凍土遙感研究進(jìn)展_被動(dòng)微波遙感

1、地球科學(xué)進(jìn)展ADVANCES IN EAR TH SC IENCE第 24卷 第 10期2009年 10月Vo l. 24 No. 10O c t. , 2009文章編號(hào) : 1001 28166 ( 2009) 1021073 211凍土遙感研究進(jìn)展 :被動(dòng)微波遙感3張廷軍 1 , 2 ,晉銳 3 ,高峰 4( 1. 中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所凍土工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 ,甘肅蘭州730000;2. 美國雪冰數(shù)據(jù)中心 ,科羅拉多大學(xué)環(huán)境科學(xué)合作研究所 ,博爾德市 , 80309 20449 ,美國 ;3. 中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所 ,甘肅蘭州730000;730000 )4.

2、中國科學(xué)院國家科學(xué)圖書館蘭州分館 ,甘肅蘭州摘 要 :多年凍土和季節(jié)凍土分別占北半球裸露地表的 24 %和 55 % 。近地表土壤凍融的范圍 、凍結(jié)起始日期 、持續(xù)時(shí)間及凍融深度對(duì)寒季 /寒區(qū)植物生長 、大氣與土壤間能量 、水分及溫室氣體交換 都具有極其重要的影響 。自 20世紀(jì) 70年代以來 ,應(yīng)用衛(wèi)星遙感結(jié)合地面觀測(cè)資料研究局地到區(qū)域尺度的季節(jié)凍土和多年凍土已取得諸多成果 ,而遙感在凍土研究中的最直接應(yīng)用是利用微波探測(cè)近地表土壤凍融狀態(tài) 。相對(duì)于主動(dòng) SAR ,星載被動(dòng)微波傳感器具有多通道觀測(cè)且重訪周期較 高 ,空間分辨率很低的特點(diǎn) 。重點(diǎn)評(píng)述了近幾十年來被動(dòng)微波輻射計(jì)在凍土研究中的算法發(fā)

3、展及 其應(yīng)用前景 ,主要包括雙指標(biāo)算法 、時(shí)間序列變化檢測(cè)算法及判別樹算法 3 類 ,其核心均是基于凍土的低溫特征和“體散射變暗 ”效應(yīng) 。發(fā)展可靠實(shí)用的微波遙感土壤凍融狀態(tài)判別算法 ,提供區(qū)域 和全球尺度上的土壤凍融狀態(tài)信息 ,對(duì)水文學(xué) 、氣象學(xué)以及農(nóng)業(yè)科學(xué) 、工程地質(zhì)研究與應(yīng)用都具有 重要意義 。關(guān) 鍵 詞 :凍融循環(huán) ;被動(dòng)微波遙感 ;凍土 ;衛(wèi)星遙感中圖分類號(hào) : P931. 8; TP79文獻(xiàn)標(biāo)志碼 : A重視 ,其中最直接最有效的方式即利用微波遙感監(jiān)測(cè)地表凍融循環(huán) 。微波受大氣影響相對(duì)較小 ,可全 天候 、全天時(shí)工作 ,且對(duì)地表具有一定穿透深度 ,能 夠獲得地下一定深度范圍內(nèi)的信息

4、 ; 而且微波對(duì)土 壤中的水分含量及其狀態(tài)非常敏感 ,因此根據(jù)凍 /融土壤間顯著的介電特性差異導(dǎo)致的微波輻射 /散射 特 征 變 化 , 可 獲 取 淺 層 地 表 的 土 壤 水 分 凍 融1 引言據(jù)統(tǒng)計(jì) ,北半球陸地表層土壤約有 50 ×106 km2的范圍每年都要?dú)v經(jīng)凍融轉(zhuǎn)換這一過程 1 。地表土 壤的凍結(jié) /融化狀態(tài)對(duì)地氣能量交換 、地表徑流 、作物 生長和碳循環(huán)等均具有重要的影響 25 。地表凍融 作為環(huán)境溫度背景下形成的土壤狀態(tài) ,對(duì)溫度變化非常敏感 ,因此地表凍結(jié) /融化的范圍 、起始日期及持續(xù) 時(shí)間均可作為氣候變化的靈敏指示器 35 。遙感為探測(cè)區(qū)域尺度凍土狀況提供了

