AMSR-E微波雷达数据处理及其应用

1、AMSR-E微波雷达数据处理及其应用0引言地表温度是反映地球能量平衡的重要参数之一，也是许多生态环 境模型的重要输入参数之一，因此，及时准确地获得地表温度对于研 究全球气候改变，生态环境变化等工作都有着十分重要的意义。传统 的依靠气象站地面测量获取地表温度的方法，虽然精度较高，但所测 得数据仅为单点温度，在实际的应用中，往往代表性较差。尤其对于 全球气候、环境变化等大尺度范围内的研究工作而言，传统方法得到 的温度可用性差，无法反映大范围内温度分布的真实情况，因而很难 满足研究工作的要求。卫星遥感技术具备大范围、多时相观测等特点 那么为获得大尺度范围内的地表温度提供了可能性。微波遥感是应用 电磁

2、波微波波段对地球进行遥感的方法，由于波长较长,它提供了一种 全天候，全天时的地球观测手段，防止了红外和可见光对大气敏感而不 能有效获取地表信息的问题。鉴于此，被动微波数据现在得到了广泛 的应用.很多地表参数都可以用被动微波数据进行反演，比方土壤水 分、地表温度等.本文主要是介绍对地观测卫星上的AMSR-E数据,将 其转化为地表温度，然后比照不同波段的温度之间的差异，与MODIS 数据的地表温度做比照分析。AMSR-E介绍及应用AMSR是改进型多频率、双极化的被动微波辐射计,是在SSM/1和 SMMR传感器研究的基础上,针对其在应用中的优缺点来设计的，并在 空间分辨率上有了很大的提高。2001年

3、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,它搭载的NASA对地观测卫星Aqua于2002年发射升 空。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。主要仪器参数如表1所示。中心频率6.925GHz10.65GHz18.7GHz23.8GHz36.5GHz89.0GHz表1 AMSR-E的主要仪器参数特征AB空间分辨率50km25km15km5km波段宽度350MHz100MHz200MHz400MHz1000MHz3000MHz极化方式垂直和水平入射角5554.5交叉

4、极化小于20dB扫描宽度1 445km检测范围2.7-340K精度IK敏感度0.34K0.7K0.7K0.6K0.7K1.2K量化位数12 bit10 bitAMSR-E通过测量来自地球外表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 辨率主要取决于扫描宽度、卫星高度和倾角。对于AMSR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。在高纬度和低纬度地区数据覆盖比拟区内，由于受地球形状的影 响,在中纬度地区相对低纬度和高纬度地区覆盖的周期可能相对要 长。具

5、体地说,在降轨时,AMSR-E基本是两天覆盖一次,有的地方是一 天或者三天。但在纬度55。以上的地区是一天覆盖一次。目前AMSR-E数据主要用于土壤湿度、外表温度、植被等方面的 研究。在数字天气预报模型四维数据同化系统里面,大尺度的土壤水 分含量参数是非常重要的。先前对这一参数的取得主要是通过 API (Antecedent Precipitation In-dex)指数作为土壤湿度指数。对于AMSR-E在植被方面的研究主要利用频率37GHz的水平和垂 直极化的亮度温度的差值植被指数来进行研究。虽然该指数在计算上 和该频率上的空间分辨率具有优势，但该指数不能和植被的物理量直 接关联。另外，由于

6、植被的透过率是辐射传输方程中的一个重要参数, 而610GHz与植被含水量近似呈线性关系。AMSR-E数据用来反演地表温度时,主要的算法是线性回归法和迭代方法。目前的精度在23。之间。AMSR-E微波遥感数据反演地表温度反演原理任何物体都会辐射出连续的电磁能量，物体辐射出的电磁能量与 物体的介电常数、温度等参数有关。地物微波辐射特性的研究是根据 不同地物在不同的参数条件下辐射不同的电磁能量。利用微波辐射计 测量在不同条件下地物的微波辐射特性数据，由此区分不同的地物， 并获得某些地物的特性参数。微波辐射计在微波辐射测量中，其输出 电压信号经过定标换算后，得到的是特定工作频率、极化和天线指向 的天线

