合成孔径雷达高度计应用研究进展.pdf

103CEditorial Department of Water Resources and Hydropower Engineering.This is an open access article under the CC BY-NC-ND license.，删我仅，呼上，土女从争以蚁地理、迪您与Gls应用Gls至可分价研允E-mail：su q lao m ei tyu ted 通信F自：小灯悔（儿UHydropower Engineering,2023,54(10)：1 0 3-1 1 4.SU Xiaoye,LI Xiaotao,SU Qiaomei,et al.Research progress in applicatisyntheticapertureradaraltimeterJ.WaterResourcesandtionO1宿潇野李小涛，苏巧梅，等合成孔径雷达高度计应用研究进展 J水利水电技术（中英文）2023,54(10)：1 0 3-1 1 4.水利水电技术（中英文）第5 4卷2023年第1 0 期合成孔径雷达高度计应用研究进展宿潇野1 2，李小涛，苏巧梅，马建威，宋文龙，许佳昕1.2（1.太原理工大学矿业工程学院，山西太原030024；2.中国水利水电科学研究院，北京100038)摘要：【目的】合成孔径雷达高度计采用延迟-多普勒技术有效提高观测精度，使得卫星测高技术可以应用于地形复杂区域。为探究合成孔径雷达高度计的应用进展，【方法】对合成孔径雷达高度计的发展进行概述，列举了目前主要载荷合成孔径雷达高度计的测高卫星，并对测高原理以及数据处理方法进行描述，针对合成孔径雷达高度计在海洋、冰川、内陆湖泊区域以及高程数据产品制作的应用进行重点分析。【结果】针对当前合成孔径雷达高度计应用现状，总结出合成孔径雷达高度计存在时空分辨率受限、数据精度检验代价较大、长序列数据短缺的问题，并提出多源数据协同、三维领域拓展以及数据处理方法优化的发展方向。【结论】合成孔径雷达高度计目前对海洋、冰川及内陆湖泊的高程监测方面已具有较强的应用能力，随着卫星观测密度的增加及数据优化处理方法的改进，合成孔径雷达高度计在高程监测、地形反演、水量监测等方面将具有更加广泛的应用，为探究地球水资源变化提供科学依据关键词：卫星测高；合成孔径雷达高度计；微波遥感；遥感应用；水资源；遥感；所语音鼻科酒与作者互动冰川；内陆湖泊D0I:10.13928/ki.wrahe.2023.10.009开放科学（资源服务）标志码（OSID）：中图分类号：TP79文献标志码：A文章编号：1 0 0 0-0 8 6 0(2 0 2 3)1 0-0 1 0 3-1 2Research progress in application of synthetic aperture radar altimeterSU Xiaoye-2,LI Xiaotao”,SU Qiaomei,MA Jianwei,SONG Wenlong”,XU Jiaxin.2(1.School of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan030024,Shanxi,China;2.China Institute of Water Resources and Hydropower Research,Beijing100038,China)Abstract:Objective The synthetic aperture radar altimeter adopts the delay-doppler technology to effectively improve the observa-tion accuracy,so that the satellite altimetry technology can be applied to areas with complex terrain.In order to explore theapplication progress of synthetic aperture radar altimeter,Methods Jthe development of synthetic aperture radar altimeter is sum-marized.The altimetry satellites