遥感教程第11-7页

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通过绘制这些表面的剖面图,可以获取大量有关(地球地形状态)陆地和海洋表面的宝贵信息。这可以通过测高来实现。过去的传统方法就是简单地在地表铺设测量线。轮廓线起到控制作用,视线从该控制点传输到其他点,形成一组允许轮廓线的定位点。现在,可以使用雷达(微波)或激光雷达(光)脉冲从空间方便地进行测高,这些脉冲的时间从卫星到地面和返回卫星提供的距离信息很容易转换为从卫星(其位置在任何时刻都是准确知道的)到地面的距离。在任何地点都可以。本页总结了这一点的基本原则。


测高法

为了考虑测高,我们必须从点测量到地球表面的线性测量。飞机和天基高度计仪器可直接测量狭窄路径上的海拔高度。我们可以很容易地将这些高程绘制成剖面图。一系列的平行轮廓作为轮廓的框架。高度计向反射面发送自生(主动)信号,并采集反射信号。然后,他们测量目标(固体土地、树梢、冰或水)往返的总时间。信号可以是无线电脉冲(包括雷达)或光脉冲(激光)。

激光是受激辐射光放大的缩写。典型的固体激光装置是一种掺铬红宝石(Al:Sub:2`o3 )当外部辐射源(如从封闭的闪光管)作用于形状(通常是圆柱形)的红宝石晶体时,其一端镀银,起到镜子的作用,分散在晶格中的铬(Cr)离子被激发成新的能态(电子上升到某个新的轨道水平)。.当电子回落到较低的能量水平时,受激发射产生激光状态(记住,引言中的公式:e=hc/image0 )大部分的光从晶体中横向穿过,但是沿着圆柱体轴向移动的光在反复反射时会遇到其他的铬离子。多次反射进一步激发离子,并建立或放大(称为光抽运)光能,直到它以一个离散波长(实际上是一个狭窄的频率范围)的强相干辐射脉冲(由闪光灯控制)的形式放电为止;对于红宝石激光器来说,光是粉红色的。h)。该脉冲序列被准直以形成可瞄准的单向光束。其他激光材料包括砷化镓和激发气体,如氖或氦。可见光和红外线波长光都可以这样产生。

几十年来,激光测高一直在飞机平台上进行。定时装置可以非常精确地确定通过时间,从而可以在确定导线沿线的高程(及其差或起伏)时达到几厘米的精度。飞机可以在良好的天气条件下飞行,抵消了使用云与光束干涉产生的激光的主要缺点。例如,亚利桑那州陨石坑的剖面图(见 page 18-6 )从美国国家航空航天局的任务中获得(礼节:J.Garvin):

|亚利桑那州陨石坑的激光测高剖面图。|

激光高度计现在正在宇宙飞船上飞行。轨道仿形激光高度计是一种脉冲式飞行时间光学(1.024微米)传感器,在窄光束中每秒发送10个脉冲(pps)(直径30-150米,采样150-700米)。 [492-2296 ft] 间隔)1996年1月在奋进号航天飞机上运行,垂直精度达到0.75米。 [29.5英寸] . 每一次激光发射的停留时间只有2-10纳秒,在定时电子设备的1-10 nsec分辨率范围内;利用这种快速返回率,只要空间飞行器位置已知,地面位置就容易确定。这是一个典型的剖面图,是在夏威夷大岛上的冒纳凯亚火山经过时获得的:

夏威夷大岛的图像,宽轮廓,带线条

在它的对面是航天飞机激光高度计(SLA)收集海拔数据的路径;下面的图表是沿着这条线的海拔剖面(垂直高度夸大)。|

在1996年底,与火星全球高度计发射到这颗红色行星的传感器基本相同。EOS系列中的专用卫星(ICESAT)(见 page 16-7 ,计划于2001年发射,将安装地球科学激光高度计系统(GLAS),用于测量冰盖地形、云和大气特性,同时也将测量选定的陆地和水面。40脉冲/秒的光束由钕:钇铝石榴石(Nd:YAG)晶体产生,产生两级能量输出:1.064微米(红外线)用于表面测量,0.532微米信号用于大气(云和气溶胶)测量。每个脉冲将在70米(230英尺)的地面点上传播,脉冲之间的间隔高达170米(558英尺)。从705公里(440英里)的轨道高度,该仪器可以测量10厘米(4英寸)精度的冰上的高度差;改变后的返回脉冲的特性表明表面粗糙度。

