Αξιολόγηση των δεδομένων LRM-SAR της αποστολής Cryosat-2 στον προσδιορισμό της στάθμης θάλασσας σε παράκτιες περιοχές
Creators: name: Άιντ, Φίλιππος Γιούσεφ
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2018
Subjects: Προσδιορισμός στάθμης θάλασσας
Δορυφορική αλτιμετρία
Παλιρροιογράφος
Sea level determination
Satellite altimetry
Tide gauge

description: Η μελέτη και παρακολούθηση των μεταβολών του θαλάσσιου περιβάλλοντος αποτέλεσε αντικείμενο επιστημονικής μελέτης από τα αρχαία χρόνια. Στις μέρες μας, οι μεταβολές αυτές συνδέονται άμεσα με τις επιπτώσεις της κλιματικής αλλαγής και τις συνέπειες στο φυσικό και ανθρωπογενές περιβάλλον. Η δορυφορική αλτιμετρία αποτελεί μια τεχνολογία παρατήρησης των ιδιοτήτων του θαλάσσιου περιβάλλοντος και πιο συγκεκριμένα των μεταβολών της στάθμης της θάλασσας, καθώς και των διακυμάνσεων της μάζας των πάγων, του ύψους των κυμάτων κ.α. Η σύγχρονη τεχνική μέτρησης SAR παράγει δεδομένα υψηλής χωρικής ανάλυσης κατά μήκος της δορυφορικής τροχιάς, δίνοντας τη δυνατότητα λήψης πληροφορίας σε παράκτιες περιοχές που μέχρι πρότινος ήταν ανεπαρκής. Κύριος στόχος της παρούσας μεταπτυχιακής εργασίας είναι η αξιολόγηση των δεδομένων LRM-SAR της αποστολής Cryosat-2 στον προσδιορισμό της στάθμης θάλασσας σε παράκτιες περιοχές. Η αξιολόγηση αυτή πραγματοποιείται με χρήση παλιρροιογράφων, σε διάφορες περιοχές της Γης, συγκρίνοντας τα δεδομένα τους με αυτά που προκύπτουν μέσω της δορυφορικής αλτιμετρίας. Το πρώτο κεφάλαιο περιλαμβάνει το αντικείμενο της διατριβής, τους στόχους και τη διάρθρωση της. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζεται το βασικό θεωρητικό υπόβαθρο της δορυφορικής αλτιμετρίας. Ειδικότερα περιγράφεται η βασική αρχή της μεθόδου αυτής, τα χαρακτηριστικά της και τα σφάλματα των αλτιμετρικών δεδομένων. Στη συνεχεία παρουσιάζονται προγενέστερες, σύγχρονες και μελλοντικές αλτιμετρικές δορυφορικές αποστολές. Η δορυφορική αλτιμετρική αποστολή Cryosat-2 περιγράφεται εκτενέστερα, οι στόχοι της αποστολής, τα τεχνικά χαρακτηριστικά της, οι μετρητικές διατάξεις του σκάφους και οι τεχνικές μέτρησης του αλτιμέτρου. Στη συνέχεια παρουσιάζεται το θεωρητικό υπόβαθρο της μεθόδου «Ανάλυση Κύριων Συνιστωσών» η οποία χρησιμοποιείται σε επόμενο κεφάλαιο για την αξιολόγηση των αποτελεσμάτων. Στο τρίτο κεφάλαιο περιγράφεται η περιοχή μελέτης. Συνολικά χρησιμοποιήθηκαν 15 παλιρροιογράφοι κατανεμημένοι σε ολόκληρη τη Γη, οι θέσεις των οποίων επιλέχθηκαν σε σημεία με διαφορετικά γεωγραφικά χαρακτηριστικά. Στη συνέχεια γίνεται αναφορά στα δεδομένα της δορυφορικής αποστολής Cryosat-2 και πιο συγκεκριμένα στην υπηρεσία διάθεσης και στη μορφή τους. Τα δεδομένα λήφθηκαν μέσω της υπηρεσίας Radar Altimeter Dataset System (RADS). Παρακάτω περιγράφεται η διαδικασία προεπεξεργασίας των δεδομένων αυτών. Στη συνέχεια γίνεται αναφορά στα δεδομένα παλιρροιογράφων, τα οποία λήφθηκαν μέσω της υπηρεσίας Permanent Service for Mean Sea Level (PSMSL), στη μορφή και στο στάδιο προεπεξεργασίας τους. Το τέταρτο κεφάλαιο περιλαμβάνει τα διαδοχικά στάδια επεξεργασίας των δεδομένων. Αρχικά γίνεται διερεύνηση της καταλληλότερης μεθόδου παρεμβολής. Οι μέθοδοι που εξετάζονται είναι η γραμμική, η τεχνική πλησιέστερων σημείων, η φυσική, η κυβική και η παρεμβολή με χρήση συναρτήσεων spline. Στη συνέχεια αναφέρονται τα αρχικά σύνολα δεδομένων που χρησιμοποιήθηκαν και εξετάζονται τα στατιστικά τους στοιχεία. Στα αποτελέσματα των παρεμβολών, αφού εφαρμοστούν οι απαραίτητες διορθώσεις, πραγματοποιείται αξιολόγηση και σύγκριση με τα αντίστοιχα δεδομένα των παλιρροιογράφων. Αποτέλεσμα της διαδικασίας αυτής είναι ο υπολογισμός των διαφορών στάθμης μεταξύ της δορυφορικής αλτιμετρίας και κάθε σταθμού αντίστοιχα. Επιπρόσθετα γίνεται πρόγνωση των μεταβολών της στάθμης θάλασσας με χρήση μοντέλων γραμμικής παλινδρόμησης. Συγκεκριμένα γίνεται χρήση της απλής γραμμικής παλινδρόμησης και της πολυωνυμικής παλινδρόμησης δευτέρου βαθμού. Το τελευταίο στάδιο επεξεργασίας των δεδομένων αποτελεί η ανάλυση κύριων συνιστωσών και αξιολογείται η συνεισφορά της μεθόδου στην πρόβλεψη κλιματικών δεικτών. Στο πέμπτο κεφάλαιο συνοψίζονται τα συμπεράσματα που προκύπτουν από την παρούσα μεταπτυχιακή εργασία και παρουσιάζονται προτάσεις για μελλοντική ερεύνα.