are listed that are currently mainly loaded with synthetic aperture radar altimeter.The altimetryprinciple and data processing method are described.The application of synthetic aperture radar altimeter in ocean,glacier,inlandlake area and elevation data product production is emphatically analyzed.Results J In view of the current application status of syn-收稿日期：2 0 2 3-0 3-0 1；修回日期：2 0 2 3-0 4-2 1；录用日期：2 0 2 3-0 4-2 1；网络出版日期：2 0 2 3-0 6-0 4基金项目：国家自然科学基金项目（42 1 7 1 42 4，42 2 7 1 432）；山西省自然科学基金项目（2 0 1 9 0 1 D111048）；三峡后续工作：三峡区间防洪安全遥感调查评估（JZ110161A0012023）作者简介：宿潇野（1 9 9 7），男，硕士研究生，主要从事遥感信息提取研究。E-mail：s x y 9 5 7 5 38 9 1 5 1 6 3.c o mWater Resources and Hydropower Engineering Vol.54No.10104第5 4卷2023年第1 0 期水利水电技术（中英文）宿潇野，等/合成孔径雷达高度计应用研究进展thetic aperture radar altimeter,the problems existing in the synthetic aperture radar altimeter are summarized,such as limited spa-tial and temporal resolution,high cost of data accuracy inspection,and shortage of long sequence data,and proposes the develop-ment direction of multi-source data collaboration,three-dimensional field expansion,and data processing method optimization.ConclusionJAt present,the synthetic aperture radar altimeter has a strong application ability in the elevation monitoring of oceans,glaciers and inland lakes.With the increase of satllite observation density and the improvement of data optimization processing meth-od,the synthetic aperture radar altimeter will have more extensive applications in elevation monitoring,terrain inversion,water volumemonitoring and other aspects,providing scientific basis for exploring the changes of the earths water resources.Keywords:satellite altimetry;synthetic aperture radar altimeter;microwave remote sensing;remote sensing applications;waterresources;remote sensing;glaciers;inland lakes0引言20世纪6 0 年代，作为研究固态地球及海洋动力学的关键技术，卫星测高技术由美国大地测量学家KAULA首次提出】，以卫星为载体，通过激光、雷达等技术获取海面高程信息，对全球范围内的海洋进行大范围连续观测。