一种积雪厚度测量方法、装置、电子设备及存储介质

本技术涉及积雪厚度测量，尤其涉及一种积雪厚度测量方法、装置、电子设备及存储介质。

背景技术：

1、全球导航卫星干涉反射测量法(global navigation satellite system-interferometric reflectometry，gnss-ir)技术是利用直射gnss信号以及反射gnss信号间干涉产生的新信号的频率、振幅、相位等信息，反演反射面的多种参数。近十年来，gnss-ir作为一种利用现有大地测量gnss台站估算雪深的方法，已经被广泛引入。目前常用的方法是通过对积雪覆盖前后的信号的信噪比进行lomb-scargle谱分析，得到有雪和无雪条件下天线相位中心到地面的距离，两次的距离差相减即为雪的厚度。

2、lomb-scargle谱分析是一种处理非均匀时间序列数据的功率谱估计方法，其是对数据进行正弦和余弦的拟合，计算数据在不同频率下的功率谱密度。由于gnss信号的反射受到卫星轨道和地形变化的影响，接受信号时间序列通常是非均匀采样的，所以lomb-scargle谱分析可以处理非均匀采样数据。通过提取反射信号的周期性成分，即功率谱密度的峰值频率，其可以直接反映反射面到天线相位中心的高度值。

3、通过结合lomb-scargle谱分析和不同gnss信号处理非均匀采样的snr数据，从而精确计算反射面的高度变化，这种方法显著提升测高精度，适用于积雪厚度的测量。利用这种技术可以分析雪覆盖前后的信噪比数据，计算在有雪和无雪条件下天线相位中心到地面的距离，从而准确反演积雪厚度。这种方法不仅在大地测量和气象研究具有一定价值，同时在环境监测和灾害预警也具有广阔的应用场景。然而，大部分研究都聚焦于单一天线得到的信噪比用于测量高度，通过分析其前后测量高度差可以实现积雪厚度测量，但由于天线摆放位置以及朝向的局限性，这种单天线方法只能捕获单一方向的卫星信号，导致其覆盖范围有限。同时，单一天线获取的测高数据无法比对，其精度以及稳定性易受单一天线测量摆放位置影响。

技术实现思路

1、本技术实施例提供一种积雪厚度测量方法、装置、电子设备及存储介质，以解决单一天线获取的测高数据无法比对，其精度以及稳定性易受单一天线测量摆放位置影响的问题。

2、为了解决上述技术问题，本技术实施例是这样实现的：

3、第一方面，本技术实施例提供了一种积雪厚度测量方法，所述方法包括：

4、获取第一gnss天线接收的第一gnss卫星输出的gnss信号经过陆地表面覆盖的积雪表面反射产生的第一信号参数，及第二gnss天线接收的第二gnss卫星输出的gnss信号经过陆地表面覆盖的积雪表面反射产生的第二信号参数；

5、根据所述第一信号参数确定所述第一gnss天线的第一峰值频率和第一峰值功率谱密度，并根据所述第二信号参数确定所述第二gnss天线的第二峰值频率和第二峰值功率谱密度；

6、根据所述第一峰值频率计算得到所述第一gnss天线的天线相位中心与所述陆地表面覆盖的积雪表面之间的第一高度，并根据所述第二峰值频率计算得到所述第二gnss天线的天线相位中心与所述陆地表面覆盖的积雪表面之间的第二高度；

7、基于所述第一峰值功率谱密度和所述第二峰值功率谱密度分别对所述第一高度和所述第二高度进行加权处理，得到参考天线相位中心与所述陆地表面覆盖的积雪表面之间的第一基准高度；