5、可行的技 術(shù)手 段 , 地 球 觀 測(cè) 系 統(tǒng) ( Ea rth O b se rving System , EO S)科學(xué)計(jì)劃中也把凍土遙感列為其重要目標(biāo)之一 2 ,使得遙感在凍土研究中的應(yīng)用潛力日益受到 5 , 6 狀態(tài) 。近地表土壤凍融循環(huán)的被動(dòng)微波遙感研究雖然 已歷經(jīng) 30年 ,但由于算法實(shí)用化的難度 ,它至今仍是一個(gè)十分活躍的研究領(lǐng)域 。特別是近年來 ,隨著 EO S衛(wèi)星上所攜帶的新一代被動(dòng)微波輻射計(jì)相繼升 空 ,以及冰凍圈與氣候變化關(guān)系研究對(duì)長序列凍融 數(shù)據(jù)集的需求 ,土壤凍融的被動(dòng)微波遙感再次成為3收稿日期 : 2009 205 227;修回日期 : 2009 208 210.3

6、 基金項(xiàng)目 :公益性行業(yè) (氣象 )科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目“中國冰凍圈衛(wèi)星監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究及系統(tǒng)開發(fā) ”(編號(hào) : GYH Y ( QX ) 2007 26 218 ) ,美 國航空航天局 (U. S. NA SA 項(xiàng)目 NA G5 213721 及 NNXØ6A E65 G) ; 美國阿拉斯加大學(xué)極地研究中心 ( U. S. N SF 項(xiàng)目 O PP20328664 )聯(lián)合資助.作者簡介 :張廷軍 ( 1957 2) ,男 ,甘肅慶陽人 ,主要從事凍土與環(huán)境及其與氣侯變化的相互作用等方面的研究. E2m a il: tzhang n sidc. o rg括后繼的 SSM / I ( Sp

7、 ec ia l Sen so r M ic rowave / Im age r)和 AM SR 2E (A dvanced M ic rowave Scann ing R ad iom e2 te r2EO S)已有 30年時(shí)間序列的數(shù)據(jù)積累 ,可為研究 氣候變化背景下凍土的時(shí)空變化特征提供時(shí)間連續(xù) 的觀測(cè)數(shù)據(jù) 。各傳感器詳細(xì)參數(shù)見表 1。研究者所關(guān)注的熱點(diǎn) 。2 被動(dòng)微波監(jiān)測(cè)地表凍融狀態(tài)的原理及常用傳感器利用被動(dòng)微波輻射計(jì)亮溫觀測(cè)數(shù)據(jù)判斷近地表 ( < 10 cm )土壤凍融狀況已取得一些成功 。被動(dòng)微 波技術(shù)的有效性在于不同物理溫度 、組成成分和物 理結(jié)構(gòu)的介質(zhì)其微波輻射能量不同

8、。水和冰的介電 特性差異顯著 (圖 1 ) ,使得利用微波觀測(cè)推斷凍融 狀態(tài)成為可能 。接近液態(tài)水的德拜馳豫頻率時(shí) ,亮溫對(duì)表層土 壤中液態(tài)水和凍土中體散射“變暗 ”效應(yīng)尤其敏感 。表 1 幾種星載被動(dòng)微波遙感器的特征參數(shù)Ta b le 1 In strum en t pa ram e ter of the w ide ly u sed pa ss ive ra d iom e ter s參數(shù)SMMR (N im bu s - 7 ) SSM / I(DM SP) AM SR - E (A qua)6. 6 , 10. 7 ,18 , 21 , 379550. 7950. 3N /A41 &#

9、215;5518 ×277801978 1987 年19. 3 , 22. 3 ,37 , 85. 58600. 653. 1N /A43 ×6928 ×371 4001987 年至今6. 9 , 10. 7 , 18. 7 ,23. 8 , 36. 5 , 897051. 655. 0N /A16 ×288 ×141 4452002 年至今頻率 ( GH z)高度 ( km ) 天線尺寸 (m ) 入射角 ( °) 分辨率 ( km )19 GH z37 GH z 幅寬 ( km ) 運(yùn)行時(shí)間TB ( f )對(duì)于半無限空間的非散射均