随着信息技术与空间技术的不断发展，卫星测高技术的观测手段、精确定轨技术以及大气延迟误差校正方法得到进一步完善，测高卫星的观测精度逐渐提高并且应用范围也由海洋 2-5 逐渐向冰川 6-8 、内陆湖泊 9-1 1 延伸，卫星测高技术逐渐在大地测量学、海洋学以及水文学等学科体现出巨大潜力。卫星测高技术具有全天时、高重复性、全球覆盖等特点，能够提供大范围、长时间序列的地表高程及其变化信息，相较于其它观测技术，卫星测高技术具有更加高效、可获取性更强的优越性，目前已有20多颗测高卫星参与地表高程观测任务。雷达高度计是测高卫星进行测高任务的核心载荷，合成孔径雷达高度计（Synthetic ApertureRadar，SA R）在原有对电磁波频率和幅度信息处理的基础上增加对回波数据相位信息的应用，使得回波信号的信噪比优于传统脉冲有限式雷达高度计，测量精度大幅提升，在海洋及宽阔水域表现更加出色 1 2 。目前搭载合成孔径雷达高度计的测高卫星主要有Sentinel-3、Cr y o s a t-2 以及Topex/Poseidon系列的后续卫星Jason-CS/Sentinel-6,针对Sentinel-6的研究相对较少，本文主要就合成孔径雷达高度计的发展历程、测高卫星工作模式、数据处理技术、应用进展、存在问题和发展趋势等进行总结与分析，为后续相关研究提供参考。1合成孔径雷达高度计概述1.1合成孔径雷达高度计发展21世纪初，合成孔径技术首次应用于卫星测高技术，对传统雷达高度计的测量模式进行改进，使微波雷达高度计的发展迈人新时代。合成孔径雷达高度计的设计目的是在传统雷达高度计的基础上提高观测分辨率，使测量精度达到复杂地形的观测要求。合成孔径雷达高度计利用信号发射脉冲群的相干性，基于沿轨方向多个位置对观测目标的观测回波结果采用延迟-多普勒技术进行处理，通过多个子波束之间的多普勒相位信息合成一个比实际孔径大很多的合成孔径 1 3。雷达高度计观测结果经过多普勒锐化处理后可以针对某一区域在沿轨方向上获取多个条带的回波信息，相对于传统雷达高度计增加了观测次数，使得沿轨分辨率从2 km提升至30 0 m，大幅提升了测量精度【1 4，雷达高度计足迹点示意如图1 所示。与激光雷达高度计相比，合成孔径雷达高度计与传统脉冲有限式雷达高度计一样采用微波波段对地表高程进行测量，其穿云透雾的能力能够保证卫星全天时、全天候对地表进行观测任务，测量数据的连续性较好，多用于内陆湖泊、海洋及海冰等方面的监测。2010年，第一颗搭载合成孔径雷达高度计的测高卫星CryoSat-2由欧空局发射升空，采用传统低分辨率（LowResolution Mode，LRM）、合成孔径（Syn-thetic Aperture Radar，SA R）、合成孔径干涉（Synthet-ic Aperture Radar Interferometry，SA RIn）三种模式，极大提高了对地观测的沿轨分辨率及精度 1 5 。2 0 1 8年，Sentinel-3B卫星发射升空，与2 0 1 6 年发射的Sentinel-3A组成双星星座以SAR模式进行对地观测 1 6 ，各测高卫星基本信息如表1 所列。1.2合成孔径雷达高度计载荷卫星Cryosat-2、Se n t i n e l-3是目前搭载合成孔径雷达高度计的主要测高卫星，两颗卫星具有各自独特的观测特点，针对不同研究区采用不同的观测模式。Cryo-sat-2卫星于2 0 1 0 年发射，设计在轨运行时间三年，主要用于极地观测，测定大陆冰盖及海洋冰盖的厚度变化，预测全球变暖对北极海冰及南极冰盖的影响。105水利水电技术（中英文）第5 4卷2023年第1 0 期宿潇野，等/合成孔径雷达高度计应用研究进展跨轨向回波能量回波能量时间时间(a)传统雷达高度计(b）合成孔径雷达高度计图1传统雷达高度计与合成孔径雷达高度计足迹点比较 1 4Fig.1Comparison of footprint points between traditional radaraltimeter and synthetic aperture radaralimeter 14卫星设计重访周期为36 9 d，由多个30 d内连续变化的运行子周期组成，轨道高度7 1 7 km，轨道倾角92，轨道间距在7 0 附近约为2.5 km，几乎覆盖所有极地地区。