我国卫星测高在大地测量中的应用前景

第11卷，1996年8月4日，地球科学进展AD E NCE在EART H SCIENCES中. 11N o. 1996年8月4日，卫星测高技术在中国大地测量学中的应用前景徐厚泽，卢洋（中国科学院地球物理研究所动态大地测量学开放实验室，武汉430077）摘要卫星测高技术是空间测地技术的应用之一. 大地测量学，地球物理学和海洋学跨学科发展的基本技术. 回顾了海洋卫星测高技术的发展历史；总结了卫星测高技术在大地测量中的应用和研究成果，主要包括海洋大地水准面波动和重力异常的确定，海洋和极地环境监测以及相关的海洋地球动力学现象监测和解释等. 介绍了中国卫星测高研究的现状和发展前景. 关键词海洋卫星测高仪，大地测量学，中国当前大地测量学的发展方向是以空间大地测量学技术为纽带，加深地球科学的发展. 卫星测高技术（SRA）作为空间大地测量技术的应用，是大地测量，地球物理学和海洋学交叉发展的基本技术之一. 卫星测高可分为卫星雷达测高和卫星激光测高. 一般来说，卫星测高是指海洋卫星雷达测高. 它是过去20年来开发的一种新型的卫星遥感测量技术. 它的主要研究对象是海洋，它约占世界总面积的70％. 雷达高度计连续将雷达脉冲发射到地球，接收从海面返回的脉冲回波，并通过处理计算出从海面到椭球面的高度.

可以从卫星海洋测高仪中获取大地信息，例如海洋中的大地水准面，海洋中的重力异常，海洋地形以及相关的海洋信息. 它具有高分辨率，高重复率和广泛的覆盖范围，广泛用于大地测量学，地球物理学和海洋学. 即将到来的卫星激光测高系统将从卫星发射激光到地面，通过各种地球自然表面的反射来确定卫星与地面之间的径向距离. 这项技术已经取得了一些成功的实验. 所获得的地形具有十亿分之一水平的高精度，水平分辨率为80-160m. 卫星激光测高不再局限于海洋地区. 除了提供从当前雷达测高仪获得的信息之外，还将提供陆地地形数据，并且可以获得高精度，高分辨率的全球数字地形模型（DT M）. 此外，正在设计激光高度计系统（LOLA），月球大地测量也将取得重要进展. 本文着重于船用卫星雷达的高度测量. 第一作者简介: 徐厚泽，男，1934年5月出生，研究员，中国科学院院士，主要从事大地测量与地球物理学研究. 收到的日期: 1995-10-30;修订版: 1995-12-19 No. 4许厚泽等: 卫星测高仪在中国大地测量学中的应用前景1960年代末，它是由美国导航局提出并使用Skylabs-193（太空实验室）于1973年进行了第一次海洋卫星雷达测高测试. 分别在1975年和1978年启动了Geos-3（地球动力学实验）. Seasat和Seasat是两颗实验卫星. 但是，由于某些原因，Geos 3卫星未能达到预期的结果. Seasat卫星的使用寿命较短. 但是，它第一次为所有海域的人们提供了更高的质量. 海洋大地水准面数据.

这些测试证实了卫星雷达测高仪确定海洋环流，海洋大地水准面和重力场的潜力. 1985年3月，美国海军发射了Geosat卫星（Geodesat），该卫星首次执行了为期18个月的“主要大地测量任务”（Geo sat / GM），并获得了密集的海洋地形图. 已经获得了卫星测高方法的全部潜力，然后卫星执行了所谓的“精确重复任务”（Geo sat / ERM），以确定海面地形的变化. Geosat卫星当时为科学家提供了最长的持续时间和最广泛的测高数据. 正如道格拉斯（Douglas）等人指出的那样，它的功能“打开了卫星海洋学和卫星大地测量学的崭新一页”. 1991年7月，欧洲航天局发射了ERS-1（地球遥感卫星1号）测高卫星，主要用于测量海面地形，海况，海冰等，并提供观测结果. 研究风力循环的海洋风，以及海洋与大气之间的相互作用，其主要特点是覆盖范围广，分辨率高. 1992年8月，NASA和法国国家太空研究中心（CNES）发射了Topex / Poseidon卫星（海面地形卫星），以支持全球海洋学研究和全球气候研究计划，特别是全球海洋环流实验（WOCE）和热带海洋与​​全球大气计划（TOGA）的实验. 除了测量洋流和海潮外，卫星的跟踪和测高结果也可以是地球的重力场. 研究提供信息.