10、質(zhì)土壤 ,其亮溫可近似表示為 6 :TB ( f) = e ( f) T0 +TB ( f)( 1 )5TTB ( f) = e ( f)( f)0( 2 )5z其中 : e ( f)為頻率 f時(shí)的微波發(fā)射率 , T0 為土壤物理5T3 被動(dòng)微波亮溫用于凍融分類的算法應(yīng)用被動(dòng)微波亮溫?cái)?shù)據(jù)判別凍融界線的算法發(fā) 展主要經(jīng)歷了 3 個(gè)過程 : 算法研制 、參數(shù)調(diào)整 、應(yīng)用 與數(shù)據(jù)集 。其最終目標(biāo)是建立全球尺度的凍融界線 判別算法 ,可總結(jié)為雙指標(biāo)算法 、時(shí)間序列變化檢測(cè) 算法及判別樹算法 3類 。目前 ,應(yīng)用最為廣泛的是雙指標(biāo)算法 , 它以 37GH z亮溫 ,以及 18 /19 GH z與 37

11、GH z間的亮溫譜梯 度作為判別指標(biāo) 。國內(nèi)外研究者圍繞凍融狀態(tài)與這2個(gè)指標(biāo)之間的關(guān)系進(jìn)行了理論研究及野外和航空遙感實(shí)驗(yàn) ,發(fā)展了具有大尺度應(yīng)用價(jià)值的各種算法 。 利用 N im bu s 7 搭 載 的 多 通 道 微 波 輻 射 計(jì)SMMR 37 GH z亮溫 TB ( 37 )和 10. 7 GH z與 37 GH z的亮溫 譜 梯 度 可 進(jìn) 行 凍 融 分 類 9 , 13 , 16 , 17 。由 于 SMMR 頻率恰好高于液態(tài)水的德拜馳豫頻率 ,濕土 的譜梯度為正值 ,而相對(duì)微波透明的凍土由于體散 射衰減作用其亮溫譜梯度為負(fù)值 。選取 TB ( 37 ) 是 因?yàn)橄鄬?duì)于 10.

12、7 GH z和 18 GH z 亮溫 ,它與氣溫的 相關(guān)性更強(qiáng) 9 , 14 。通過對(duì) SMMR 垂直和水平極化 亮溫取均值可抑 制 其極 化效 應(yīng) 。判 別 算法 可表 述 如下 :溫度 ,為土壤表層熱梯度 ,( f )為光學(xué)厚度 。5z0與融土相比 ,凍土具有以下突出特征 : 物理溫度較低 ; 發(fā)射率較高 ; 光學(xué)厚度較大 ; 亮溫減 小 9 。地基輻射計(jì)測(cè)量表明 ,當(dāng)濕土開始凍結(jié)時(shí)即使土壤溫度降低 ,但由于發(fā)射率增加 ,其亮溫也可能 顯著增加 10 , 11 ; 而相對(duì)較干的土壤凍結(jié)時(shí)發(fā)射率 變化很小 ,其亮溫會(huì)隨土壤溫度而降低 。因此單一頻率的亮溫不能用來明確判別土壤凍融狀態(tài) 。由于凍

13、結(jié)土壤介電常數(shù)虛部的降低程度遠(yuǎn)大于實(shí)部 ,使 得凍土光學(xué)厚度增加 9 。介 電 常數(shù) 虛部 減 少意 味著吸收減弱 ,熱發(fā)射光子可來自發(fā)射介質(zhì)更深處 ,于是有效發(fā)射深度或光學(xué)厚度增大 12 。因此 ,凍土較 深層土壤溫度梯度對(duì)近地表亮溫的貢獻(xiàn)大于同樣梯K 13 。度的非凍土 。在低頻時(shí) ,該貢獻(xiàn)可達(dá)幾國內(nèi)外研究者對(duì)利用被動(dòng)微波數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)地表凍融狀態(tài)的方法進(jìn)行了許多實(shí)驗(yàn)研究和理論計(jì)算 ,發(fā) 現(xiàn)較為理想的指標(biāo)是 37 GH z的亮溫以及負(fù)亮溫譜梯度 。選擇 37 GH z的亮溫是因?yàn)樗c地表溫度和氣溫有很好的相關(guān)性 ,而且這一波段的微波發(fā)射率 不像低頻波段那樣對(duì)土壤濕度敏感 。凍土呈現(xiàn)負(fù)亮溫譜梯度是