Cryosat-2卫星搭载首个合成孔径雷达高度计SIRAL，采用三种观测模式（LRM、SA R、SARin）进行地表测量。LRM模式主要对平坦的极地冰面及海洋进行观测；SAR模式利用合成孔径技术对冰盖间狭窄裂缝处水道和浮冰的后向散射进行区分，通过处理水面和冰面的不同回波信号进行海冰高度测量；SARin模式采用双天线模式，对获取的回波信号进行相位差分处理以获取高精度的地表高程信息，适用于冰盖边缘、冰川等地形起伏较大的复杂区域 1 7 。另外，Cryosat-2的运行轨迹采用漂移轨道模式，可以提供均匀分布的地表观测数据，在高精度海洋重力场模型构建方面具有重大意义。Sentinel-3卫星主要目标是对海面地形、温度以及颜色进行高精度测量，提供高质量的海洋测量数据，其重访周期为2 7 d，轨道高度8 1 4.5 km，轨道倾角9 8.6，在赤道处轨道间距约为1 0 0 km，搭载合成孔径雷达高度计SRAL，始终以SAR模式对地表进行观测，在海洋、内陆湖泊等开阔区域可以获得更高精度的测量结果【1 8 。Sentinel-3与Jason-3一样采用开环跟踪模式，以储存在仪器中的地表高程信息为基础设置合适的窗口大小对回波采集相位进行控制，观测精度进一步提高，使得Sentinel-3表1测高卫星基本信息Table 1Basic information of altimetry satellite卫星名称运行时间波段重访周期/d轨道间隔/km足迹点/kmGeoSat19851990Ku171651.7ERS-119912000Ku35801.7TOPEX/Poseidon19922005Ku、C103152.2ERS-219952011Ku353151.7GFO19982008Ku171652Jason-120012013Ku、C103152.2Envisat20022012Ku、S35801.7ICESat20032009绿色、近红外1830.07Jason-220082019Ku、C103152.2Cryosat-22010至今Ku369,301.6(0.3)HY-2A2011至今Ku、C14,1682082SARAL2013至今Ka35801Jason-32016至今Ku、C103151Sentinel-3A2016至今Ku、C271042(0.3)ICESat-22018至今绿色910.017Sentinel-3B2018至今Ku、C271042(0.3)HY-2B2018至今Ku、C14,1682082HY-2C2020至今KuC10300Jason-CS/Sentinel-62020至今Ku、C103151HY-2D2021至今Ku、C10300106水利水电技术（中英文）第5 4卷2023年第1 0 期宿潇野，等/合成孔径雷达高度计应用研究进展观测狭窄河道、中小型湖泊及水库高程成为可能。2合成孔径雷达高度计数据处理技术2.1卫星测高原理雷达高度计以一定的重复频率向地球表面发射电磁波束并接收反射的回波信号，根据微波往返的传播时间得到高度计与地表间的距离，卫星相对某一参考椭球的运行高度与测量距离的差值即为目标区域相对该参考椭球的高程 1 9 ，由于雷达高度计在测量过程中受到自身、大气及地表环境的影响产生误差，因此在测高数据处理过程中需要对其进行改正，高程计算公式 2 0 如下h=Halt-Hcor-HHgeoid-Ah(1)式中，h为观测目标相对参考椭球的高度；Hal为卫星相对参考椭球的高度；Hcor为波形重跟踪后的卫星相对观测目标的高度；Hgeid为参考椭球相对大地水准面的高度；h为卫星测高改正值，包括大气折射改正值、海况偏差改正值、仪器改正值、地球物理改正值等，卫星测高示意图如图2 所示，卫星轨道卫星高程Halt星地距离HCOr回波记录窗口地表地表高程h大地水准面水准面高Hgeoid参考椭球体图2卫星测高示意 2 0 Fig.2Schematic diagram of satlite alimetry 202.2异常值剔除算法测高卫星在进行地表观测时受波浪、湖内裸露地表及其他原因干扰产生噪声，严重影响测高数据的可用性，在测高数据应用前需对每个周期的数据进行筛选，去除异常值。常用的方法包括三倍中误差法及设定标准差阈值筛选方法 2 1】，诸多学者在此基础上进行了方法改进。JIANG等 2 2 利用绝对偏差中位数法，选取一段数据的中位数，排除中位数两侧超过二倍偏差绝对值的异常值，保留剩余观测数据。