基于SAR的浅海水域地形反演研究

Bathymetry in estuarine and coastal waters is vital to researches in all research areas related to estuaries and coasts. Fast and correct acquisition of bathymetric data is very significant in monitoring estuarine and coastal erosion, coastal enginnering works construction and protection, shiping channel dredging, and coastal storm surge hazard predition and prevention, and many other applicable fields. In the proposed study,we investigate the SAR imaging principle and inversion methods for bathymetric data under shallow waters from spaceborne synthetic aperture radar (SAR) data. Based on radar backscattering principle, taking into the consideration of the contribition in backscattering cross-section due to the sea surface micro-scale wave changes caused bysea surface wave and current interaction, a radar backscatter model will be developed. With synchronized in-situ observations and numerical simulations,a sea surface wave and current interaction model will be established to describe the interaction between the sea surface current and sea surface micro scale wave. The model will be used to derive an accurate sea surface current. In addition, the current model under interaction between sea surface current and the 2D or 3D shallow water bathymetry will also be built. The SAR imaging features of the underwater topography under estuarine and coastal waters.The SAR imaging principle for bathymetry in shallow waters will be improved. An underwater terrain/bathymetry inversion model will thus be developed.the error sources and uncertainties in the SAR bathymetry inversion model will be presented.

河口海岸水下地形及水深信息是涉及河口海岸各学科领域研究的基本要素，快速获取大范围的河口海岸水深数据，对于地貌演变监测、海岸工程建设和防护、航道清淤、及风暴潮灾害预测和防御等具有重要意义。本研究应用合成孔径雷达SAR数据，探讨河口海岸浅海水域水下地形及水深的SAR成像机理和反演方法。依据雷达后向散射机理，综合考虑海表波-流相互作用下整个微尺度波的变化对雷达后向散射截面的贡献，建立雷达波与海表面微尺度波相互作用的雷达后向散射模型；结合同步观测数据和数值模拟，建立描述海表流场与海表面微尺度波相互作用的波-流相互作用模型，精准反演海表流场；构建海表流场与河口海岸二维或三维浅海水域水下地形相互作用的流模式；深入分析河口海岸浅海水域水下地形的SAR影像特征，完善SAR浅海水域水下地形的成像机理，发展基于成像机理的SAR浅海水域水下地形/水深反演模型，并且定性定量分析SAR反演模型的误差源及不确定性。

海岸带水深及变化对通航安全、渔业养殖、军事以及其它近海和离岸作业安全等都具有重要的意义。而合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，SAR）是未来监测海岸带地貌演变的一种潜在工具。雷达传感器的一个重要应用就是可以观测到水下地形特征的变化。基于观测数据，利用遥感技术和数值模拟的手段研究浅海水下地形的2维雷达成像理论，并基于流场数值模型和雷达成像模型（RIM）的集成，建立长江河口水下地形雷达成像模型。项目主要成果有：.（1）建立了可以对复杂水深特征进行实时模拟和雷达成像的完全2维的长江口水下地形雷达成像模型。由模拟流场计算得到的辐聚和辐散区与SAR影像上出现的海表面不规则2维亮暗条纹的位置相吻合，通过输入风场以及相关雷达参数后，2维雷达成像模型模拟得到的SAR图像与实测ERS-2 和Sentinel-1 SAR图像也较为一致，这表明该模型具备较为可靠的实时水下地形雷达成像能力。.（2）定量剥离和分析了影响水下地形雷达成像的主要因素和条件。海表面粗糙度受整体水深值变化影响较小，受水下地形坡度变化影响较大。而顺风（或逆风）的流场条件、相对低风速和垂直于风向的雷达视向条件更适合浅海水下地形雷达成像。.（3）在水下地形雷达成像模型中考虑了破碎波的贡献。传统的二尺度模型低估了雷达后向散射信号，而引入破碎波贡献的RIM模型结果则在模拟的幅度和相位上都表现较好，尤其是在大入射角的情况下。.（4）采用理想数值模型排除了在实际情景条件下非海底地形因素的影响，模拟和分析不同网格分辨率相对于不同尺度水下沙波对海表面粗糙度的影响。结果表明，对于小尺度的水下沙波（波长小于100米），采用10米的高分辨率网格模拟得到的相对雷达后向散射系数可以达到0.43 dB以上，这说明在更适宜水下地形雷达成像条件下，高分辨率的SAR影像具备探测小尺度水下地形的能力。