【课堂笔记】冰川监测变化新技术二则
1. GNSS-R：卫星导航反射信号
a. 算法：两种基本方式
i. 天线向下，用LHCP天线（左旋圆极化天线），需要较高高度角的卫星信号，用归一化处理。自制软件接收机和硬件接收机
ii. 天线向上，用RHCP天线（测地型天线，右旋圆极化天线），需要较低高度角的卫星信号，用干涉法处理。主要由科罗拉多大学的Larson用SNR，北海道大学的Ozeki用L4
iii. 极化：卫星是发射右旋圆极化信号，经过地面反射后往往变成左旋圆极化（往往→需要较高的高度角才会变；低高度角，往往不变）
1) 发展方向→天线向下模式（未来接收机要放在地轨卫星，航载等等有关）
b. GNSS-R接收机
i. CNSS-R接收机不同于定位接收机和掩星接收机。点播经过海面散射或反射后，由于多路径传播，其合同幅度和相位随时间发生激烈变化。通常，锁相环接收机容易发生相位失锁和跟踪丢失。因此，GNSS-R接收机采用开环接收机，将多颗GPS卫星信号经过下变频得到中频，然后进行采样。
ii. 最初的接收机是DMR，只提供相关功率波形的延进数据，后来发展为DDMR接收机（delay/doppler-mapping receiver）。
iii. 软件接收机/硬件接收机
c. GNSS信号反射类型
i. 光滑表面：反射属于镜面反射，主要针对地面，接收的反射信号能量主要来自主要针对地面，接收的反射信号能量主要来自主反射区
ii. 粗糙表面：属于漫反射，主要针对海面，接收的反射信号来自于远大于地面反射的闪烁区。
d. 优势与特点
i. 无需单独的发射机，可直接接收导航卫星信号，成本低，功耗小
ii. 信号源丰富，可用四系统上百颗卫星，时空分辨率高
iii. 极区：测高卫星vs即便只用GPS的覆盖→覆盖密
e. 空基GNSS-R（接收机在天上）
i. 计划：CYGNSS计划、TechDemoSat-1计划，G-TERN计划
1) CYGNSS：收集热带气旋观测数据
2) TechDemoSat-1：海洋粗糙度
3) G-TERN（未升空）：考虑到了冰冻圈
4) 国内：中国科学院国家空间科学中心，将搭载于中国的空间站
ii. 优势：比如海上，也能够有覆盖。而对于海面风场的研究，这种海上的覆盖比以往技术的海上覆盖会有所提升。
iii. 问题：这些计划设计的时候，往往不包括极区
f. 应用
i. 反演海面风场的原理：海面粗糙度→风场（是一种方言）
ii. 反演土壤湿度：农业生产，智慧农业
iii. 反演海冰：在岸边架设接收机→有海冰可以看海冰，没有海冰可以看潮位
iv. 反演雪厚：
1) 传统方法：超声雪深探测器
2) 原理：本质上是反演积雪高度的变化，但是基本上没有穿透（除了刚下新雪时）
a) 干雪区域：穿透深度可以达到雪面之下80~90m？
3) 问题：单颗卫星结果不可靠，要多颗卫星同时约束才比较可靠
4) （黄河站雪厚反演：站条件不是很好：其一在于不在基岩上，其二在于周围有个小山遮挡）
5) 总之：能不能做反演雪厚，需要可行性论证，也需要检核
6) 一些过程要点：
a) 剔除直达分量，得到反射分量
b) 频谱分析（反射信号，可能存在主频信号不明显的问题）
c) 不同观测值的组合，多星数据联合（卫星数量，卫星高度角…）
7) 气象站（Field Measurement）：一天给一个值；卫星：一天可以给一堆值
g. 问题：需要接收机能够接收到反射信号（一些吉首站的设计就是不想接收到反射信号，这种能不能做出来要尝试）
2. 三维激光扫描（摄影测量？）
a. 应用场景：地面、车载、机载、SLAM、船载
b. 传统方式：
i. RTK：虽然快，但人也要到。作业效率也不是很高。冰川跃动也会使得RTK运动速度观测几乎不可能。
ii. …
c. 设备：RIEGL USA
i. 量程：6 km
ii. 价格：百万级
iii. 限制：不能有雾有云，不然效果会很差
d. 点云数据处理流程
i. 多站点点云数据配准
ii. 多占点点云数据融合及抽稀（调整点云空间分布，足够即可）
iii. 数据滤波
iv. 数据裁剪和冰川区栅格DEM创建
e. 优势：非接触、高精度、高分辨率，自动化程度高、复杂环境测量、超长测量距离
i. 作用：获取冰面DEM→冰川面积平均退缩率→可用于研究冰面退缩，质量平衡…
ii. 最好的测量位置：山顶。但是作业环境恶劣
iii. 其次：山脚，但是可能会有一些被遮挡的空洞区
f. 问题：所获得的高程变化包括了冰和新雪（因为穿透不了积雪），在研究冰面高程变化时会有问题
i. 传统方法：花杆+测绘
3. 冰川物质平衡：冰川监测中的最重要的指标
a. 冰川学法（传统方法）：花杆-雪坑法
i. 花杆看高程变化，雪坑看雪的密度
b. 三维激光扫描得到的本质上终究是测绘的结果。还是需要密度信息的辅助才能得到物质平衡
i. 大地测量学法：核心在计算冰量-物质转换密度参数
4. 跃动冰川：如果下游有居民区，则这种冰川对居民生产生活影响很大，需要进行监测
a. 三维激光扫描可以用于监测跃动冰川速度（人上去比较困难/危险）
5. 各种测绘技术在冰川观测的优劣对比（见PPT）
中国：“非常小的冰川”（面积小于0.5平方千米）的冰川占70%，用卫星不太看得到→三维激光扫描很好