OKEOWO等 2 3 基于K-means聚类、四分位间距以及统计误差剔除异常值，通过四分位间距确定可用数据上下限，并利用K-means聚类筛选大量集群，对剩余数据进行迭代处理，直到剩余数据的标准差小于0.3m。文京川等 2 4 提出“连续优质点群”概念，将湖库水面高程测量值近似看作在一条水平线上，选取与高程均值差值的绝对值不超过0.3m的至少三个连续点所组成的多个点群，根据“连续优质点群”在全部数据中的占比进行分级，根据不同等级采取相应的数据提取措施。3合成孔径雷达高度计应用进展合成孔径雷达高度计使用延迟-多普勒技术有效提高了沿轨方向的分辨率，卫星测高技术在地形起伏较大的区域观测效果提高，逐渐从海洋、冰川测量发展到内陆水体研究，对水位变化、水量估计、洪涝灾害风险预测等意义重大，对高原湖泊、冰川等无资料无人监管区域的监测提供了数据支撑。3.1海洋测量合成孔径雷达高度计能够快速、大范围的进行地表高程观测，可以高效获取大面积观测数据，为海洋探测提供数据支撑3.1.1海面高程测量海洋占据地球表面7 1%的面积，海面高程的精确测量及变化监测一直是当今社会密切关注的问题。合成孔径雷达高度计的合成孔径技术可以提供更加准确的观测数据，众多学者对此展开研究，通过与传统雷达高度计观测数据及实地测量结果对比，对合成孔径雷达高度计观测精度进行验证，结果表明合成孔径雷达高度计观测结果更加良好。为评估合成孔径雷达高度计观测精度，探究海面高程变化，SANCHEZ-ROMAN等 2 5 利用Sentinel-3A高度计数据对欧洲海域沿海带进行海洋高程测量并对Sentinel-3A测高数据的质量进行评估，在波罗的海及地中海区域与实地潮汐计测量数据进行比较，结果表明相比于Jason-3，Se n t i n e l-3A 极大的提高了沿海高107水利水电技术（中英文）第5 4卷2023年第1 0 期宿潇野，等/合成孔径雷达高度计应用研究进展程测量精度。合成孔径雷达高度计具有多种观测模式，为验证不同模式的观测精度，NENCIOLI等 2 6 利用Sentinel-3A内的合成孔径模式（SAR）和伪传统低分辨率模式(PLRM)数据对英格兰西南部海岸进行测量评估，通过与海岸波浪浮标数据进行对比得出SAR模式观测在距离海岸1 5 公里范围内优于PLRM模式，证明SAR模式具有明显的观测优势。李超等 2 7 利用Cryosat-2数据在南纬7 2 以南的南极海域进行潮汐调和分析，通过对轨道交叉点处的数据进行平差处理得到调和参数，进而对轨迹交叉点进行潮汐分析，有效实现了潮汐分离，合成孔径雷达高度计的应用逐渐向极地海域拓展。而针对海面高程变化监测，YUAN等 2 8 使用Sentinel-3、Cr y o s a t-2 数据结合其他多组传统雷达高度计测高数据对中国海域1 9 9 3年到2 0 1 9 年的海平面变化进行了估计，通过测高数据获取的时变平均海面信息构建1 1 海平面趋势模型，得到中国海域海平面年际变化速率，海平面变化率如图3所示。100E110E120E130E140E变化率/mmar!1540N14131211109830N76543220N10-1-23410N2789-10图3中国周边海域海平面变化率 2 8 Fig.3Chart of sea level change rate in the surroundingwaters of China 28受地球引力影响，全球各海域海面高程及变化率并不统一，高精度的高程测量数据对海面观测至关重要，合成孔径雷达高度计的出现促进了海面高程观测的发展，采用多源卫星测高数据协同及时空插值方法或可扩大海面高程监测范围，提高监测效率3.1.2海洋内孤立波观测海洋内孤立波是在稳定的海水密度层发生的一种波动现象，在全球海域内广泛分布。内孤立波具有较大的振幅及流速，具有强烈的非线性效应，大振幅的内孤立波会严重影响水下潜艇航行。传统的海洋内孤立波观测是基于遥感影像数据进行全球观测，而无法对内孤立波引起的海面垂直高度变化进行分析。合成孔径雷达高度计为海洋内孤立波的观测提供了新的可能，高精度海面高程观测数据不仅为海面高度变化分析提供依据，高空间分辨率的地表观测可以进一步观测到不规则及小规模的内孤立波，有效提高内孤立波观测的精细化程度。海洋内孤立波对海面高程异常具有较大影响，许多学者基于合成孔径雷达高度计观测数据对海洋内孤立波的影响因素展开研究。ZHANG等 2 9 利用同步观测的Sentinel-3OLCI和SRAL数据，对南海内孤立波进行观测，发现Ku波段与海面高度异常中的。