一種鹽度衛星k波段亮溫數據反演陸表溫度的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及微波遙感領域，主要涉及的是一種鹽度衛星K波段亮溫數據反演陸表溫度的方法。
【背景技術】
[0002]地表溫度作為地表-大氣間長波輻射與湍流熱通量的直接驅動要素，是地表能量與水分平衡物理過程中最重要的參數之一。地表溫度同時也是很多環境模型的重要參數，在大氣與地表的能量與物質交換、天氣預報、全球洋流循環、氣候變化等研究領域有著非常重要的應用。同時，地表溫度本身也是一個非常重要的地球物理參數，獲取區域尺度(幾公里到幾十公里)的陸表溫度信息，有助于提高對該地區陸氣交互作用機理的理解，從而更好的服務于該地區乃至整個中國、亞洲及全球的氣候變化監測。
[0003]在被動微波遙感反演領域，對于地表溫度影響的校正目前主流的方法有以下幾種:通過多個通道的衛星觀測，同時反演土壤水分及土壤溫度等地表參數，但是這種多參數求解的過程無法從物理機制上解釋地表的任一參數值變化引起的衛星觀測值變化，調整任一參數都可以滿足代價函數要求，因此該方法不僅計算效率低而且可能會存在多解的問題。同時還有通過模擬實驗結果指出地表溫度不宜與土壤水分同步估算，因為這會增加反演過程中的不確定性。因此，此類估算地表溫度的方法現在已經使用不多。其次，研究者還利用其他遙感數據如MODIS的溫度產品或者模型輸出的溫度模擬值代替地表溫度，如目前SMOS 土壤水分反演算法中地表溫度就是利用歐洲中期天氣預報中心ECMWF模型中輸出的O?7cm的土壤溫度，但是這種方法增加了算法對輔助數據的依賴性，而且不同衛星或者模型之間在數據上的時空一致性也難以保證。雖然MODIS的熱紅外波段也常被用來反演地表溫度，但是熱紅外非常容易受到云霧的干擾且在植被覆蓋區信號也易被衰減。其中前者的影響更為突出，因為陸地表面平均50%的區域被云層覆蓋，因此極大的限制了此方法的應用。
[0004]海洋鹽度探測衛星有效載荷包括L、C和K波段微波輻射計，可以為海洋、減災、農業以及氣象等多個行業和業務部門提供服務。
[0005]雖然鹽度衛星是為獲取海洋鹽度而設計，但其獲取的數據在陸表表面也將有重要的應用價值，如獲取陸表溫度和土壤水分等。鹽度衛星頻率設置是L波段(1.415GHz)、C波段(6.9GHz)和K波段(18.7GHz和23.8GHz)，均包括H和V兩種極化方式。因該衛星并未設置36.5GHz或37GHz(Ka波段)輻射計觀測頻段，所以國內外現有基于Ka波段的方法無法用于獲取陸表溫度信息。
【發明內容】
[0006]本發明基于已有AMSR-E衛星數據和地面實測陸表溫度數據，提出了一種利用鹽度衛星K波段(23.8GHz)V極化數據反演陸表溫度的方法，并與傳統Ka波段(36.5GHz)陸表溫度的反演結果進行了比較。結果表明，基于該方法方法，鹽度衛星K波段(23.8GHz)V極化亮溫數據能有效反演陸表溫度。
[0007]該鹽度衛星K波段亮溫數據反演陸表溫度的方法包括如下步驟:
[0008](I)將CAMP/Tibet，瑪曲及那曲三個實驗區的地表土壤溫度觀測的數據，與同時期的AMSR-E 23.8GHz V極化亮溫數據建立模型:T = 0.767XBT(23.8,v)+76.893;
[0009](2)獲取鹽度衛星數據，從數據文件中提取K波段(23.8GHz )V極化亮溫數據BT(23.8, V)；根據上述模型計算陸表溫度T。
[0010]優選的是，所述模型與實測數據的相關系數為0.87，均方根誤差為3.94K。
【附圖說明】
[0011 ]圖1為AMSR-E輻射計23.8GHz V極化亮溫與同時期的CAMP/Tibet地表溫度數據的時間序列比較。
[0012]圖2為23.8GHzV極化亮溫與地表溫度統計回歸模型。
[0013]圖3為Ka波段(36.5GHz) V極化反演模型。
【具體實施方式】
[0014]衛星數據:AMSR-E共配置有6個波段，具體為6.9GHz,10.7GHz,18.7GHz，23.8GHz，36.5GHz與89GHz，每個波段均提供雙極化觀測。其中，6.9GHz、18.7Ghz和23.8GHz與鹽度衛星相同，所以，本發明利用鹽度衛星K波段(23.8GHz)數據發展的陸表溫度估算方法，是利用現有AMSR-E數據驗證其有效性。
