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1,毛克彪, 基于热红外和微波数据的地表温度和土壤水分反演算法研究,中国农业科学技术出版社, 2007.12(专著).
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第一章 绪论
地表能量交换信息的获取是监测区域资源环境变化的一个重要环节。地表温度和土壤水分是地表能量平衡的决定因素之一。由于土壤水分含量对土壤发射率的变化影响很大,而且土壤水分的蒸发对能量交换影响很大,因此土壤水分含量变化是影响地表温度变化和地表能量交换的一个最主要的因素之一。获取区域地表温度和土壤水分时空差异,并进而分析其对区域资源环境变化的影响,是区域资源环境动态监测的重要内容。传统的做法是通过地面有限观测点的观测数据来分析区域地表温度和土壤水分的时空差异。这种地面观测方法不仅艰难而且非常昂贵。近20年来,遥感技术的飞速发展为快速地获取区域地表温度和土壤水分的时空差异信息提供了新的途径。地表温度和土壤水分在区域资源环境研究中的重要性已经使热红外和被动微波遥感成为遥感研究的一个重要领域,目前已经开发了很多针对热红外数据的实用地表温度遥感反演方法,如热辐射传输方程法、劈窗算法、单窗算法和多通道算法。但热红外遥感受大气和云的影响特别严重,因此在有云的情况,被动微波在地表温度反演中具有独特的优势。由于地球表面的复杂性,使得陆地表面温度的反演精度受到限制,特别是在土壤水分含量变化比较大的地区。因此,为了更准确地分析区域热量空间差异,很有必要考虑地表温度的过程中考虑土壤水分含量变化。经过大量的研究证明微波在监测土壤水分含量的变化过程中具有非常大的优势,而被动微波遥感是大尺度土壤水分含量变化监测的一个非常理想的工具。光学遥感和微波利用各自的优势联合反演地表参数是遥感中一个重要的研究主题。
随着现代遥感技术的发展,获取的遥感数据越来越多。高分辨率的热红外遥感数据如Landsat TM等,其周期长且价格昂贵,只适合对小范围的精确研究。1999年搭载ASTER(Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer)遥感器的对地观测卫星(TERRA)发射成功,为全球和区域资源环境动态监测开辟了又一新的途径。ASTER由日本通产省 (METI) 提供,主要用于解决土地利用与覆盖、自然灾害、短期天气变动、水文等几个方面的问题。轨高
中分辨率的遥感数据如MODIS、NOVAA/AVHRR,其中NOVAA/AVHRR主要是应用于气象。MODIS是为全球资源、环境、气候变化等综合服务。MODIS传感器可以同时接收来自大气、海洋、陆地表面的信息。每1~2天获得一次全球观测数据,比较适合于中大区域尺度的动态监测。MODIS是一个拥有36个波段的具有中等地面分辨率的地球观测卫星,其1-2波段的星下像元为
热红外地表温度反演算法受天气的影响非常大,在实际应用中精度有时难以得到保证。而且,热红外遥感受云的影响很大,从NASA提供的温度产品分析可知大部分的温度产品,60%以上的地区受到云的影响,这对实际应用产生了很大的局限性。由于被动微波能穿透云层,并且受大气的影响非常的小,可以克服热红外遥感的缺点。因此,研究如何利用被动微波数据来反演地表温度就显得非常的迫切。
AMSR是改进型多频率、双极化的被动微波辐射计。2001年AMSR搭载在日本的对地观测卫星ADEOS-II上升空 。AMSR-E微波辐射计是在AMSR传感器的基础上改进设计的,它搭载在NASA对地观测卫星Aqua于2002年发射升空。AMSR和AMSR-E这两个传感器的仪器参数基本一致。最大区别在于AMSR是在上午10:30左右穿过赤道,而AMSR-E则是在下午1:30左右。这两个传感器的传输基本相同,因此本节主要介绍AMSR-E。AMSR-E辐射计在6.9-89GHz范围内的6个频率,以双极化方式12个通道的微波辐射计。AMSR-E通过测量来自地球表面的微波辐射来研究全球范围的水循环变化。在水文应用研究中,为了取得两个降雨事件前后的土壤水分含量变化,频繁地获得研究区的数据是非常重要的。卫星的时间分辨率主要取决于刈宽度、卫星高度和倾角。对于AMSR-E而言,除了极地地区外,在不到两天的时间内,在升轨和降轨都可以将全球覆盖一次。
目前针对AMSR-E被动微波遥感数据的地表温度和土壤湿度反演算法的研究还很少,其主要原因是对于微波的地表辐射机理研究还不是很成熟,而且由于空间分辨率的影响,使得地面实测资料的获得非常困难, 因此研究如何综合利用对地观测卫星多传感器的优势是今后的一个重要研究方向。Aqua对地观测卫星同时拥有MODIS和AMSR-E传感器。相对而言,用MODIS的热红外波段反演地表温度的算法已经比较成熟。我们可以通过MODIS的地表温度产品来代替AMSR-E所需要的地表数据,通过建立AMSR-E各通道亮温和MODIS地表温度产品的关系,从而可以分析不同地表地物类型在微波波段的辐射机制,最后建立微波地表温度的反演算法。从而克服需要测试AMSR-E过境的同步地表温度数据的困难。并为多传感的参数反演相互校正和传感器的综合利用提供理论依据。在用被动微波数据反演得到地表温度的同时,我们可以通过利用微波波段的发射率和土壤水分的关系,进一步反演土壤水分和雪水当量等其它参数。
从第一台热红外仪器算起,已经有50多年的历史[1][2]。这里介绍几个主要的热红外传感器。Landsat是美国的陆地卫星。NASA的陆地卫星(Landsat)计划(1975年前称“地球资源技术卫星——ERTS”),从