受内孤立波影响较大，表现较显著，表明合成孔径雷达高度计观测结果对内孤立波研究具有重大意义。YU等 30 基于Sentinel-3OLCI和SRAL同步观测数据对海洋内孤立波影响海面地球物理参数变化的程度进行分析，得到苏禄海内孤立波与海面地球物理参数变化特征。SANTOS-FERREIRA等 31 发现内孤立波会引起海洋表面波破碎，导致有效表面波高（SWH）沿内孤立波的传播方向发生变化，并基于Sentinel-3SRAL数据与Sentinel-2影像数据分析比较SWH的变化得益于合成孔径雷达高度计高空间分辨率观测，海洋内孤立波可以在三维方向上进一步被观测，进一步推进对海面地球物理参数的变化分析。而内孤立波引起的海面粗糙度变化会影响波形重跟踪的效果，导致地球物理参数产生误差，有效的波形重跟踪算法或能提高海洋内孤立波的观测精度3.1.3海底地形反演海底地形是对地球构造、海底板块运动探索的重要依据，而大面积的海洋探测对于船载声呐等实地探测方式来说短时间内无法满足，探测成本过高。海底地形与重力异常信息具有极高的相关性，基于合成孔径雷达高度计所获取的海面高程、有效波高以及后向散射系数等信息可以推算海洋重力场信息进而得到海底地形。HSIAO等 32 利用Cryosat-2观测结果结合Geosat、Ja s o n-1、ERS-1 等测高卫星数据推导中国南部海域重力场模型，并采用重力地质法对海底地形进行反演，反演精度得到有效提高。WU等 3使用Sentinel-3测高数据重新计算南沙群岛周围的重力数据，并将新计算的重力数据用于局部加强岛屿地区的海洋重力场。合成孔径雷达高度计相比传统雷达高度计在精度上的提高使得卫星测高技术在海平面高度变化、实时海面高程测量上发挥出更大的作用，对近岸海底地形108第5 4卷2023年第1 0 期水利水电技术（中英文）宿潇野，等/合成孔径雷达高度计应用研究进展100E102E104E106E108E110E112E114E116E118E120E122E124E126E22N22N20N20N18N18N16N16N14N14N12N12N10N10N8N8N6N6N4N4N2N2N000100E102E104E106E108E110E112E114E116E118E120E122E124E126E-4400-3.800-3.200-2600-2100-1600-1150-780-470-2000depth/m图4中国南部海域重力异常反演结果 32 Fig.4 Inversion results of gravity anomalies in thesouthern waters of China 32反演及海洋重力场模型构建提供了可靠的数据支撑，促进了大地测量学、海洋学等学科的发展。我国拥有绵长的海岸线，海洋资源丰富，合成孔径雷达高度计在我国海域的应用具有较大潜力，深入研究可挖掘更多未知海洋信息3.2冰川测量合成孔径雷达高度计所采用的延迟-多普勒技术极大提高了沿轨向分辨率，对复杂地形的探测效果明显提升，为冰川地区高程测量提供了技术保障3.2.1极地冰面高程Cryosat-2测高卫星在南极地区所采用的SARIn观测模式在冰盖边缘复杂区域的高程测量极大的提高了原本的测量精度，使得原本较为困难的极地冰盖高程测量成为可能许多学者针对合成孔径雷达高度计在极地冰盖的高程测量展开研究，对冰盖变化范围及变化趋势进行监测及分析。王志勇等 34 针对南极洲最大的三座冰架：罗斯冰架、龙尼-菲尔希纳冰架和埃默里冰架选取研究区内2 0 1 3年1 1 月Cryosat-2全部测高数据进行冰架厚度的估算，反演结果如图5 所示，将冰架厚度反演结果与NASA冰雪数据中心的IceBridge数据进行对比验证，结果表明利用合成孔径雷达高度计观测数据可有效提高冰架厚度反演精度。SORENSEN等 35 利用Cryosat-2、ERS系列测高卫星及Envisat测高卫星数据针对格陵兰岛冰盖区域进行1 9 9 2 2 0 1 6年2 5 年的冰盖高程变化监测，结果表明自2 0 0 7 年起，大部分冰盖边缘变薄且格陵兰岛除东部外都经历MODIS冰架边缘线CryoSat-2冰架边缘线陆地海域冰架厚度/m高:38 8.7 35 0低：5 9.9 8 9 0(a)罗斯冰架MODIS冰架边缘线CryoSat-2冰架边缘线龙尼岛陆地海域冰架厚度/m高：5 8 9.9 7 1 0低:34.5 5 2 1(b）龙尼-菲尔希纳冰架-MODIS冰架边缘线CryoSat-2冰架边缘线陆地海域冰架厚度/m高:1 1 8 1.35 0 0低：6 9.1 40 6(c)埃默里冰架图5南极冰架厚度反演结果 34Fig.5Inversion Results of Antarctic Ice Shelf Thickess a109水利水电技术（中英文）第5 4卷2023年第1 0 期宿潇野，等/合成孔径雷达高度计应用研究进展了严重的冰川融化。