海洋二号卫星微波散射计面元匹配算法-遥感学报.PDF

海洋二号卫星微波散射计面元匹配算法 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 邹巨洪 , 林明森 ，张毅 ，穆博 ，郭茂华 ，崔松雪 1 国家卫星海洋应用中心，北京 100081 2 国家海洋局空间海洋遥感与应用研究重点实验室 摘要 面元匹配是散射计海面风场反演的重要预处理步骤，为保障海洋二号卫星散射计 （HSCAT）业务化海面风场反演， 本文设计了一种可业务化运行的 HSCAT 面元匹配算法。HSCAT 面元匹配算法包括地面网格划分和后向散射系数观测 结果重采样两个关键部分。为简化计算，HSCAT 采用以星下点轨迹为中心，以顺轨向及交轨向为坐标轴，分辨率为 25km×25km 的网格划分方式。重采样则利用卫星星下点经纬度数据，对每个后向散射系数观测结果， 以后向散射 系数与各星下点球面距离的最小值为依据进行交轨向重采样，并以取得距离最小值所对应的星下点与该轨数据星 下点起始位置的距离为依据进行顺轨向重采样，最终实现对后向散射系数观测结果的面元匹配。实验和对比结果 表明，本文提出的面元匹配算法，可对后向散射系数进行有效的重采样，风矢量面元的位置分布均匀，每个风矢 量面元均有足够数量的独立观测后向散射系数，可在全球范围内满足高质量海面风场反演的要求。 关键词：面元匹配，海洋二号，HSCAT，风矢量面元，地面网格 1、引 言 星载微波散射计是 目前获取全球海洋风矢量最主要的微波遥感器。自 1978 年美国发射第一个搭载业务 化运行散射计的卫星 Seasat 以来(Grantham et.al, 1977)，卫星遥感海面风矢量观测技术得到长足发展， 已有包括 ERS-1/SCAT （1991.07～1996.06）、ERS-2 （1995.04～2001.01）、ADEOS-I/NSCAT （1996.08～ 1997.06）、QuikSCAT （1999.06～2009.11）、ADEOS-II/SeaWinds （2002.12～2003.10）、Metop-A/ASCAT （2006.10～今）、Oceansat-2/OSCAT （2009.09～2014.02）、海洋二号微波散射计（HY-2/SCAT，2011.08～ 今）、Metop-B/ASCAT （2012.09～今）等在内的多个星载散射计业已投入业务化运行 （Attema，1991; Naderi et.al, 1991; Wu et.al,2003; Figa et.al, 2002; Zou et.al,2014; Gohil ，2013 ），极大的提高了全球海 面风矢量观测能力。 从散射计测量数据的处理得到海面风矢量结果，通常要经过地理定位、辐射定标、面元匹配，风矢量 反演，模糊解去除等几个关键步骤。由于 sigma0 对风矢量的关系具有双余弦分布特征，对风矢量的反演需 要不少于三个不同方位角/入射角的 sigma0 观测结果 （简称“观测结果”），才能准确反演出风速和风向。 因此，需要在一定的空间尺度的面元（即风矢量面元）上对散射计的观测结果进行重采样，才能满足风场 反演所需的多个 sigma0 的要求。对风矢量的反演是以风矢量面元为单位进行的，通过反演所得的风矢量反 映了该风矢量面元的风矢量平均值。面元匹配就是将经过地理定位和辐射定标所获得的按观测时序存储的 sigma0，以及与 sigma0 对应的观测几何等参数，重采样到风矢量面元，以为后续风矢量反演提供输入。在 散射计数据处理中，面元匹配非常重要，直接影响到最终的测量精度。根据散射计的观测特点，各国科学 家设计了不同的面元匹配方案。 ERS 散射计将风矢量面元设计成网格形式，其观测结果需需要插值到单元网格大小为 25km25km 的网格 中。sigma0 测量节点的位置是通过下面的方法来确定的：在中部天线指向线，卫星与地心连线共同确定的 平面与由 GEM6 定义的椭球面的交线上，以中部天线的指向线与椭球面的交点作为刈幅的中心结点，由中心 结点沿交线向两侧方向每隔 25km 设置一个新的结点。由于地表是扁平状的，这些节点所形成的网格线并不 是严格平行的。对每个天线，每个结点处的 sigma0 由结点周围 sigma0 观测样本加权平均后获得。平均过 程中离结点越远的观测样本，权重越低，越近的样本，权重越高