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    國家級獎項

    海洋測繪和內陸水域監測的衛星大地測量關鍵技術及應用

    時間:2019-04-29 來源:未知 點擊:

    海洋測繪和內陸水域監測的衛星大地測量關鍵技術及應用——2018年度國家科技進步二等獎


    該項目突破了多源衛星數據融合處理、海洋地理信息精細反演、陸海垂直基準無縫轉換等關鍵技術,形成了自主創新的海洋測繪衛星大地測量技術方法體系。

    研制了我國首個國際同期分辨率最高、精度優于5cm的全球平均海面高模型WHU2000;反演了全球1′×1′分辨率的海洋重力異常和海底地形模型;率先構建了中國近海大范圍無縫深度基準模型,實現了與國家陸地高程基準的無縫轉換。

    項目拓展用于內陸水域,實現了對我國主要湖泊水位和長江流域水儲量等的變化監測。成果廣泛用于我國沿海區域數字高程基準構建等工程,也被德國、韓國等科研機構用于深度基準轉換等工作,并為海洋二號衛星系統、港珠澳大橋等國家重大工程提供了基礎數據。

    團隊主要成員參加頒獎大會
     

    我院參與成員:金濤勇(2)寧津生(3)暴景陽(5)褚永海(7)王正濤(8)徐新禹(10)
     

    海洋測繪是維護海洋權益和發展海洋經濟的重要保障,能為我國建設海洋強國和實施“一帶一路”戰略提供基礎支撐信息。我國是海洋大國,但全球海洋測繪信息相對缺乏且建設能力不足,特別是全球平均海面高、海底地形等數值模型精度和分辨率低,全球海洋重力觀測數據稀疏,陸海垂直基準難以無縫轉換。

     

    獲取精細的海洋地理信息是基于衛星大地測量的海洋測繪的根本任務

     

    我國是海洋大國,大陸海岸線長達1.8萬多千米,擁有約300萬平方千米的管轄海域。海洋孕育著地球生命和人類文明,蘊藏著極其豐富的自然資源。當前,我國正在實施海洋強國建設戰略,海洋在我國社會發展和經濟建設中的戰略地位日益突出。海洋測繪是發展海洋經濟和維護海洋權益的重要保障,以海洋和內陸水域為對象,提供水體、水底和沿岸等的地理信息,能為建設海洋強國提供基礎支撐信息。但傳統海洋測繪手段獲取的信息難以覆蓋全球,時效性差。衛星測高、衛星重力、衛星導航定位等衛星大地測量技術開啟了觀測和認識海洋的新紀元,能提供大范圍、全天候的觀測數據。高效處理與分析這些海量數據,獲取精細的海洋地理信息,是基于衛星大地測量的海洋測繪的根本任務。

     

    衛星測高技術利用所搭載的測高儀通過測定雷達脈沖信號往返于衛星和地球表面所經過的時間來確定衛星到星下點海面的距離,根據已知的衛星軌道高度,并顧及各種誤差改正項來獲取某種平均意義上的海平面相對于參考橢球的大地高,即海平面高度。其原理如圖1所示。衛星雷達脈沖信號在從衛星到地球表面的傳播過程中,由于大氣層中的水分子、懸浮物和電子密度的影響而發生折射或散射,使得觀測的信號往返時間有延遲。雷達脈沖信號在接觸海面的過程中,還會受到海洋潮汐和海況的影響,直接由觀測時間計算的距離將會產生偏差。此外大氣壓力的變化也將引起海平面的微小漲落,為得到真實海面高,也應進行改正。

     圖1 衛星測高原理圖

     