description: Research and monitoring of changes in the marine environment has been a subject of scientific study since ancient times. Nowadays, these changes are directly linked to the effects of climate change and its consequences on the natural and man-made environment. Satellite altimetry is a technology used for observing the properties of the marine environment and in particular, the changes in sea level, as well as variations in ice mass, wave height and wind velocity. SAR altimetry mode produces high spatial resolution along-track data, enabling information to be obtained in coastal areas that until recently had been inadequate. The main purpose of this postgraduate thesis is to evaluate the contribution of Cryosat-2 LRM-SAR data in the determination of sea level in coastal areas. This evaluation is performed using tide gauges in different regions of the Earth, comparing their data with those obtained through satellite altimetry. The structure of this thesis is based on an analysis of the fundamental principles of altimetry, the techniques used, the process of selecting data and the detailed processing, presentation and evaluation of the results. Chapter one of this thesis poses the problem statement and the objectives of this study. Chapter two presents the fundamentals of satellite altimetry. In particular, it describes the basic principle of this method, its features and the errors of altimetry data. Thereafter, past, current and future satellite altimetry missions are presented. At the same time, the Cryosat-2 mission, its technical characteristics, the instrument payload and the altimeter measurement techniques are presented. The theoretical background of the "Principal Component Analysis" method is also presented, which is used to evaluate the results. Chapter three provides a description of the study area. Fifteen tide gauges were used, which were distributed throughout the Earth and their locations were selected at areas of diverse geographic characteristics. Furthermore, the Cryosat-2 data collection service and pre-processing stage are presented. The service used to obtain Cryosat-2 data is the Radar Altimeter Dataset System (RADS) and the tide gauge data, were obtained through the Permanent Service for Mean Sea Level (PSMSL). Chapter four focuses on the data processing stages. Initially, the most appropriate interpolation method is investigated. The interpolation methods examined are the following: linear, nearest, natural, cubic and the Biharmonic Spline Interpolation (v4). In the next step, the primary datasets and their statistical data are reported. After the data corrections are applied, the interpolation results are evaluated and compared with the corresponding tide gauge data. This process leads to the estimation of sea level difference between satellite altimetry and each tide gauge. Additionally, sea level changes are predicted using linear regression models. The models used are simple linear regression and second degree polynomial regression. The final stage of data processing is the "Principal Component analysis" leading to the evaluation of the contribution of this method to the prediction of climatic indicators. In chapter five, concluding remarks on the findings of this thesis are drawn and recommendations for future work in the field are proposed.