7、温度测量数据。进行地物微波辐射特性测量需要的地物亮度温 度需要从大量的天线温度测量数据中反演出目标的亮度温度，从而建 立起目标的亮度温度与其物理参数之间的关系。反演方法2. 2. 1 AMSR-E像元亮温计算被动微波遥感是以测量电磁波波谱微波波段的热辐射为基础。微 波辐射计接收信号的辐射源是探测对象本身。辐射计通过天线接收微 波辐射，这些辐射来自于观测场景自身的辐射和反射的辐射。地物自 身辐射由地物本身的热发射穿过表层边界向上半空发射而形成。对于 AMSR-E数据，6. 9GHz的低频通道是探测地表参数的首选通道。由于 水自身在电磁波的低频局部表现出较大的复介电常数，因而其比辐射 值也就相对较

8、小，并且水体的这种高介电常数的特性对于水平极化信 号的影响更为明显，因此当地表含水量增加时，就会使地表在微波影 像上表现出低亮温，高极化差的特点。对于大气而言，大气中对微波 信号影响较大的主要是氧气和水汽。大气中氧气的含量较为固定，随 时间和地点的变化较小，而水汽含量那么随时间和地点会发生较为明显 的变化，因此这里主要考虑水汽的影响。22GHz是水汽作用较强的一 个吸收通道，因而当大气中水汽含量增加时，处于其附近的23. 8GHz 通道上的探测值会受到较为明显的影响，使得探测值中包含更多关于 大气状态的信息，此外，大气中的水汽对18. 7GHz也有一定的影响。 对于频率相对较高的37GHz和8

9、9GHz,由于它们的波长较短，探测地 表温度的有效深度较浅，故与MODTS反演的地表温度具有更好的吻合 性，可以用来作为反演地表温度的主要通道。此外，89GHz的探测还 可以用来纠正大气中云、雨等的影响。在此处使用37GHz频率的数 据。我们需要计算各个像元的亮度温度。像元的亮温值几Tb二scale X SI +offset(2. 1)该式中，一为波段亮温；scale, offset为比例系数,它们的值 是一个常数，分别为0.01和327. 68,从HDF属性数据可以获得；SI 为像元的灰度值。建立反演模型在建立AMSR-E亮度温度和地表温度产品统计回归分析方程的过 程中，大气水汽含量的影响忽

10、略不计，但是，对于有水存在的陆地表 面，水的影响必须校正。那么被动微波数据反演地表温度的模型为：Ts=A0+A1T36.5V-A2T6h+A3T89丫(2. 2)式中AA3是系数；Ts是地表温度；T36.5Y、T6H和T刖分别是AMSR-E 的亮度温度。该算法也可以表示为：Ts= Ao+A 1T36. 5v+Az ( T.36. 5vTgh ) + A3T89V(2.3)方程式2. 3中，T36s是主要反演的地表温度反演通道，T36S-T6H用来 消除地表水分对微波的极化影响；T$9V用来消除大气的平均影响。 3地表温度反演模型AMSR-E数据低频波段受大气中水汽、云粒子和雨的散射和吸收 影响

11、最小,89V(GHz)的亮温最适宜用来反演地表温度。在没有大气散 射和再辐射的情况下，与低频相比，高频对水有较低的介电常数和小 的辐射厚度，本文利用AMSR-E数据中89V (GHz)数据来反演地表温 度，从而对汶川和玉树两处地区地震震前温度进行任热异常研究。AMSR-E数据处理对AMSR-E数据中的89 V (GHz)波段进行数据处理，处理流程 详见图K输入AMSR-E数据HDF格式文件7图1 AMSR-E数据处理流程图地震分析汶川地震是印度板块向亚洲板块俯冲所致。由于印度板块由南西 向北东方向俯冲挤压亚洲板块，造成青藏高原东缘以龙门山构造带为 中心向东推移,却遇到四川盆地地块的强力阻挡,造

12、成挤压构造应力 不断上升,弹性能长期积累，最终在龙门山构造带中央部位发生断裂 失稳,大量能量突然释放形成巨震。卫星微波遥感图像揭示的热异常 现象,应是上述构造运动过程的地球物理反映。印度板块的俯冲使青 藏高原东缘及北部的挤压应力不断上升,地壳岩石弹性能的长期累、 地壳岩石的破裂发育、断裂之间以及岩石之间的摩擦滑移，导致地下 热物质上涌和地下温室气体溢出，引起微波遥感图像升温异常汽 汶 川地区温度详见图2。汶川地震的遥感图像选取东经100110,北纬 2535,区域范围。2008-05-02 夜晚m-rntti冬氏Jt2008-05-04 白天2008-05-06 白天1296-3001291-

