科研动态 | 大地测量与导航团队在SWOT反演海洋重力异常和海底地形方面取得进展
研究背景
海洋重力场和海底地形是海洋资源开发利用和全球高程基准统一的重要基础数据。卫星测高技术可“直接”测定海洋大地水准面，并利用大地水准面与重力异常之间的关系，获取海洋重力异常，进而反演海底地形。因此，卫星测高技术已成为反演高精度海洋重力异常和海底地形的主要手段之一。2022年12月发射的地表水和海洋地形卫星（Surface Water and Ocean Topography，SWOT）带来了卫星测高领域的革命性突破，其搭载的Ka波段宽幅干涉仪（KaRIn）首次实现跨轨方向近120 km的连续海面高观测，空间分辨率提升至~2 km，为重力异常和海底地形反演提供了全新数据支持。与传统一维沿轨观测不同，SWOT的二维同步测量（图1）可有效解决观测值分布不均的问题，为高分辨率高精度海洋重力场反演提供重要契机。本研究以菲律宾海为试验区，利用最新发布的L3级数据，系统评估了SWOT数据在海洋重力场和海底地形反演中的性能，成果可为大地测量和地球物理相关研究提供可靠数据支撑。
图1. 传统高度计和SWOT高度计观测到的海面高异常数据对比。左侧为传统高度计以沿轨一维剖面的形式观测海面高示意图；右侧为SWOT宽刈幅高度计的二维平面方式观测海面高示意图（引自CNES/CLS/AVISO）。
研究内容
本研究利用SWOT任务科学轨道阶段的前14周期（约10个月）L3级观测产品，系统评估了其在菲律宾海区域反演海洋重力异常与海底地形的能力。通过构建完整的“垂线偏差—重力异常—海底地形”反演策略，实现了对SWOT数据反演海洋重力场与地形的精度验证。基于SWOT的KaRIn宽幅干涉测高数据，采用最小二乘配置法生成格网垂线偏差，利用逆Vening-Meinesz（IVM）公式和垂线偏差数据反演海洋重力异常，随后结合重力-地质法反演海底地形。在计算垂线偏差时，探讨了不同方向及距离对反演效果的影响，分析了沿轨、垂轨和对角方向上的梯度对反演结果的影响。结果表明剔除对角方向的梯度数据能有效控制误差；东西向分量的反演精度在包含垂轨观测后有所提升，但仍低于南北向分量。
重力异常的反演结果表明，14个周期的SWOT数据反演的重力异常（GRASWOT）包含更多短波（<20 km）信号（图2d）。SWOT数据所捕捉的短波信号中可能受到涡旋、锋面和内孤立波等海洋过程的影响，但已显示出其对中小尺度信号的敏感性。与船载实测数据对比显示，单周期数据（第五周期）反演重力异常的精度为2.57 mGal。14个周期SWOT数据获取的GRASWOT模型精度达到2.37 mGal，美国SIO模型的精度为2.39 mGal，丹麦DTU模型的精度为2.32 mGal。SWOT仅10个月的数据与传统高度计30年数据的反演结果精度相当。此外，功率谱密度分析结果也证实了GRASWOT在高频部分相较其他模型具有更强的信号，尤其在复杂地形区域。SWOT L3级数据在经过各项预处理和改正后，整体反演精度优于L2级数据，体现了L3产品各项数据修正方法的可靠性和多源数据融合的优势。
如图3所示，在海底地形建模方面，基于GRASWOT数据采用重力地质法得到的BATSWOT模型与多波束测深数据之间的标准差为123.13米，较BATSIO（基于SIO V32.1重力异常模型反演的地形）提升8.36米，提升幅度达6.4%。在地形复杂区域（如马里亚纳海岭东部），BATSWOT模型的表现尤为出色，精度提升超过22%，显示出其在探测海山等中小尺度地形中的优势。
图2. （a）利用IVM方法从SWOT数据恢复的重力异常，（b）GRASWOT模型与SIO模型的差异，（c）GRASWOT模型与DTU模型的差异，以及（d）三种模型的功率谱密度。在图右侧地形复杂区域，GRASWOT与其他模型之间表现出显著差异。
图3. 海底地形模型及其精度评估结果。（a）基于GRASWOT采用重力地质法反演的海底地形模型BATSWOT，（b）基于GRASIO（SIO V32.1）采用重力地质法反演的海底地形模型BATSIO，（c）从GEBCO2023中提取的多波束测深数据，（d）BATSWOT与BATSIO的差异，（e）和（f）分别为红框内BATSWOT与BATSIO、GEBCO的差异。
研究意义
本研究使用最新发布的SWOT宽刈幅测高数据实现了完整的“垂线偏差—重力异常—海底地形”反演过程，评估了SWOT L3数据在反演海洋重力场和海底地形方面的精度水平。研究成果可为新一代高度计数据处理和应用提供参考，为深海资源探测、海洋地球物理研究等提供新的视角。
发表信息
研究成果近期在地学领域权威期刊《IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing》上发表。中山大学遥感科学与技术学院博士研究生孙明智为第一作者，大地测量与导航团队冯伟教授为通讯作者，大地测量与导航团队安德超博士生，陈晓东博士生，杨萌副教授，钟敏教授为合作者。
原文信息：Sun M.（孙明智）, Feng W.*（冯伟*）, An D.（安德超）, Chen X.（陈晓东）,Yang M.（杨萌） and Zhong M.（钟敏）, Preliminary Results of Marine Gravity Anomaly and Bathymetry from SWOT Wide-Swath Altimeter Data, IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing, doi:10.1109/JSTARS.2025.3588419.
原文链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/11078148