǐng)背景技 術(shù)介紹，德國(guó)宇航局發(fā)射的TerraSAR-X衛(wèi)星和TanDEM-X衛(wèi)星編隊(duì)飛行，構(gòu)建雙站SAR干涉系 統(tǒng)，能夠獲取全球范圍的高分辨率、高精度DEM數(shù)據(jù)，因此選擇TerraSAR-X/TanDEM-X長(zhǎng)基線 干涉對(duì)數(shù)據(jù)，以獲得米級(jí)高程精度的DEM。其垂直基線距越大，模糊高度越小，反演DEM的高 程精度就越高。
[0036] 第二步，圖像配準(zhǔn)。圖像配準(zhǔn)的目的是使兩幅復(fù)圖像中同一位置的像素對(duì)應(yīng)地面 上的同一回波點(diǎn)，得到的干涉相位具有較高的信噪比。圖像配準(zhǔn)的步驟依次包括：（1)粗配 準(zhǔn)，（2)像元級(jí)配準(zhǔn)，（3)亞像元級(jí)配準(zhǔn)，經(jīng)該三個(gè)步驟的配準(zhǔn)后，圖像配準(zhǔn)精度達(dá)到1/10像 素。
[0037] 第三步，干涉圖生成。把兩幅圖像進(jìn)行共輒相乘產(chǎn)生干涉復(fù)數(shù)圖像，即干涉相位 圖，其中包含目標(biāo)點(diǎn)的高度信息。為了降低斑點(diǎn)噪聲，單視復(fù)數(shù)圖像可經(jīng)過多視平均處理來 得到多視復(fù)數(shù)圖像。
[0038] 第四步，平地相位去除。平地在干涉條紋圖中所表現(xiàn)出來的距離向和方位向的周 期變化，即為平地效應(yīng)。為了簡(jiǎn)化相位展開處理，在相位解纏前應(yīng)先去除平地效應(yīng)。
[0039]第五步，相位解纏。相位解纏分為兩部分：
[0040] ⑴首先，對(duì)去除平地效應(yīng)的干涉圖，用Goldstein方法進(jìn)行濾波，去除由平地干涉 引起的相位噪聲。
[0041] ⑵其次，對(duì)去除平地效應(yīng)和濾波后的相位進(jìn)行相位解纏，用最小費(fèi)用流(Minimum Cost Flow)方法解纏，恢復(fù)真實(shí)的全相位值。
[0042]第六步，高程轉(zhuǎn)換和地理編碼生成高精度DEM。該步驟分為兩部分：
[0043]⑴相位-高程轉(zhuǎn)換。經(jīng)過相位解纏，得到了絕對(duì)相位值后，就可推出InSAR的兩副天 線到地面目標(biāo)點(diǎn)的斜距差，由斜距差即可得到目標(biāo)點(diǎn)的高程。
[0044]⑵地理編碼。對(duì)高程值圖像進(jìn)行幾何校正和地圖投影，生成帶有地理坐標(biāo)的高精 度 DEM。
[0045]第七步，高精度DEM的精度評(píng)價(jià)。用高程精度為13.8cm的激光高度計(jì)GLAS數(shù)據(jù)做為 真實(shí)值去評(píng)價(jià)生成的高精度DEM。包括尺度轉(zhuǎn)換和評(píng)價(jià)精度兩部分。
[0046]⑴尺度轉(zhuǎn)換。GLAS是激光點(diǎn)數(shù)據(jù)，每個(gè)光斑約65米的地面范圍，而生成的DEM空間 分辨率為10米級(jí)的，因而需要對(duì)生成的DEM進(jìn)行空間尺度轉(zhuǎn)換，便于后面進(jìn)行精度評(píng)價(jià)。該 尺度轉(zhuǎn)換方法包括:①對(duì)GLAS數(shù)據(jù)進(jìn)行橢球基準(zhǔn)大地高轉(zhuǎn)換、大地高與正高轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)篩選 等預(yù)處理，生成研究區(qū)的高程點(diǎn)數(shù)據(jù)，高程精度為13.8cm;②用遙感軟件對(duì)研究區(qū)DEM進(jìn)行 重采樣，生成65米分辨率的DEM，則與GLAS數(shù)據(jù)完成尺度上的配準(zhǔn)，為后續(xù)的精度評(píng)價(jià)做準(zhǔn) 備。
[0047]⑵評(píng)價(jià)精度。在GLAS和DEM上選擇評(píng)價(jià)樣本，計(jì)算所有樣本的均方根誤差(RMSE)以 及與真實(shí)值的相關(guān)系數(shù)平方R2，評(píng)價(jià)DEM的高程精度。
[0049] 其中，yi'和yi分別是樣本i的高程值和真實(shí)值，N為樣本數(shù)。
[0050] 第八步，建立湖流模型。干涸湖盆具有同一退縮痕跡不同高的現(xiàn)象，這一現(xiàn)象已論 證是由于風(fēng)應(yīng)力作用造成的。湖流模型可以模擬湖泊在不同水面高度下、不同風(fēng)速下、主風(fēng) 向下的水面傾斜高程差，從而為后面的誤差分析以及古風(fēng)力強(qiáng)度重建提供依據(jù)。湖流模型 是一個(gè)水靜力學(xué)問題，寬度為Sx、高度為d的水柱，水面受到X方向的恒定剪應(yīng)力τ，造成的水 面傾斜角度