8、基于所述第一基准高度和预先测量的陆地表面未覆盖积雪时的第二基准高度，确定所述陆地表面覆盖的积雪的积雪厚度。

9、可选地，所述根据所述第一信号参数确定所述第一gnss天线的第一峰值频率和第一峰值功率谱密度，包括：

10、获取所述第一信号参数中的第一观测信噪比参数；

11、去除所述第一观测信噪比参数中的直射信号的信噪比参数，得到干涉信噪比参数；

12、基于预设频谱分析算法对所述干涉信噪比参数进行分析，得到所述第一gnss天线对应的第一峰值频率和所述第一峰值功率谱密度。

13、可选地，所述基于预设频谱分析算法对所述干涉信噪比参数进行分析，得到所述第一gnss天线对应的第一峰值频率和所述第一峰值功率谱密度，包括：

14、基于所述预设频谱分析算法对所述干涉信噪比参数进行频谱分析，得到频谱分析结果；

15、根据所述频谱分析结果，生成功率谱密度图；

16、识别所述功率谱密度图中峰值频率点；

17、将所述峰值频率点对应的频率作为所述第一峰值频率，并将所述峰值频率点对应的功率值作为所述第一峰值功率谱密度。

18、可选地，所述根据所述第一峰值频率计算得到所述第一gnss天线的天线相位中心与所述陆地表面覆盖的积雪表面之间的第一高度，包括：

19、获取所述第一gnss信号的信号波长；

20、基于所述信号波长和所述第一峰值频率，计算得到所述第一高度。

21、可选地，所述基于所述信号波长和所述第一峰值频率，计算得到所述第一高度，包括：

22、基于下述公式(1)计算得到所述第一高度：

23、

24、上述公式(1)中，f为第一峰值频率，λ为第一gnss信号的信号波长，hr为第一高度。

25、可选地，所述基于所述第一峰值功率谱密度和所述第二峰值功率谱密度分别对所述第一高度和所述第二高度进行加权处理，得到参考天线相位中心与所述陆地表面覆盖的积雪表面之间的第一基准高度，包括：

26、计算得到所述第一高度与天线距离差之间的差值，得到第三高度，所述天线距离差为所述第一gnss天线与所述第二gnss天线的高度差，且所述第一gnss天线的垂直高度大于所述第二gnss天线的垂直高度；

27、基于所述第一峰值功率谱密度和所述第二峰值功率谱密度分别对所述第三高度和所述第二高度进行加权处理，得到所述参考天线相位中心与所述陆地表面覆盖的积雪表面之间的第一基准高度，其中，所述参考天线相位中心为所述第二gnss天线的天线相位中心。

28、可选地，所述基于所述第一峰值功率谱密度和所述第二峰值功率谱密度分别对所述第三高度和所述第二高度进行加权处理，得到所述参考天线相位中心与所述陆地表面覆盖的积雪表面之间的第一基准高度，包括：

29、基于下述公式(2)计算得到所述第一基准高度：

30、

31、上述公式(2)中，h为第一基准高度，hi,1为第三高度，hi,2为第二高度，pi,1为第一峰值功率谱密度，pi,2为第一峰值功率谱密度，i表示第i个峰值频率，n为峰值频率的数量。

32、可选地，所述基于所述第一基准高度和预先测量的陆地表面未覆盖积雪时的第二基准高度，确定所述陆地表面覆盖的积雪的积雪厚度，包括：

33、计算得到所述第二基准高度与所述第一基准高度之间的差值，得到所述陆地表面覆盖的积雪的积雪厚度。

34、第二方面，本技术实施例提供了一种积雪厚度测量装置，所述装置包括：

35、参数获取模块，用于获取第一gnss天线接收的第一gnss卫星输出的gnss信号经过陆地表面覆盖的积雪表面反射产生的第一信号参数，及第二gnss天线接收的第二gnss卫星输出的gnss信号经过陆地表面覆盖的积雪表面反射产生的第二信号参数；

36、功率确定模块，用于根据所述第一信号参数确定所述第一gnss天线的第一峰值频率和第一峰值功率谱密度，并根据所述第二信号参数确定所述第二gnss天线的第二峰值频率和第二峰值功率谱密度；

37、高度计算模块，用于根据所述第一峰值频率计算得到所述第一gnss天线的天线相位中心与所述陆地表面覆盖的积雪表面之间的第一高度，并根据所述第二峰值频率计算得到所述第二gnss天线的天线相位中心与所述陆地表面覆盖的积雪表面之间的第二高度；