14、因?yàn)樵谖⒉ǖ母哳l率波段由體散射引起的衰減比低頻波段強(qiáng) 14 , 15 ,導(dǎo)致高頻波段的亮溫低 于低頻波段 ,而在融土中恰恰相反 。被動(dòng) 微 波 輻 射 計(jì) 從 1978 年 SMMR ( Scann ingM u ltichanne l M ic rowave R ad iom e te r) 發(fā) 射 升空 后 , 包 5TB ( f) PSG( 3 )5f和TB ( 37V ) P37( 4 )其中 : PSG和 P37 分 別 為 亮 溫 譜 梯 度 ( K / GH z) 和GH z垂直極化亮溫閾值 ( K) 。37SMMR 于 1987年停止運(yùn)行 ,現(xiàn)由國防氣象衛(wèi)星計(jì)劃 (D efen

15、 se M e teo ro logica l Sa te llite s P rogram , DM 2SP)搭載 的 SSM / I作 為 替 代 21 。 SSM / I傳 感 器 除22. 24 GH z大氣水汽通道僅有垂直極化外 , 19. 35、37. 00 及 85. 50 GH z均為雙極化通道 。 19. 35 GH z與 37. 00 GH z以及 19. 35 GH z與 85. 5 GH z間的亮 溫譜梯度均對(duì)土壤水分狀態(tài)較敏感 22 。 Judge等使 用 SSM / I 19. 35和 37. 0 GH z垂直極化數(shù)據(jù)進(jìn)行凍融分類 ,凍土為負(fù)譜梯度且< 247

16、 K;非凍結(jié)濕土P37譜梯度為正且> 247 K; 非凍結(jié)干土的譜梯度近P37似為 0 且 TB 較高 (圖 3 ) 。衛(wèi)星過境地方時(shí)為 18 點(diǎn)左右 ,此時(shí)該分類法在晴空條件下受大氣吸收和發(fā) 射影響很小 22 。圖 1 液態(tài)水和冰的介電常數(shù)隨頻率的變化 7, 8F ig. 1 Va r ia t ion of d ie lec tr ic con stan t of l iqu id wa ter an d ice w ith frequen cy 7, 8根據(jù)公式 ( 3 )和 ( 4 ) ,使用 SMMR 數(shù)據(jù)可將地表分為凍土 、非凍結(jié)干土和濕 (或冷 )土以及凍融混合 物 4類

17、9 。凍結(jié)地表具有相對(duì)低的負(fù)亮溫譜梯度和較低的 TB ( 37 ) ; 濕土的譜梯度較高 , 但 TB ( 37 ) 較低 18 ;非凍結(jié)干土的譜梯度較低且 T ( 37 )較高 ; 混B合地表是凍 土 、濕土 和非 凍 結(jié)干 土的 組 合 (圖 2 ) 。表 2為判別空間中凍融狀態(tài)的區(qū)分標(biāo)準(zhǔn) 9 。凍結(jié)地 表必須同時(shí)滿足公式 ( 3 ) 和 ( 4 ) 。應(yīng)用該方法對(duì)美 國北部 大 平 原 凍 結(jié) 地 表 分 類 取 得 了 理 想 結(jié) 果 9 。Cao等 19 應(yīng)用相同的算法和 SMMR 數(shù)據(jù) ,采用閾值P37 = 222. 5 K和 PSG = - 0. 17 K / GH z,研究了青

18、藏 高原 1983 年春秋季近地表土壤凍融狀態(tài) 。與地面 觀測(cè)數(shù)據(jù)比較 ,分類精度約為 70 % 。 To ll等 20 使用SMMR 37 GH z和 18 GH z水平極化亮溫研究了 1985年春季和 1987 年秋季美國中北部和加拿大南部的 季節(jié)性凍土 ,使用 37 GH z和 18 GH z間的負(fù)亮溫譜圖 2 北達(dá)科他州及周邊區(qū)域的 SMM R10&37 GHz譜梯度與 37 GHz亮溫F ig. 2 10 &37 GHz SMM R spec tra l gra d ien ts for Nor thD a ko ta an d the surroun d in g