LAI等 36 使用Cryosat-2测高数据结合星载激光测高卫星ICESat系列卫星数据对格陵兰冰盖进行月际变化监测，结果显示格陵兰岛冰盖呈逐年融化趋势，在2 0 1 2 年出现异常变化情况，2015年之后融化趋势逐渐减弱。CHEN等 37 使用Cryosat-2测高数据对2 0 1 0 2 0 1 9 年的格陵兰冰盖的海拔及体积变化进行研究，并分析这1 0 年的冰储量变化趋势，相比2 0 0 3一2 0 0 9 年的检测结果，2 0 1 0 一2019年冰川消融速度有所减缓且冰川融化的主要区域从东南沿海向西部转移。全球变暖引发的冰川融化问题影响着全球气候变化与生态平衡，冰川高程变化幅度是反映冰川融化最直观的指数，极地冰面雪层厚度会对高度计观测结果产生影响，结合合成孔径雷达高度计观测数据与降雪数据可以高精度的测量冰川高程，对研究极地冰川变化量及变化趋势具有重要意义。3.2.2海冰厚度估计海冰厚度估计的关键在于海冰干航的测量精度，而冰间水道对于海冰干舫测量结果具有很大影响，合成孔径雷达高度计高分辨率的特点能够基于海面及冰面不同的后向散射系数更精确的区分海冰区域及冰间河道。众多学者基于合成孔径雷达高度计对极地海冰厚度变化进行研究，肖峰等 38 利用Cryosat-2测高数据对2 0 1 0 一2 0 1 9 年的北极海冰厚度反演进行了研究，反演结果经IceBridge海冰厚度数据和仰视声纳数据验证具有较高精度，并对2 0 1 0 2 0 1 9 年海冰厚度变化趋势进行监测。高翔等 39 基于Cryosat-2测高数据并结合IceBridge海冰厚度数据和实地走航数据对南极威德尔海区域2 0 1 1 2 0 1 7 年每年5 1 0 月海冰出水高度进行计算，对2 0 1 1 一2 0 1 7 年研究区域的夏季海冰厚度变化趋势进行分析。DAWSON等 40 首次利用Cryosat-2测高数据构建泛北极夏季海冰厚度数据集，结合光学及雷达遥感影像使用神经网络算法对海冰、噪声浮冰及冰间水道进行分类。GREGORY等 41 将Cryosat-2测高数据及Sentinel-3测高数据相结合对2 0 1 8 年1 2 月一2 0 1 9 年4月的每日网格化泛北极干航进行估计，并对雷达干航进行泛北极预测以及不确定性评估。以往的传统雷达高度计受限于足迹点范围，对海冰边缘的测量能力有限，近几年发展的合成孔径雷达高度计与激光雷达高度计则很好的解决了足迹点大小的问题。而目前对海冰厚度估算模型的参数选取与组合存在差异，对参数取值与组合进行深度研究可使合成孔径雷达高度计在海冰厚度测量上具有更加广阔的天地3.2.3高山冰川高程高山冰川位于内陆高原高海拔地区，海拔高、温度低、地形复杂，传统高山冰川高程监测方法受环境因素限制，而合成孔径雷达高度计高精度地表观测能够高效获取大量高山冰川高程信息，在高山冰川高程观测中的应用逐渐加深利用合成孔径雷达高度计观测高山冰川高程变化可实现高山冰川消融速率反演，量化高时间分辨率的冰川损失。ZHAO等42】利用Cryosat-2卫星结合ICE-Sat、I C ESa t-2 卫星观测结果与DEM数据集成，得到青藏高原东南部冰川高程变化以及冰川质量损失速率信息，结果表明合成孔径雷达高度计能够很好的反演青藏高原东南部冰川损失速率。JAKOB等 43 基于Cryosat-2卫星观测结果对亚洲高山及阿拉斯加湾区域高山冰川提取逐月高程变化的时间序列，验证了合成孔径雷达高度计在该区域具有良好的观测精度，结果表明合成孔径雷达高度计在极端地形区域具有良好的应用效果。FORESTA等 44 基于Cryosat-2观测结果对南美洲巴塔哥尼亚高原冰川高程进行研究，实现冰川高程变化监测。