38、基准高度获取模块，用于基于所述第一峰值功率谱密度和所述第二峰值功率谱密度分别对所述第一高度和所述第二高度进行加权处理，得到参考天线相位中心与所述陆地表面覆盖的积雪表面之间的第一基准高度；

39、积雪厚度确定模块，用于基于所述第一基准高度和预先测量的陆地表面未覆盖积雪时的第二基准高度，确定所述陆地表面覆盖的积雪的积雪厚度。

40、可选地，所述功率确定模块包括：

41、信噪比参数获取单元，用于获取所述第一信号参数中的第一观测信噪比参数；

42、干涉参数获取单元，用于去除所述第一观测信噪比参数中的直射信号的信噪比参数，得到干涉信噪比参数；

43、峰值功率获取单元，用于基于预设频谱分析算法对所述干涉信噪比参数进行分析，得到所述第一gnss天线对应的第一峰值频率和所述第一峰值功率谱密度。

44、可选地，所述峰值功率获取单元包括：

45、频谱分析结果获取子单元，用于基于所述预设频谱分析算法对所述干涉信噪比参数进行频谱分析，得到频谱分析结果；

46、功率谱密度图生成子单元，用于根据所述频谱分析结果，生成功率谱密度图；

47、峰值频率点识别子单元，用于识别所述功率谱密度图中峰值频率点；

48、峰值功率获取子单元，用于将所述峰值频率点对应的频率作为所述第一峰值频率，并将所述峰值频率点对应的功率值作为所述第一峰值功率谱密度。

49、可选地，所述高度计算模块包括：

50、波长获取单元，用于获取所述第一gnss信号的信号波长；

51、高度计算单元，用于基于所述信号波长和所述第一峰值频率，计算得到所述第一高度。

52、可选地，所述高度计算单元包括：

53、基于下述公式(1)计算得到所述第一高度：

54、

55、上述公式(1)中，f为第一峰值频率，λ为第一gnss信号的信号波长，hr为第一高度。

56、可选地，所述基准高度获取模块包括：

57、高度差计算单元，用于计算得到所述第一高度与天线距离差之间的差值，得到第三高度，所述天线距离差为所述第一gnss天线与所述第二gnss天线的高度差，且所述第一gnss天线的垂直高度大于所述第二gnss天线的垂直高度；

58、基准高度获取单元，用于基于所述第一峰值功率谱密度和所述第二峰值功率谱密度分别对所述第三高度和所述第二高度进行加权处理，得到所述参考天线相位中心与所述陆地表面覆盖的积雪表面之间的第一基准高度，其中，所述参考天线相位中心为所述第二gnss天线的天线相位中心。

59、可选地，所述基准高度获取单元包括：

60、基于下述公式(2)计算得到所述第一基准高度：

61、

62、上述公式(2)中，h为第一基准高度，hi,1为第三高度，hi,2为第二高度，pi,1为第一峰值功率谱密度，pi,2为第一峰值功率谱密度，i表示第i个峰值频率，n为峰值频率的数量。