19、reg ion聚類數(shù)據(jù)為 1984 年 8 12 月中午的衛(wèi)星觀測(cè)值 9 9 C lu ste r da ta a t noon co llected from A ugu st 1984 th rough D ecem be r 9 23 與 Zue rndo rfe r等的工作類似 , Chang等使用 SSM / I垂直和水平極化亮溫均值確 定出 青藏 高 原季節(jié)凍融邊界 。他們使用 19. 35 GH z和 37 GH z間的負(fù)譜梯度 ,衛(wèi)星上午和下午過境時(shí)分別采用 P37梯度 PSG < 0. 0 K / GH z和= 257. 5 K作為閾值 ,P37與加拿大 14 個(gè)野外站

20、 0800 CST 和 1 600 CST的 5cm 土壤溫度比較 ,總體精度可達(dá) 85. 9 % 20 。= 231 K和= 238 K作為閾值 。與 5 cm 土壤溫P37度對(duì)比表明 ,整體分類精度約為 85 % 。該亮溫閾值與研究區(qū) 1 °×1 °格網(wǎng)的年平均亮溫相一致 。 Chang表 2 凍融判別空間中的標(biāo)準(zhǔn)Ta b le 2Freeze / tha w cr iter iain the dec is ion spa ce 23 等提出對(duì)不同區(qū)域可使用以負(fù)譜梯度和年平均亮溫為閾值的通用算法確定近地表凍融狀態(tài) 。Zhang等 3 , 24 采 用 Judg

21、e等 22 的 方 法 , 使 用 譜P37 ( K)PSG ( K / GH z)正午午夜2492440. 0625- 0. 044圖 3 晴空條件下未經(jīng)大氣糾正的 UTC 12時(shí)的聚類數(shù)據(jù) 22F ig. 3 C lu ster da ta a t 12: 00 UTC for c lea r da y s w ithou t a tm o spher ic correc t ion( a) 19 &37 GH z垂直極化譜梯度與 37 GH z垂直極化亮溫 ; ( b) 19 &85 GH z垂直極化譜梯度與 37 GH z垂直極化亮溫及( c) 19 &37 G

22、H z水平極化譜梯度與 37 GH z垂直極化亮溫sp ectra l grad ien ts; ( c) 19 &37 GH z H 2po l. sp ec tra l grad ien ts 22 ( a) 19 &37 GH z V 2po l. sp ec tra l grad ien ts, ( b) 19 &85 GH z V 2po l. 9 梯度 PSG = 0. 0 K / GH z和閾值= 258. 2 K研究美Zue rndo rfe r等首先發(fā)展了土壤凍結(jié)指標(biāo) , 之后其他研究者對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn) 3 , 22 , 23 , 這些算法目 前僅適用于

23、無雪覆蓋地表 。然而 ,認(rèn)識(shí)季節(jié)雪蓋覆 蓋下的土壤凍融狀態(tài)對(duì)于研究土壤水分 、春季地表徑流及洪水預(yù)報(bào)都具有重要意義 。雪蓋使大氣與土 壤下墊面間的水熱交換過程復(fù)雜化 ; 雪的高反照率 和發(fā)射率引起雪表面和臨近空氣溫度較低 ,當(dāng)雪蓋 較薄時(shí)會(huì) 加 劇 土 壤 凍 結(jié) 過 程 26 ; 雪 的 熱 傳 導(dǎo) 率 很 低 ,厚雪蓋的絕熱作用會(huì)使土壤與冷空氣隔絕從而阻礙土壤凍結(jié)過程的發(fā)展 ; 雪蓋對(duì)地面熱狀況的總 體影響是限制過冷 、減緩凍結(jié) ,主要取決于雪蓋的發(fā) 生時(shí)間 、持續(xù)時(shí)間 、厚度 、密度 、結(jié)構(gòu)以及物理和熱特性 2730 。Zhang等 4 發(fā)展并驗(yàn)證了用于監(jiān)測(cè)美國本土無 雪和有雪覆蓋情況下