    聯合多源衛星測高數據可以得到全球分布的多種海洋地理信息,經過上述各項改正后可以精確刻畫平均海平面高并分析其趨勢性變化、反演海洋重力異常與海底地形、確定潮汐模型及建立海洋深度基準等。作為國家高程起算面,大地水準面定義為與平均海平面最為密合的重力等位面,大地水準面與平均海平面的差距為海面地形,而大地水準面與垂線偏差、重力異常具有嚴密的理論關系,因此,通過確定的平均海面高,可以計算海洋垂線偏差,進而反演海洋重力異常;海洋重力異常主要產生于海底形態及其均衡補償物質的密度分布異常,與海水深度(海底地形)有密切關系,故通過海洋重力異?梢苑囱莺5椎匦;海洋深度基準是船只航行的重要基準面,定義為平均海平面以下的最低潮位面,利用衛星測高技術重復觀測的全球海平面高度可以確定精細的海洋潮汐模型,即可計算得到最低潮位面;衛星測高技術還可以用于獲取內陸湖泊等水域的水位高度及其變化,特別是在無人區或難以到達地區的湖泊監測方面具有重要優勢。

     

    衛星重力技術利用衛星搭載傳感器探測地球重力場。地球是一個不斷變化的動力系統,當某一區域內的物質重新分布(遷移)時,會引起地球重力場發生變化。地表淺層的質量遷移現象主要是指地球表面厚度為10-15km薄層內的物質的運動,反映了包括大氣、海洋、冰川以及陸地水儲量等的變化。2002年發射的GRACE重力衛星獲取了高精度地球重力場的時變信號,提供了1個月甚至10天的時變重力場模型序列,在消除大氣和相關地球動力過程引起的時變重力場貢獻后,可用來估算陸地冰川冰蓋和表層水儲量以及海水質量變化信息。

     

    歷經20年形成了自主創新的海洋測繪衛星大地測量技術方法體系

     

    上個世紀90年代,我國利用衛星大地測量技術獲取的海洋地理信息與國際先進水平差距較大,范圍僅限于中國海域,而歐美覆蓋全球且有更高的精度和分辨率。當時的研究現狀使得在精確性、覆蓋率及實用性等方面,既不滿足艦船航行安全的需要,也不滿足海洋資源開發和海域劃界的要求,還不滿足近海、港口及島礁工程建設的需求,嚴重制約了海洋測繪的保障和全球化服務能力。

     

    在平均海面高模型建立方面,上世紀90年代中期以來,我國學者開始利用衛星測高技術確定中國和全球海域平均海面高模型,但精度和分辨率較低,主要原因是大多采用單一衛星數據,多源多代衛星融合程度不深,難以統一異源測高數據的各改正項精度和框架,且未顧及大地測量任務測高數據的海面時變效應等。

     

    在海洋重力場數據獲取方面,傳統的海洋重力測量方法受到海洋環境、技術模式及海洋權益的限制,觀測數據稀疏,無法覆蓋全球。聯合衛星測高、衛星重力等技術能夠獲得全球精細的海洋重力場信息。但另一方面,實際數據處理中仍然面臨近岸測高數據質量差、海量垂線偏差數據反演重力異常效率低等難題。

     

    在陸海高程基準統一方面,由于陸地高程基準與海洋深度基準建立模式不同,長期以來,我國陸地與海洋測繪基準不一致,難以精確轉換,導致陸海地理信息不能直接聯合使用,且無法滿足全球地理信息資源建設的需求,主要問題是:我國海域潮汐模型不精確、深度基準面定義多樣、國家高程基準與全球高程基準不統一,等等。

     

    在內陸水域監測方面,采用傳統水文和冰川監測離散點觀測方法難以獲得整體變化。衛星大地測量技術不僅在海洋上的測繪與監測效果顯著,還可拓展用于內陸水域的變化監測。但衛星測高在內陸水域的觀測弧段短、精度低、有效信息提取難。同時,盡管衛星重力在反演地表淺層水儲量整體變化具有無可比擬的優勢,但存在時空分辨率低和混頻效應等問題。

     

    歷經近20年,“海洋測繪和內陸水域監測的衛星大地測量關鍵技術及應用”項目突破了多源衛星數據融合處理、海洋地理信息精細反演、陸海垂直基準無縫轉換等關鍵技術,建立了精細的全球平均海面高、海洋潮汐、海洋重力異常和海底地形等系列模型,形成了自主創新的海洋測繪衛星大地測量技術方法體系;并拓展用于內陸水域,實現了對我國主要湖泊水位和長江流域水儲量等的變化監測。主要創新成果有:

     

     

    1.創建了整體集成與深度融合的多源測高數據處理方法體系,解決了空間分辨率低、精度差異大等瓶頸問題,研制了國際同期分辨率最高、精度優于5cm的全球平均海面高模型WHU2000(如圖2),隨后發布了序列精細模型,并率先聯合驗潮站數據確定了近六十年全球海平面變化速率,擺脫了該領域對國外成果的依賴。

    圖2  全球平均海面高模型WHU2000

     

    2.創建了自主的精細海洋重力場和海底地形反演技術體系,解決了近岸數據質量差、計算效率低等難題,構建了1′×1′全球海域重力異常(如圖3)和海底地形模型(如圖4),精度與國際權威模型相比,重力異常在中國近海優于EGM2008和V23.1,海底地形比ETOPO1提高10-30%,為我國填補了大面積海洋重力和地形數據的空白。

    圖3  1′×1′全球海洋重力異常

    圖4  1′×1′的全球海底地形模型

     

    3.創建了聯合衛星和海洋等多源數據確定垂直基準的技術方法,解決了近海分潮信息提取難、深度基準面多樣等問題,率先構建了中國近海精度優于13cm的深度基準模型,實現了與國家陸地高程基準的無縫轉換;并提出了區域與全球高程基準統一的嚴密實用方法,為我國全球地理信息資源建設提供技術支撐。

     

    4.創建了衛星大地測量技術監測內陸水域的新方法,解決了水域短弧段有效數據獲取、小尺度流域水儲量提取等難題,率先在國內建立了精度達厘米級的衛星測高湖泊水位變化監測平臺,并構建了南北極和青藏高原冰川消融及長江流域水儲量變化的十余年時間序列,為地理國情監測提供了一種新手段。

     

    成果豐富 應用廣泛 填補傳統資料空白

     

    項目成果廣泛用于國家和浙江、江蘇等近20個沿海區域數字高程基準構建,以及跨海岸帶和島礁建設工程,提供了不可或缺的海域重力數據,為我國測繪基準現代化和港珠澳大橋等近海工程的建設提供了重要保障;也用于建立東海、渤海等十多個海區的無縫深度基準,實現了煙臺等港口及航道高精度高效水深測量的新模式,有力地保障了船舶航行安全;海洋重力、海底地形等成果用于水下航行器導航、南;A地質研究、海洋資源調查等工作,填補了傳統資料的空白,為維護海洋權益和開發海洋資源作出了突出貢獻。還用于地理國情監測重大工程,獲取了青海湖等湖泊水位變化,解決了無水文觀測站湖泊水位監測的難題;也被德國、韓國等的科研機構用于深度基準轉換等工作,在部分海域被證實精度最高。同時,為研發海洋二號衛星制定了誤差指標分配方案;并為“927”等重大專項工程提供了技術支撐。發表論文267篇(SCI/EI 129篇),出版專著7部;獲專利和軟件著作權登記7項,并獲省部級科技進步特等獎1項,一等獎2項。此外,培養了包括國家杰出青年科學基金、中國青年科技獎獲得者在內的青年科技人才100余人。項目成果推動了衛星海洋測繪技術的發展,顯著地提升了我國海洋測繪的全球化能力。

     

    海洋測繪和內陸水域監測的衛星大地測量技術及其相關海洋地理信息成果在測繪、海洋、交通和水利等多個行業具有廣泛應用前景。國際上正在發展新型的衛星測高技術,將有望突破傳統測高技術在精度和分辨率上的局限,在保證觀測精度的前提下,大幅提高觀測的分辨率和時效性,拓寬在海洋和內陸水域變化監測方面的應用,滿足中小尺度變化監測的需求。同時,聯合現有多源衛星和海洋現場觀測數據進一步提高海洋地理信息產品的精度和分辨率也是未來發展的重要方向之一,以滿足日益增加的海洋工程和全球資源建設的需求。

     
     
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