空间中心科研人员在宽刈幅成像雷达高度计海洋重力场和海底地形反演方面取得进展

近三十年来，星载雷达高度计海洋观测数据已成为反演高精度、高分辨率海洋重力场和海底地形的重要数据源。然而传统星下点雷达高度计只能测得一维沿轨的海面高度，观测效率低、时空分辨能力受限，且其交轨方向的测高精度难以与沿轨方向保持一致，限制了海洋重力场反演精度的进一步提升。

宽刈幅成像雷达高度计以其卓越的宽刈幅测绘能力、高分辨率成像能力和高精度测高能力，有望带来海洋重力场反演技术新的突破。宽刈幅成像高度计采用偏离天顶点的小入射角雷达成像并结合孔径合成和短基线干涉技术，能够在数十至数百公里宽的观测刈幅上对海洋表面进行高精度三维成像测量，沿轨分辨率可达数十米，交轨分辨率可达数十至数百米。天宫二号三维成像高度计是国际上首个进入太空的宽刈幅成像雷达高度计，也是国际上首个星载小入射角成像雷达，由中国科学院国家空间科学中心微波遥感技术重点实验室研制。自2016年9月15日随天宫二号空间实验室发射升空以来，天宫二号高度计获取了海量小入射角雷达图像和宽刈幅海面测高数据，为人类对地观测提供了全新视角，在海洋科学研究和应用研究方面发挥了重要价值。

近期，中国科学院国家空间科学中心微波遥感技术重点实验室张云华研究员团队的孙孟博士生等设计并实现了一整套适用于宽刈幅成像高度计数据的重力异常反演方法。具体包括：开阔海域和海陆边界的重采样与景拼接、适用于重力反演的基线误差校正、针对宽刈幅数据的垂线偏差解算方法及GPU实现等，并在南海复杂地形海域开展了基于天宫二号高度计数据的重力反演实验。图一所示为天宫二号高度计和国外Jason-2+SARAL反演所得重力异常和残余重力异常。从定性角度看，二者结果高度一致，均能清晰揭示南海地区海底地形结构。尽管如此，残余重力异常对比表明，天宫二号高度计反演结果在更高的空间分辨率下波动较小。同时从图中放大的菲律宾巴拉望岛（Palawan Island）附近反演结果也可看出，天宫二号高度计在近岸的表现更优异。

图一：南海区域天宫二号高度计与Jason-2+SARAL反演所得重力异常（上）和残余重力异常（下）

在定量评估方面，以国际上广泛认可的海洋重力模型SIO V32.1、DTU17和EGM2008等为参考，天宫二号高度计反演结果的均方根误差比传统高度计结果小1mGal左右；以美国国家环境信息中心（NCEI）的船测重力数据为参考，天宫二号高度计反演结果的均方根误差比传统高度计约小0.6mGal。图一的反演结果采用了191轨的天宫二号高度计数据和3018轨的Jason-2 (1406轨) + SARAL (1612轨)数据。这些实验结果充分展示和验证了天宫二号雷达高度计具有的更高观测效率、更高垂线偏差东向分量精度、更好的北向和东向分量精度一致性、以及更高的重力异常精度和更高的空间分辨率。

图二：重力异常误差随离岸距离变化趋势

鉴于南海区域岛屿众多且海岸线复杂，研究团队以离海岸线距离进一步划分实验区域，开展了更精细的对比研究。图二所示结果表明，尽管天宫二号高度计和传统高度计的反演精度都会受到陆地的影响，但得益于垂线偏差东向分量的改善，天宫二号高度计的均方根误差始终小于传统高度计。此外，天宫二号高度计在沿海地区受陆地影响更小，展现出宽刈幅雷达高度计在近岸海面测高和重力反演上的较大提升潜力。

图三：天宫二号高度计反演所得西太平洋（左）及中国南海（右）特定区域的海底地形

在高精度海洋重力场反演的基础上，研究团队翟文帅副研究员等进一步开展了海底地形反演研究。他们基于天宫二号高度计反演的重力异常数据，应用重力地质法（GGM）和Smith-Sandwell方法（SAS）获得了位于西太平洋和中国南海两处5°×5°大小的海底地形，分辨率为1′×1′，如图三所示，这是首次由宽刈幅成像雷达高度计数据所绘制的海底地形图。以船测水深数据为参考，两个区域的海底地形反演结果均方根误差分别为69.882m和50.110m。与国际上五个权威全球地形模型的最新版本相比较，天宫二号高度计结果优于分辨率同为1′的DTU 21模型和SIO topo V25.1模型，在南海海域甚至优于分辨率为15″的SRTM15+V2.5.5模型，与ETOPO2022模型和GEBCO2023模型的精度十分接近。

以上研究成果发表在地学和遥感领域期刊IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing、Remote Sensing和Marine Geodesy上。

文章及链接：

Meng Sun, Yunhua Zhang, Xiao Dong, and Xiaojin Shi, "Performance of Tiangong-2 Interferometric Imaging Radar Altimeter on Marine Gravity Recovery Over the South China Sea," IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, vol. 62, pp. 1-13, 2024. DOI: 10.1109/TGRS.2024.3429404.

Meng Sun, Yunhua Zhang, Xiao Dong, and Xiaojin Shi, "Preliminary Results of Marine Gravity Recovery by Tiangong-2 Interferometric Imaging Radar Altimeter," Remote Sensing, vol. 15, no. 19, 4759, 2023. DOI: 10.3390/rs15194759.

Wenshuai Zhai, Yunhua Zhang, Meng Sun, Xiao Dong, and Xueyan Kang, "Seafloor Topography Recovery Using the Observation Data of Tiangong-2 Interferometric Imaging Radar Altimeter," Marine Geodesy, pp. 1-19, 2024. DOI: 10.1080/01490419.2024.2401332.

（供稿：微波室）