热红外遥感地表温度与发射率地面验证进展

地表温度与发射率是地表—大气系统长波辐射和潜热通量交换的直接驱动力,是描述区域和全球尺度上地表能量平衡与水平衡的重要参数,其时空变化信息在气象预测、气候变化、水循环、地质勘探、农林监测和城市热环境等诸多领域具有广泛的应用。热红外遥感作为当前获取区域或全球尺度上地表温度和发射率的最有效手段之一,相较于传统的地面点位测量方法,具有空间覆盖范围大和重复观测等优势。对热红外遥感定量反演的地表温度与发射率产品进行地表真实性验证,有利于发现遥感数据自身或其反演算法的缺陷,确定产品的精度与不确定度,便于遥感产品的应用与推广。本文首先回顾了地表温度和发射率的定义,阐述了热红外遥感可反演、地面可测量的地表温度和发射率的科学内涵,并对利用热红外遥感数据反演地表温度和发射率的理论和方法作了概述;对地表温度和发射率地面验证的框架体系、验证指标进行总结,建立了基于精度、精确度、不确定度、完整性和稳定性的验证评价指标体系;总结了地表温度和地表发射率的地面验证方法、地面测量方法、辅助数据的获取方法、地表温度地面测量的采样方法,以及在验证异质非同温地表时从点到像元尺度的地表温度尺度转换方法等,分析了地面验证过程的主要误差来源;归纳了目前地表温度和地表发射率主要验证站点、观测网络及其空间分布特征;最后,本文讨论了地表温度与发射率地面验证存在的若干问题,并对地表温度与发射率验证工作的发展前景和趋势进行了相关展望。     

沙漠地区微波地表发射率年内变化规律与气候因子的关系分析

以塔克拉玛干沙漠为研究区域,利用2008年AMSR-E(advanced microwave scanning radiometer-earth observing system)二级亮温资料和全球资料同化系统(global data assimilation system,GDAS)的地表、大气参数产品,反演研究区晴空条件下的微波地表发射率,进而根据不同的土壤类型,分析了沙漠微波地表发射率频谱年内变化规律及其与气候因子的关系。结果表明:沙漠地表发射率与土壤类型密切相关,且不同土壤类型的发射率季节变化规律显著性不同;土壤含水量、地表温度与地表发射率的年内变化规律之间存在着显著相关性,地表发射率随土壤含水量、地表温度的增高而降低;地表植被覆盖度、植被含水量和地表粗糙度也是地表发射率的影响因子,其值均取决于土壤含水量,而土壤含水量受大气总水汽量和土壤类型的共同制约;以砂土为主的沙漠地表发射率更多受到沙漠深度的影响,随着沙漠深度的增加而减小。     

多频率多极化地表辐射参数化模型

发展了针对对地观测系统被动微波辐射计AMSR-E应用的裸露地表辐射模型。首先，利用1993年法国INRA地面试验数据对AIEM在宽波段高频率和大角度的辐射信号模拟能力进行评价。验证结果表明，AIEM模型模拟值与地面实测数据吻合很好，说明AIEM模型能很好模拟宽波段和大角度的辐射信号。在此基础上，用AIEM模型建立了一个针对AMSR-E传感器参数配置．包含各种地表粗糙度和介电特性的裸露地表辐射模拟数据库。利用AIEM模拟数据和地面实测数据对目前人们使用的半经验地表模型进行了比较和分析，发展了多频率多极化的地表辐射参数化模型——Qp模型。该模型中，地表粗糙度对辐射信号的影响通过粗糙度参数Qp来表示。参数Qp可简单表示为均方根高度与相关长度的比值（s／l）。从Qp模型与AIEM模型模拟的发射率比较结果来看，它们之间的绝对误差很小，不超过10^-3因而，本文发展的参数化模型可用作模拟地表辐射的前向模型，如用于估算AMSR-E传感器的亮温值，同时模型的发展有利于提高人们对辐射机制的理解和认识。     

被动微波遥感反演地表发射率研究进展

微波地表发射率是表征地表特征的重要参数,也是反演地表、大气参数的重要条件.相比较物理模型,其模拟计算需要若干输入参数,且相当一部分地表、植被特征参数很难从常规资料中获取,应用星载被动微波辐射计资料可以在更大空间和时间尺度范围内直接反演地表发射率.从目前常用的几种被动微波遥感反演方法(包括经验统计方法、辐射传输方程方法、指数分析方法、神经网络方法、一维变分方法等等)回顾了微波地表发射率反演的国内外研究进展及其研究中存在的问题,并对这些方法的优、缺点进行了评价.最后指出,今后应开发识别和订正直接影响卫星观测值的无线电频率干扰(RFI)算法,改善云、雨检测算法,并且加强微波波段大气辐射传输等过程的机理研究.     