13、29828&-291282-2M2008-05-08 白天2008-05-10 白天fH2n-2n 单位：奉民度位；争H2008-05-12 白天图2汶川地区微波遥感地表温度图玉树地处青藏高原块体的中部，该板块的地质活动较为强烈，中 强度以上的地震在历史上比拟多。2010年4月14日发生的地震与汶 川地震相关，是地壳应力释放所致。卫星微波遥感图像上能够清晰的 看到地表温度的热异常。因玉树地区震前数据受云层影响较大，图像 不太理想。见图3。玉树地震的遥感图像选取东经90100,北纬 2838,区域范围。2010-04-13 白天图3玉树地区微波遥感地表温度图4地震前遥感信息异常产生的机理对地震前

14、的热红外异常现象，许多学者对地震发生前的卫星热红 外异常现象进行了分析研究并提出了自己的观点对异常机理进行解 释，主要有：1）断层蠕动摩擦生热导致震前热异常；地震前，发震断层往往 先进行蠕动，由于地下的压力很高，导致断层的摩擦力很大，因而产 生的热量很高。这些热传递到地表，引起热异常。2）震前地球放气产生温室效应及电场激发增温效应，即所谓的 气热说认为震前由于广大地壳岩层受力，产生微裂隙，隐藏在岩层中 的CO?、CHq等气体从裂隙释放出地表或水面，构成温室效应并在太阳 辐射下大气升温，同时由于剧烈运动的地下水带电粒子向地球外表传 播，形成瞬时突变电场，使用、CO?等气体获得能量，产生能级跃迁,

15、 释放热量，形成震前卫星热红外增温异常。3）震前地下流体上升导致热气的溢出造成热异常地震前由于应 力的加剧作用使得震中周围的岩石发生破裂，断层中的间隙增大，导 致地下的流体顺着断层和破裂上升至地表，引起热异常。4）震前应力集中致热并通过地壳裂隙传递至地表产生热异常地 震前由于应力的加剧作用使得震中周围的岩石发生应变、破裂以及粘 滑前的预滑，这些都会引起热效应。这些热通过地壳裂隙传递至地表 产生热异常。5）震前应力集中导致“P-hole”电荷向地面传递，在地表重新 结合释放能量导致热异常。美国NASA的F. Freund基于大块花岗岩及 斜长岩的中心加压红外观测实验观测到-岩石外表IRR强度变化

16、幅 度超过环境温度现象，提出了 “P-Hole”假说，认为岩石变形或产生 微破裂时产生的孔穴正电荷（简称“P-Hole”）随着应力的作用会传 递到岩石外表，并在外表重新结合释放能量，产生电磁辐射。6）震前近地表的空气受氢辐射发生电离导致大气中的水蒸气浓 缩，从而释放热地震前经常沿着断层出现氯含量增高的现象，即所谓 的氨气异常。这些氯气因发生衰变产生辐射导致周围的空气发生电离 使得大气中的水蒸气发生浓缩，从而释放热产生热异常。5结语地表温度是反映地球能量平衡的重要参数，及时准确地获得地表 温度对于研究全球气候改变，生态环境变化等工作都有着十分重要的 意义。由于微波遥感受大气干扰小，可穿透云层（甚

17、至雨区）获取地表辐 射信息，具有全天候、多极化等特点，在地表温度反演监测中具有某些 独特的优越性。本文对被动微波数据AMSR-E进行了介绍，并对如 何利用AMSR-E微波遥感数据反演地表温度做出介绍。参考文献1刘曾林，唐伯惠，李召良，等AMSR-E微波数据反演裸地地表温度算法研究 C研究论文2毛克彪，覃志豪，李满春,徐斌，等AMSR-E被动微波数据介绍及主要应用研 究领域分析分遥感信息2005.3 63-643毛克彪，徐斌，等AMSR-E被动微波数据介绍及主要应用研究领域分析C 遥感信息2005. 3 63-644施建成，蒋灵梅，等AMSR-E低频亮温数据空间分辨率提高以及不同波段亮 温数据组

18、合应用时分辨率匹配的算法J中国科学2011.25孟霖达利用AMSR-E数据反演地表温度D 2007. 66吴立新，刘善军，陈云浩，李玲玲等汶川地震前卫星热红外异常与云异常现 象J科技导报2008. 267崔丽华汶川地震前的遥感信息异常及其机理研究M 2009. 3AMSR-E Microwave Radar Data Processing and Its ApplicationAbstract: due to the microwave with all-weather, penetrating and not subject to the influence of cloud, so that in the remote sensing resea