上述研究基于合成孔径雷达高度计实现高山冰川高程变化监测，证明合成孔径雷达高度计在高山冰川的应用逐渐拓展，实现全球主要高山冰川区域高程监测，试验结果表明全球高山冰川均存在不同程度的消融3.3内陆水体测量合成孔径雷达高度计高分辨率、全天候、全天时的特点逐渐在内陆水体监测中展现出独特优势，越来越多的相关研究在内陆水体中开展，在水位变化、流量监测及水储量估算等方面的应用日渐增多。3.3.1水位变化合成孔径雷达高度计全天时、全天候的卫星观测提供了长时间序列的内陆湖泊高程数据，为内陆狭窄河段、大中型湖泊及无资料区域湖泊水位提供了更多监测成果，进一步精细化水位变化研究。雷达高度计在内陆湖泊及狭窄河流区域的回波易受河岸影响，采用高空间分辨率的合成孔径雷达高度计可有效减弱陆地对回波的影响。DEIDDA等 45 基于Sentinel-3测高数据和Jason系列数据对意大利河流中的狭窄河段水位进行测量，并与轨道附近1 9 个观测站的实测数据进行对比，结果表明测高数据在断面较宽（2 6 0 5 5 5 m）的河流与实测数据具有较高的相110水利水电技术（中英文）第5 4卷2023年第1 0 期宿潇野，等/合成孔径雷达高度计应用研究进展关性，证明合成孔径雷达高度计在内陆河流流域具有良好的应用效果。NIELSEN等 46 在传统雷达高度计测量数据基础上加入合成孔径雷达高度计数据提出一种多任务河流水位时间序列构建方法，并将其在多个河流中进行应用验证，实现合成孔径雷达高度计在长序列水位监测上的应用。廖静娟等 47 基于Cryosat-2测高数据对2 0 1 0 2 0 1 8 年青藏高原地区湖泊水位变化进行监测，利用噪声去除技术及误差混合动态模型提取高精度湖泊水位数据，真实的反映了青藏高原地区湖泊的水位变化趋势。黄对等 48 针对Sentinel-3测高数据在鄱阳湖水位监测精度结合光学遥感影像进行评估，验证了合成孔径雷达高度计在内陆大型湖泊的观测精度，并基于合成孔径雷达高度计进行大型湖泊水位变化监测合成孔径雷达高度计可以提供内陆大江大湖及无资料区或面积较小的湖泊河流的水位测量数据，提高了内陆水体水位监测密度，实现了监测困难水体的水位测量，为洪涝灾害受影响区域提供洪水水位数据。3.3.2流量监测水位信息是流量监测中不可或缺的数据，而内陆河流路网复杂，针对每条河流建立水文站显然无法实现，更多的学者将目光转向合成孔径雷达高度计，通过获取高精度河流水位数据进行河流流量估算。GARKOTI等【49 提出一种仅使用遥感数据进行流量估算的方法，利用Sentinel-3测高数据并结合Ja-son-3数据通过光学及雷达遥感影像获取河流宽度信息并使用曼宁方程对2 0 1 8 2 0 1 9 年印度克里希纳河流量进行估算，测高数据与实测数据相验证，指出合成孔径雷达高度计观测结果在流量估算上具有良好应用。ZAKHAROVA等 5 0 结合传统雷达高度计测高数据与合成孔径雷达高度计测高数据对鄂毕河、普尔河进行流量估算，证明合成孔径雷达高度计提供了精度更高的水位测量数据，对于狭窄河段具有良好的观测精度。BOGNING等 5 1 采用长时间序列Sentinel-3测高数据结合传统雷达高度计测高数据，对中非地区奥果韦河进行流量估算，相对误差在5%以内。通过合成孔径雷达高度计测高数据进行模型计算得到的河流流量信息可以为生态变化研究、防洪减灾提供可靠的理论依据，进一步利用了合成孔径雷达高度计测量结果，但足迹点大小仍是限制流量计算精度的重要因素，提高卫星观测空间分辨率仍是当今研究热点3.3.3水储量估算传统的水储量估算过程涉及湖泊水位、面积等信息提取，且湖泊储量变化往往关系到下游河流的水量300025001.5-u/鲁2 0200015001000500067-50-6-02-18141-61029-10-112018-12-12019-01-142019-02-102019-04-052019-05-02019-06-252019-07-222019-02019-12-04日期图6克里希纳河月均流量变化 49 Fig.6Change diagram of average monthly discharge ofKrishna River49变化，合成孔径雷达高度计提供的高精度测高数据则在这些区域展现出较好的应用能力HOSSEN等 5 2 采用Heron算法对埃及阿斯旺水坝湖的水量进行估算，该方法结合Sentinel-3卫星测高数据、陆表温度及陆表水色数据建立统计回归模型，从光学遥感及测高角度对深水湖泊的水深及水量估算可行性进行研究。GOURGOULETIS等 5 3】基于Sentinel-3测高数据及Sentinel-2光学影像数