鉴于ERS -1卫星的使用寿命即将结束，欧洲航天局于1992年5月发射了ERS -2（地球遥感卫星2）高度计，以取代ERS -1卫星. 大量的实验和研究结果表明，海洋卫星测高技术在地球物理和海洋学研究中显示出巨大的潜力. 包括中国在内的许多国家组织也在其计划中包括了卫星测高技术. 90在十年中卫星大地测量，欧洲航天局以及美国，日本，法国和其他国家将发射ERS-2，GEO，ARIST OL ES，POEM，M OS- 2号和其他高度计的卫星相继出现. 可以说，卫星将在本世纪末形成高空历史上的高潮. 2卫星测高技术在大地测量学中的研究与应用卫星测高技术极大地促进了大地测量学的发展. 其研究和应用主要集中在以下几个方面. 2.1确定海洋大地水准面波动和重力异常大地测量学的最基本任务是确定大地水准面和地面重力异常. 卫星测高仪可在海洋区域提供高精度和高分辨率的大地水准面和重力异常. 在过去的十年中，这方面的研究已经成为外国学者研究的重点，也引起了我国学者的极大关注. Rapp（1983）和Marsh（1986）分别使用了Geos-3和Seasat，或使用了这两颗卫星的测高数据绘制了全球和区域尺度的大地水准面地图. 1、2]的重合精度优于1m（1°×1°），Seasat卫星的重合精度优于±30 cm [].

Denker和Rapp等. [3]（1990）使用Geosat获得优于±20 cm（）的整体大地水准面（1°×1°）. Wang Haiying and Lu Yang（1995）使用Geosat / ERM的两年数据来求解中国及其附近水域的大地水准面（30′×30'），精度为338±20-30 cm. 〔4〕地球科学进展第11卷近年来，解决了ERS-1和Topex测高仪数据的工作，Caporali（1993）使用ERS-1 5]结果与意大利北部的GPS水准点进行了比较，精度找平表面的最大高度为±8 cm〔. 根据大地水准面波动与重力异常之间的数学关系，经过适当的处理，可以从测高大地水准面计算出海洋重力异常. 富有成果的代表工作是Rapp等进行的最大的计算工作. 拉普等. （１９９１）再次利用Ｇｅｏ ｓａｔ解决了全球重力异常３０′×３０′的网格精度为±３〜５ ［６］ ｍＧａｌ，并以此推导了全球３６０度重力势能模型. 2.2海洋和极地环境监测现代大地测量研究的发展内容之一，即人类环境监测，卫星测高技术在防灾减灾以及环境监测和评估中发挥着越来越重要的作用.

（1）海平面高度变化监测高程卫星提供的海平面高度数据可用于直接监测海域的海平面高度变化，而观测数据可用于组成海平面高度的时间序列. 海平面高度每隔观察期变化一次. 分析海洋高度变化的各个组成部分. 阿拉贝罗斯等. （1990年）使用Geosat数据研究了地中海及其沿岸海平面高度的变化. Mit chum等. （1994年）使用T o pex数据将海面高度与潮汐测试站的潮汐测试结果进行比较. 最近，Nerem（1995）根据1993年至1994年Toppex测高仪的数据估算了全球平均海水表面的顶部. 其上升值为3.9±0.8 mm / a. 〜1.5 mm / a的比率更大[. （2）洋流探测洋流探测主要分为中尺度涡流变化和平均环流，中尺度变化以海平面相对于大地水准面的倾角来表示，平均环流为长期平均值. 可以通过卫星测高仪检测到的海水运动. 为了研究洋流的边界和动态特性，Doug Las等人. Cheney等人（1983年）使用Geo s-3卫星数据研究了墨西哥湾流和西北的涡旋场. （1983），Shum（1990）和Nerm（1990）使用了Geo. 卫星卫星数据分别研究了全球中尺度涡旋的变化并确定了洋流（3）厄尔尼诺现象的监测[8，9].