63、可选地，所述积雪厚度确定模块包括：

64、积雪厚度计算单元，用于计算得到所述第二基准高度与所述第一基准高度之间的差值，得到所述陆地表面覆盖的积雪的积雪厚度。

65、第三方面，本技术实施例提供了一种电子设备，包括：

66、存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现上述任一项所述的积雪厚度测量方法。

67、第四方面，本技术实施例提供了一种可读存储介质，当所述存储介质中的指令由电子设备的处理器执行时，使得电子设备能够执行上述任一项所述的积雪厚度测量方法。

68、在本技术实施例中，通过获取第一gnss天线接收的第一gnss卫星输出的gnss信号经过陆地表面覆盖的积雪表面反射产生的第一信号参数，及第二gnss天线接收的第二gnss卫星输出的gnss信号经过陆地表面覆盖的积雪表面反射产生的第二信号参数。根据第一信号参数确定第一gnss天线的第一峰值频率和第一峰值功率谱密度，并根据第二信号参数确定第二gnss天线的第二峰值频率和第二峰值功率谱密度。根据第一峰值频率计算得到第一gnss天线的天线相位中心与陆地表面覆盖的积雪表面之间的第一高度，并根据第二峰值频率计算得到第二gnss天线的天线相位中心与陆地表面覆盖的积雪表面之间的第二高度。基于第一峰值功率谱密度和第二峰值功率谱密度分别对第一高度和第二高度进行加权处理，得到参考天线相位中心与陆地表面覆盖的积雪表面之间的第一基准高度。基于第一基准高度和预先测量的陆地表面未覆盖积雪时的第二基准高度，确定陆地表面覆盖的积雪的积雪厚度。本技术实施例通过采用双天线进行高度测量，并采用经过频谱分析后的峰值功率谱密度对高度测量结果进行加权处理，从而可以在提升信号接收范围的同时，提升积雪厚度测量的精度和稳定性。

69、上述说明仅是本技术技术方案的概述，为了能够更清楚了解本技术的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本技术的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本技术的具体实施方式。

技术特征：

1.一种积雪厚度测量方法，其特征在于，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述第一信号参数确定所述第一gnss天线的第一峰值频率和第一峰值功率谱密度，包括：

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述基于预设频谱分析算法对所述干涉信噪比参数进行分析，得到所述第一gnss天线对应的第一峰值频率和所述第一峰值功率谱密度，包括：

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述第一峰值频率计算得到所述第一gnss天线的天线相位中心与所述陆地表面覆盖的积雪表面之间的第一高度，包括：

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述基于所述信号波长和所述第一峰值频率，计算得到所述第一高度，包括：

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述第一峰值功率谱密度和所述第二峰值功率谱密度分别对所述第一高度和所述第二高度进行加权处理，得到参考天线相位中心与所述陆地表面覆盖的积雪表面之间的第一基准高度，包括：

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述基于所述第一峰值功率谱密度和所述第二峰值功率谱密度分别对所述第三高度和所述第二高度进行加权处理，得到所述参考天线相位中心与所述陆地表面覆盖的积雪表面之间的第一基准高度，包括：

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述第一基准高度和预先测量的陆地表面未覆盖积雪时的第二基准高度，确定所述陆地表面覆盖的积雪的积雪厚度，包括：

9.一种积雪厚度测量装置，其特征在于，所述装置包括：

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述功率确定模块包括：

11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述峰值功率获取单元包括：

12.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述高度计算模块包括：

13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述高度计算单元包括：

14.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述基准高度获取模块包括：

15.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，所述基准高度获取单元包括：

16.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述积雪厚度确定模块包括：

17.一种电子设备，其特征在于，包括：

18.一种可读存储介质，其特征在于，当所述存储介质中的指令由电子设备的处理器执行时，使得电子设备能够执行权利要求1至8中任一项所述的积雪厚度测量方法。

技术总结
本申请提供了一种积雪厚度测量方法、装置、电子设备及存储介质。包括：获取第一GNSS天线的第一信号参数，及第二GNSS天线的第二信号参数；根据第一信号参数确定第一GNSS天线的第一峰值频率和第一峰值功率谱密度，根据第二信号参数确定第二GNSS天线的第二峰值频率和第二峰值功率谱密度；根据第一峰值频率计算得到第一GNSS天线与积雪表面之间的第一高度，根据第二峰值频率计算得到第二GNSS天线与积雪表面之间的第二高度；基于第一峰值功率谱密度和第二峰值功率谱密度分别对第一高度和第二高度进行加权处理，得到第一基准高度；基于第一基准高度和陆地表面未覆盖积雪时的第二基准高度，确定陆地表面覆盖的积雪的积雪厚度。

技术研发人员：徐子寅,王先毅,刘成,孙越强,杜起飞,白伟华,王卓焱,乔颢,夏俊明,李伟,黄飞雄,尹聪,曹光伟,蔡跃荣,王冬伟,李福,刘黎军,田羽森,仇通胜,孟祥广,柳聪亮,胡鹏,谭广远,程双双,张浩,张璐璐
受保护的技术使用者：中国科学院国家空间科学中心
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5