双矩阵算法的L波段多角度玉米微波辐射参数化模型

双矩阵MD(Matrix-Doubling)算法是辐射传输方程的一种数值解,考虑了植被层内的多次散射信号,具有较高的模拟精度。但受限于算法的复杂性,很难直接应用到地表参数的反演中。本文以玉米覆盖地表为研究对象,基于MD算法的模拟数据,发展了一种L波段多角度微波辐射参数化模型。基于模拟数据的对比结果表明,参数化模型具有与理论模型相当的精度,两者之间的发射率误差不超过0.004(V极化)和0.007(H极化)。同时,结合黑河流域的地面实测数据,利用本论文中发展的参数化模型模拟了纯玉米像元的辐射亮温。该模拟结果与相同像元尺度上机载L波段微波辐射计(PLMR)观测亮温之间的差异基本在10 K以内。     

基于被动微波遥感技术的玉米冠层叶面积指数反演

基于玉米冠层结构参数实测数据和Matrix-Doubling(MD)模型构建了玉米出苗期至抽穗期的冠层多波段、双极化微波辐射特性模拟数据库;通过对模拟数据的回归分析得到了玉米冠层在各波段的微波发射率及其与透过率之间的经验关系,并将经验关系应用于0阶微波辐射传输模型;结合土壤发射率模型构建了玉米冠层覆盖地表的微波辐射亮温参数化计算模型,并基于该参数化模型、利用玉米样地微波亮温观测试验数据,采用迭代方法进行了玉米叶面积指数(LAI)的反演.研究表明,LAI反演值与实测值的相关系数r＞0.9,说明多波段被动微波遥感数据在植被冠层LAI反演方面具有较大的应用潜力.     

山区地形效应对微波辐射特征与土壤水分反演的影响—以青藏高原地区为例

采用星载微波辐射计AMSR-E的低频C波段(6.925GHz),改进了山区微波辐射传输方程,以中国青藏高原地区为例,研究山区可能产生的多种地形效应对微波辐射特征以及土壤水分反演的影响。结果表明,地形效应使得垂直极化亮温最多衰减达到16K,水平极化的亮温最大增强了18K,土壤水分在地形的影响下将被高估超过最大允许误差4%。最后,利用地形效应模拟模型计算的山区地表有效发射率,为山区土壤水分的反演提出了可行的地形校正方法。     

基于FY-3B/MWRI数据的裸土区土壤湿度反演

使用高级积分方程模型,模拟多个地表参数条件下的风云三号B星微波成像仪(FY-3B/MWRI)资料。基于模拟数据,分析地表微波辐射特性,利用粗糙地表发射率Qp模型,建立我国西部地区裸露地表土壤湿度反演模型。将该模型用于我国西部地区4个日期(2011年10月8日、10月18日、10月28日和11月8日)的土壤湿度反演,并将反演结果用实测数据进行交叉验证。结果表明:反演土壤湿度与实测土壤湿度的决策系数R2为0.604,均方根误差为0.030 5 cm3/cm3,反演模型具有较高的反演精度。     

用被动微波AMSR数据反演地表温度及发射率的方法研究

 针对对地观测卫星多传感器的特点，提出了借助MODIS地表温度产品从被动微波数据中反演地表温度的方法。即利用MODIS地表温度产品和AMSR不同通道之间的亮度温度，建立地表温度的反演方程。该方法克服了以往需要测量同步数据的困难，为不同传感器之间的参数反演相互校正和综合利用多传感器的数据提供实际应用和理论依据。文中以MODIS地表温度产品作为评价标准，对方法进行检验，其平均误差为2~3℃。另外，微波的发射率是土壤水分反演的关键参数，在对微波地表温度反演的基础上，进一步对发射率进行了研究。     

裸露地表微波热采样深度统计模型

被动微波遥感反演土壤水分对应的土壤深度是土壤水分产品真实性检验和应用中必须确定的问题。本研究利用理论模型对影响土壤热采样深度的参数进行了分析。在此基础上,通过回归分析的方法发展了一个估算被动微波遥感土壤热采样深度的统计模型,并通过微波辐射测量实验对模型进行了验证。研究证明,理论模型模拟裸露地表发射率平均误差为0.032,基于理论模型发展的热采样深度统计模型的误差在0.5 cm左右。该统计模型可以通过土壤含水量、温度、质地和观测频率4个较容易获取的参数计算土壤微波辐射的热采样深度,为被动微波遥感土壤水分产品的真实性检验工作中地面土壤水分测量以及土壤水分遥感产品的应用提供参考。     