激光也是确定与在轨卫星距离的可靠和非常精确的工具。反射镜是安装在航天器上的小棱镜(通常是石英)。即使在轨道速度很高的情况下,这些航天器也可以从地面站截获激光束脉冲,然后由反射镜反射回来。与GPS一起,这是一种精确确定卫星轨道位置的方法。在后来的阿波罗任务中,宇航员们将反光镜留在月球表面,作为进一步了解月球轨道运动的一种手段,包括它从地球上的衰退。

从空间上看,真正的孔径微波(雷达)高度计已经用于测量海况的各个方面,例如相对于大地水准面的高度、波的几何结构、海冰,以及间接的环流特征,如水流和涡流。像激光一样,这些信号以短脉冲发送,但在较长的雷达波长,这些信号可以穿透云层。再次,使用往返时间的仪器作为一个护林员,以确定距离目标。设计用于保护来自海洋表面数据的雷达高度计使用小天线,通过宽波束发送长波长脉冲,产生宽覆盖面积,其尺寸由脉冲长度决定。这种脉冲限制类型在光滑表面上运行得最好,但对后向散射脉冲(回波)的“拉伸”程度的分析会产生关于表面波高度(粗糙度)的信息。对于陆地测量,特别是在地势较高的表面上,限束高度计需要一个较大的天线(实际限制),能够产生较窄的波束(因此,能够更好地区分坡度变化的较小的占地面积)和较短的波长。必须以高精度和高精度确定传感器平台的轨道位置,以确定大地水准面的位置和表面与大地水准面的局部偏差;需要考虑大气对信号的修改,通常通过对随附辐射计获得的数据进行校正。

1973年的天空实验室任务中进行了第一次星载高度计实验。其次是1975年的GEOS-3(地球动力学实验海洋卫星),它测量的高度差大于60厘米。1978年,紧接着是JPL的SESAT(99天后失败,但在此期间返回了非常有价值的海陆数据)。它的高度计是包括一个合成孔径雷达在内的五种仪器之一,它能够确定海况,这个术语包括波高的测量,以及海面的总高度变化(波浪叠加在其上)以及风速的指示。波高的测定精度为10cm。我们已经在哥伦比亚大学的拉蒙特-多赫蒂研究中心绘制的全球海底地图中看到了高度计数据、由此得出的重力场数据和海洋地形之间相关性的一个惊人的产物。 (page 8-7 ②)然而,这是一个巨大的胜利,我们将在这里重复一遍,以便您更仔细地检查。

1985年,国防部作为大地测量员发射了一种性能类似于SEASAT的仪器。同年,由美国航天局/喷气推进实验室(NASA/JPL)和国家航天中心(国家航天中心)联合执行的TOPEX/POSEIDON任务开始了规划和开发,最终于1992年8月成功启动。其双频高度计(13.6 GHz和5.3 GHz [进行电离层校正] )和一台三通道微波辐射计(用于对流层水汽校正),平均每天在±63.1°的纬度带上进行50000次观测。可以检测到小于4.3厘米(1.6英寸)的波高。Topex/Poseidon制作了全球地图,显示了由于区域温度变化(海水的外部3米(~10英尺)包含的热量与整个大气的热量)导致的海水膨胀所导致的海平面季节性变化。此处显示一个示例:

这些数据集也可以解释为跟随由热上升流、风和科里奥利力控制的洋流循环(通常是向极流)的变化,以及潮汐的影响、涡流的发展和厄尔尼诺现象(由于热影响而引起的水赤道移动)的监测。所有这些观察结果都与全球气候变化的主要方面有关。

最近,整个海洋领域的高度计数据是在ERS-1大地测量任务期间获得的。将测高测量与卫星轨道变化(由于与地下地球的重力差异而引起的加速度变化)相结合,可以形成海洋表面重力场。当这种情况发生逆转时,其结果是根据深度(水深测量)绘制的海底“地图”,由地表和海底之间的水厚度变化表示。这是一张来自ERS-1的全球水深图。

空间图像可以在适合立体观察的模式下获取,原则上也可以由立体绘图仪进行分析和轮廓绘制。雷达图像能够显示三维效果,但由于叠加、距离效应和其他畸变,这通常不如航空摄影“真实”(参见 page 8-4

` <>`__11-18: Why hasn't altimetry from space as yet replaced conventional methods for making topographic maps? `ANSWER <Sect11_zanswers.html#11-18>`__

本文对雷达测高技术进行了深入的评述。 University of Texas 站点。


主要作者:Nicholas M.Short,高级电子邮件: nmshort@nationi.net