厄尔尼诺现象（南半球涛动）是大气与海洋相互作用最令人惊奇的现象之一. 在厄尔尼诺期间，贸易风减弱，导致赤道太平洋大面积海平面发生变化. 高程卫星的共线轨迹数据. Miller和Cheney（1990）使用Geosat测高仪数据研究了1986年至1987年赤道太平洋的厄尔尼诺活动与径向迁移之间的关系. 在南半球，赤道太平洋附近的海域地形发生了重大变化. . 反映厄尔尼诺现象（4）1986-1987年期间的风速和海况（在Geosat卫星观测期间）（10）. 卫星测高还可获取有关海面状况的相关数据，主要是海域的风速分布，海面的有效波高分布及其变化和迁移. Mognard等. （１９８３）研究了南海Seasat的测高数据，发现南极周围的强风和大浪区域沿径向移动. [12] Robert等. （1994年）使用Topex / Poseidon数据研究海域中不同的海况偏差. （5）极区监测尽管卫星测高主要用于海洋测高，但从陆地和冰川等固体表面反射的数据表明，卫星测高在极地冰川和陆地的应用方面显示出巨大潜力. Zw ally等. （1980）讨论了卫星雷达测高仪对冰盖表面厚度和变化的观测，并绘制了格陵兰岛和南极洲冰盖表面的等高线图.

Chase等. [11] No. 4许厚泽等: 卫星测高在大地测量中的应用前景339（1990）使用Geosat估计海冰的类型和密度. 这些工作对于研究极地地区冰的厚度，性质和变化具有重要意义. 特别是，南极冰盖厚度的变化将是研究全球变化的重要基础数据. 2.3海洋地球动力学现象的相关监测和解释海洋测高仪为探索地球的深层结构和动力学过程提供了丰富而准确的信息. 卫星测高仪提供高精度和大范围的大地水准面，它反映了地球内部物质和运动的物理特征. 利用卫星测高数据获得大地水准面的精细结构和重力异常可以反演深层地球结构，地幔对流和板块运动等；通过对大地水准面的起伏形状，振幅和波长进行分析，可以获得典型的海床结构，例如中国及邻近海域的火山链，对称扩张的山脊，断层带，深海海沟以及其他海床构造图[14]. [13]，王海英和鲁洋（1995）使用Geosat数据获得. 3中国大地测量学中的卫星测高技术的发展和应用前景3.中国卫星测高技术在中国的研究现状，卫星测高技术的研究始于1980年代初期，主要是在理论讨论和研究以及卫星[1517]测高原理和国际上卫星高度测量的研究成果[.

王光云和王海英（1989）进行了卫星测高数据的处理和应用研究，陈歌（1994）进行了卫星测高数据的处理和海洋学研究. 近年来，卫星测高数据计算阶段已经开始. 关泽林等. （1992年）使用拉普提供的Seasat全球海平面图来求解中国海表地形模型. 王海英和陈锡军（1994）使用六个周期的[18] Lu阳Geosat / ERM数据求解了中国及邻近海域的初步平均海平面图，王海英（1995）使用了两年的Geosat / ERM数据，并且获得了一些Tope / Poseidon卫星和ERS 1卫星的数据. 中国和邻近水域的大地水准面图的精度可以达到±20 cm和±10 cm，并获得了相应区域的海底构造图[19]. 王勇等. （1995年）使用Topex / Poseidon和ERS-1卫星测高仪数据来研究该地区. 20]岩石圈平衡补偿机制[. 尽管如此，中国大地测量中卫星测高技术研究和应用的范围和深度仍然很有限，与国际水平相比差距太大. 目前，国内许多研究机构都在进行大地测量学，海洋学等方面的相应研究工作.

3.2近期任务中国卫星测高技术研究的主要目标是建立中国独立的卫星测高数据处理系统，以提供海洋测绘支持，并为1990年代和2000年代初期的国家建设和科技发展计划提供参考依据. . 近期的主要任务如下: （1）中国已经制定了发射雷达高度计的空间计划，因此，测高卫星的数据处理将成为未来应用卫星测高的主要问题. 高数据构成了大地测量和其他数据系统，用于海洋大地测量，海洋地球物理学和海洋学的研究和应用. （2）完善我国水域的地球重力场，主要包括: 首先，完善海域的大地水准面，建立精度为厘米级，分辨率约10 km的大地水准面. 二是提高海域重力值的分布范围和平均重力异常的精度. 第三是海域网格重力异常图的编制. 高分辨率网格重力异常图不仅是完善中国地球重力场模型的重要依据，而且对于发现海洋厚沉积物具有十分重要的价值，可为石油勘探提供重要参考. 340地球科学进展，第11卷（3）对我国海拔基准相关问题的研究，结合沿海潮汐站的潮汐数据，确定了我国的垂直基准面及其与全球基准面的关系. （4）海洋环境监测的主要任务包括: 首先，确定海面地形及其变化，以充分了解洋流现象，潮汐和环流模式等海洋动力学现象.

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