Atmospheric correction of AMSR-E brightness temperatures for dry snow cover mapping

Differences between the brightness temperatures (spectral gradient) collected by the Advanced Microwave Scanning Radiometer for EOS (AMSR-E) at 18.7 and 36.5 GHz are used to map the snow-covered area (SCA) over a region including the western U.S. The brightness temperatures are corrected to take into account for atmospheric effects by means of a simplified radiative transfer equation whose parameters are stratified using rawinsonde data collected from a few stations. The surface emissivity is estimated from the model, and the brightness temperatures at the surface are computed as the product of the surface temperature and the computed emissivity. The SCA derived from microwave data is compared with that obtained from the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer for both cases of corrected and noncorrected brightness temperatures. The improvement to the SCA retrievals based on the corrected brightness temperatures shows an average value around 7%.     

Qualitative and quantitative analysis of snow parameters using passive microwave remote sensing

Snow cover is an important variable for climatic and hydrologic models due to its effect on surface albedo, energy, and mass balance. Satellite observations successfully provide a global and comprehensive hemispheric-scale record of the short-term, as well as inter-seasonal variations in snow cover. Passive microwave sensors provide an excellent method to monitor temporal and spatial variations in large-scale snow cover parameters, overcoming problems of cloud cover. Using microwave remote sensing data, snow parameters (snow surface temperature, snow water equivalence, scattering index, emissivity, snow depth) have been retrieved to integrate with the snow cover simulation model developed by SASE for avalanche risk assessment on regional basis. Multispectral and multitemporal brightness temperature data obtained from the Special Sensor Microwave Imager (SSM/I), flown onboard the DMSP satellites, for the period November 2000 to April 2001 and from November 2001 to February 2002 have been analysed. A comparative data set on snow measurements and meteorological observations of a region covering large area of Pir-Panjal and the Greater Himalayan range, available on near real time basis from SASE field observatories were also used. Model calculations were carried out to study the effects of atmospheric transmission on the microwave radiation emitted from the snow covered and snow free ground and atmosphere. The sensitivity of combinations of the SSM/I channels at 19, 37 and 85 GHz, in both horizontal and vertical polarizations, in respect to snow depth, surface temperature of the snowpack have been carried out. Decision rule based algorithms are developed to identify snow cover and non-snow area.     

中国城市微波发射率提取与特征分析

城市是陆表重要的覆盖类型之一,精确提取城市微波发射率、研究其辐射特征和影响因素有利于提高城市密集区被动微波遥感反演土壤水分的精度.利用2008 年AMSR-E(Advanced Microwave Scanning Radiometer for Earth Observing System)6.925 GHz 和10.65 GHz 双极化的时间序列亮温数据和其他多种辅助数据,在分析并去除无线电干扰的前提下,提取中国区域相对纯净城市像元的发射率,并分析其辐射特征的季节变化和影响因素.结果表明,根据本文方法提取得到的中国区域纯净城市像元有两个,分别位于北京和上海.城市亮温受到无线电干扰影响,一年内不同城市、波段、过境时间的卫星观测亮温受到的干扰强度不同.去除无线电干扰后,各通道的城市发射率在一年中变化不大,且卫星降轨观测时刻的发射率比升轨时刻更加稳定.降雨是影响城市发射率的重要因子,当降雨量达到一定程度后,城市发射率与降雨量呈现明显的负线性相关.     

联合热红外与微波的作物辐射方向性模型研究

热红外遥感提供地表表层辐射信息为主,被动微波遥感可更好地提供植被和土壤背景垂直结构的辐射信息。结合热红外与被动微波遥感的优势协同反演植被和土壤组分温度是提高组分温度反演精度的一种思路。本文在对热红外辐射传输模型和微波辐射模型进行比较的基础上,构建均匀作物的统一场景,将统一场景的参数分为直接参数和间接参数。基于统一场景,修改微波辐射模型的场景结构及叶倾角分布,并增加组分温度参数以计算辐射亮温,最终构建热红外与微波辐射联合模拟模型(UEasmmes模型)。针对均匀玉米作物,利用UEasmmes模型进行联合模拟,分析了组分温度、组分发射率、叶面积指数LAI及叶倾角分布LAD对热红外与微波的方向性亮温DBT的敏感性响应差异。分析结果表明:协同热红外与被动微波遥感反演植被和土壤组分温度是可行的,但对于如何克服组分发射率、LAI及LAD对植被有效发射率的影响而导致的微波辐射亮温变化以及实现热红外表皮温度与微波等效温度之间的转化仍是需要深入研究和探讨的问题。     