[0015]地面試驗數據:CAMP/Tibet數據:全球協調加強觀測計劃亞澳季風之青藏高原試驗研究網絡CAMP/Tibet是一個建立于青藏高原中部的中尺度土壤溫濕度觀測網絡。該網絡建立的目的是為了測量青藏高原地區的土壤水分及土壤溫度，從而用于發展及驗證陸面過程模型及衛星土壤水分反演算法。CAMP/Tibet觀測網地區地表覆蓋類型主要為稀疏的低矮草地。記錄的時間范圍為2002年10月I日至2004年3月31日。
[0016]瑪曲觀測網:瑪曲土壤溫濕度觀測網于2008年7月開始建立。瑪曲觀測網覆蓋的面積約為40km X 80km，在該網絡地區，每個站點每隔15分鐘對不同深度(從地表5cm至地下80cm)的土壤水分和土壤溫度進行記錄，時間覆蓋范圍為2008年7月I日至2010年7月31日。所有站點分布在黃河河谷及其周圍的小山，地表覆蓋類型為均一的低矮草地。
[0017]那曲觀測網:那曲土壤溫濕度觀測網是一個多尺度觀測網絡，覆蓋面積約為10kmX 100km。該網絡由56個站點組成，每個站點每隔半小時記錄不同深度(分別為O?5 cm，10cm, 20cm及40 cm)的土壤水分及土壤溫度信息，記錄時間范圍為2010年8月I日至2012年12月31日。
[0018]圖1顯示了 AMSR-E輻射計K波段(23.8GHz) V極化亮溫與同時期的CAMP/Tibet地表溫度數據的時間序列比較。由圖中可以看到，兩者存在很好的相關性，這為利用鹽度K波段(23.SGHz) V極化亮溫反演陸表溫度提供了可行性。
[0019]K波段(23.8GHz) V極化亮溫陸表溫度反演模型:將CAMP/Tibet，瑪曲及那曲三個實驗區的地表溫度觀測，與同時期的AMSR-E 23.8GHzV極化亮溫數據建立模型:
[0020]T = 0.767XBT(23.8,v)+76.893
[0021]圖2為23.SGHzV極化亮溫與地表溫度統計回歸模型，如圖2所示，3個實驗區中共有實測對應數據1358個，統計模型與實測數據的相關系數為0.87，均方根誤差為3.94K，表明以上模型能較好的反演陸表溫度。
[0022]K波段(23.8GHz) V極化與傳統Ka波段(36.5GHz)反演陸表溫度的比較:為了驗證本研究溫度反演模型的有效性，將本研究溫度模型與傳統Ka波段的結果進行比較，圖3為Ka波段(36.5GHz) V極化反演模型。
[0023]如圖2和圖3所示，本發明的K波段(23.8GHz)V極化反演模型與以往國內外普遍采用的Ka波段(36.5GHz)V極化反演模型效果相當，相關系數R均為0.87，均方根誤差分別為3.94K和3.92K。這一方面驗證了利用K波段(23.8GHz) V極化亮溫獲取陸表溫度的可行性，另一方面也表明在兼顧陸地溫度應用時，無需更改鹽度衛星的現有波段設置。
【主權項】
1.一種鹽度衛星K波段亮溫數據反演陸表溫度的方法，其特征在于，該方法包括如下步驟: (1)將CAMP/Tibet，瑪曲及那曲三個實驗區的地表土壤溫度觀測的數據，與同時期的AMSR-E 23.8GHz V極化亮溫數據建立模型:T = 0.767XBT(23.8,v)+76.893; (2)獲取鹽度衛星數據，從數據文件中提取K波段(23.8GHz)V極化亮溫數據ΒΤ(23.8,ν);根據上述模型計算陸表溫度T。2.根據權利要求1所述的一種鹽度衛星K波段亮溫數據反演陸表溫度的方法，其特征在于:所述模型與實測數據的相關系數為0.87，均方根誤差為3.94K。
【專利摘要】本發明提出一種鹽度衛星K波段亮溫數據反演陸表溫度的方法，屬于微波遙感領域，該方法將CAMP/Tibet，瑪曲及那曲三個實驗區的地表土壤溫度觀測的數據，與同時期的AMSR-E23.8GHz？V極化亮溫數據建立模型。獲取鹽度衛星數據后，可從數據文件中提取K波段(23.8GHz)V極化亮溫數據BT(23.8，v)，根據上述模型計算陸表溫度T，并與傳統Ka波段(36.5GHz)陸表溫度的反演結果進行了比較，結果表明，鹽度衛星K波段(23.8GHz)V極化亮溫數據能有效反演陸表溫度。
【IPC分類】G06T7/00, G06K9/00
【公開號】CN105678277
【申請號】CN201610064047
【發明人】陳權, 田幫森, 曾江源, 周武, 黃磊
【申請人】中國科學院遙感與數字地球研究所, 國家衛星海洋應用中心
【公開日】2016年6月15日
【申請日】2016年2月1日