应用微波遥感数据的东北地区地表温度反演

针对无源微波遥感时间分辨率高可以克服云层影响获取地表温度的问题,该文应用AMSR-E微波亮度温度数据,分别选取了基于发射率估计的单通道反演法和多通道线性拟合法反演东北地区地表温度。在原有方法的基础上提出算法改进:对单通道反演法按照植被生长周期在生长季与非生长季分别建立发射率估计方程,探究各微波通道在每种地表覆被类型的反演能力并组合反演精度最高的通道,将微波极化差异指数作为表征发射率参数加入多通道拟合方程。结果显示,获取的地表温度剔除水体和冰雪无效像元后可用性达到100%,改进后的单通道反演法均方根误差由3.58~4.6降低至2.0~3.1,在75%的区域的误差小于2 K;多通道拟合法的最终均方根误差为2.6~3.5,同样有较高精度且只使用微波亮温数据就能获取地表温度。     

On the determination of surface emissivity from Satellite observations

Terrestrial brightness temperatures measured from satellites have been used to determine the surface emissivity. The results not only depend on surface temperature and on atmospheric properties, but also on the type of surface scattering. For otherwise identical conditions (same emissivity, same nonscattering atmosphere), the radiation above the Lambertian surface is larger than for a specular surface if the incidence angle is smaller than about 55/spl deg/. The opposite is true for larger angles. The effect leads to overestimates of emissivity for observations especially near nadir with the use of algorithms assuming specular reflection. The problem may be solved by the introduction of a specularity parameter to characterize realistic surfaces by a combination of specular and Lambert scattering. A simple solution lies in the use of conically scanning radiometers at a constant incidence angle near 55/spl deg/. Although the topic applies to all ranges of thermal radiation, the present discussion concentrates on the microwave spectrum in the Rayleigh-Jeans approximation.     

农田垄行结构对被动微波遥感土壤壤湿度反演的影响

根据离散方法建模垄行结构农田表面微波发射率,与地基多频率微波辐射计实测发射率比较发现：二者之间的平均绝对偏差小于0.01 ,证实了利用离散化方法建模农田表面微波发射率的可行性.在给定条件下不同观测方位角农田表面微波发射率与平坦表面的发射率差值在0.02 与0.05 之间,这说明农田结构微波辐射具有各向异性,行结构对发射率的影响在农田电磁波辐射建模过程中不可忽略.本文分析了不同土壤湿度条件下农田垄行结构可能引起的土壤湿度反演误差,结果表明,土壤湿度变化范围是0.02—0.5 cm³/cm³,垄行结构引起的土壤湿度反演误差为0—0.1 cm³/cm³, 此误差超过了土壤湿度反演的容限值,因此在进行农田参数的遥感提取过程中不可忽略周期性垄行结构对表面发射率的影响.     

AMSR微波遥感数据进行土壤湿度的计算机反演

为了有效解决大尺度区域土壤水分时、空间变化监测的问题,在总结了被动微波遥感反演土壤湿度规律的基础上,基于先进的AMSR星载被动微波遥感数据,提出了利用双谱模型计算土壤表面发射率的计算机算法。首先需要由双站散射系数计算反射率和发射率,然后应用人工神经网络反演土壤湿度,实现了在随机粗糙面状况下基于被动微波遥感的土壤表面水分反演,并在实验区进行了成功的应用。     

Evaluation of Precipitation Features in High-Frequency SSM/I Measurements Over Indian Land and Oceanic Regions

Evaluation of the Special Sensor Microwave Imager (SSM/I) precipitation features is presented from various passes over Indian oceanic and land regions under the framework of radiative transfer simulations for both emission and scattering atmospheres. There is considerable uncertainty in the interpretation of the SSM/I high-frequency scattering features for development of rainfall algorithms. Specifically large areas of very low emissivity regimes showing false rain signatures due to the presence of low brightness temperatures (TBs) that are often present in the vicinity of colder sea surface areas in the 85-GHz TB from SSM/I. In this connection, the Polarization Corrected Temperature (PCT) defined by Spencer using the 85-GHz channels, vertical (V) and horizontal (H), has been studied to delineate these surface effects. These false scattering signatures, once corrected using PCT as a suitable parameter, significantly improve the quality of the SSM/I-derived precipitation areas. These results are also confirmed with the cloud optical depth data from the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer sensor onboard the Aqua satellite and the standard merged rain product (geostationary infrared and Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM) microwave data) 3B42 from TRMM. This letter is aimed for selecting PCT as one of the suitable predictor variables for the development of operational rainfall retrieval algorithm for the Indo-French Megha-Tropiques satellite's microwave radiometer at high frequencies.