24、近地表土壤凍融循環(huán)的綜合凍土算法 。該算法包含兩部分 (圖 5 ) : 無雪覆蓋區(qū)域 ,用被動(dòng)微波衛(wèi)星遙感算法識(shí)別近地表土壤凍融 狀態(tài) ; 有雪覆蓋區(qū)域 ,使用考慮相變的一維熱傳輸P37國本土和加拿大南部 1997 1998 年冬季近地表土壤凍融狀況 。初步結(jié)果表明 ,在地表被積雪覆蓋前 近地表土壤往往已凍結(jié) 。如 1997 1998 年冬季 ,在積雪覆蓋地表前 ,約有 79 %的時(shí)間土壤在白天都呈 凍結(jié)狀態(tài) 。積雪覆蓋前土壤凍結(jié)天數(shù)為 1125 天 , 平均值約為 4 天 。土壤開始凍結(jié)主要發(fā)生在 10 11月 ,其結(jié)束日期主要在次年的 3 4 月 ,所以大部 分研究區(qū)內(nèi)土壤凍結(jié)的持續(xù)時(shí)間為

25、 5 7 個(gè)月 (圖4 ) 。近地表的凍結(jié)天數(shù)從幾天到長于 150天不等 。 地基微波輻射計(jì)測(cè)量結(jié)果表明 ,如果譜梯度精 度達(dá)到 0. 2 K / GH z以上 ,極化差結(jié)合 19. 35 與 37. 0GH z譜梯度即可用 于區(qū) 分無 雪 時(shí)苔 原地 表 凍融 狀 態(tài) 25 。融化的苔原地表呈正的譜梯度 ,約為 0. 2 K /GH z,無雪覆 蓋 的 凍 結(jié) 苔 原 地 表 呈 負(fù) 譜 梯 度 , 約 為0 - 0. 2 K / GH z。因此 Kim 等 25 得出結(jié)論 , 在考 慮空間尺度轉(zhuǎn)換和大氣糾正后 ,根據(jù)衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行 凍融分類必須滿足以上精度要求 。圖 6 美國本土冬季的近地表

26、凍土 (粗實(shí)線 ) 、雪蓋 (虛線 ) 、雪蓋下非凍土 (細(xì)實(shí)線 ) ( a ) 1997 /1998逐日范圍 ;( b) 1998 /1999逐日范圍 ; ( c) 1997 /1998和 ( d) 1998 /1999冬季近地表凍土 、雪蓋以及雪蓋下非凍土面積與 美國本土總面積之比 (除阿拉斯加及夏威夷外 , 美國本土總面積為 7. 04 ×106 km 2 ) ;( e) 1997 /1998和 ( f) 1998 /1999冬季逐日近地表凍土和雪蓋面積之差 4F ig. 6 D a ily a rea l ex ten t of the n ea r2surfa ce fro

27、zen groun d ( th ick so l id l in e ) , sn ow cover ( da shed l in e ) , an d un frozen groun d ( th in so l id l in e) un der sn ow cover dur in g the w in ter of ( a ) 1997 /1998 an d ( b) 1998 /1999 in the con t iguou s Un ited S ta te s, The percen ta ge fra c t ion for ( c) the w in ter of 1997

28、 /1998 an d for ( d) the w in ter of 1998 /1999 is def in ed a s the ra t io be tween the da ily a rea l ex ten t of the n ea r2surfa ce frozen groun d, sn ow cover, an d un frozen groun d un der sn ow cover an d theto ta l a rea ( 7. 04 ×106 km 2 ) of the con t iguou s Un ited S ta te s. The e

29、x ten t d ifferen ce is def in ed a s the d ifferen ce be tween theda ily a rea ex ten t of the n ea r2surfa ce frozen groun d an d sn ow cover for the w in ter of ( e) 1997 /1998 an d ( f) 1998 /1999 4數(shù)值模型計(jì)算獲得雪蓋下的土壤凍融狀況 。被動(dòng)微波凍融算法采用 SSM / I 19 GH z和 37 GH z垂直極化 的亮溫譜梯度及 TB ( 37V ) 兩個(gè)指標(biāo) 。對(duì) 1997 年 7 月

30、1 日 1998年 6月 30日美國本土 26 個(gè)站點(diǎn)的 5 cm 深處土壤溫度測(cè)量值與 TB ( 37 )進(jìn)行線性相關(guān)分析 ( R2 = 0. 84 ) ,得到亮溫閾值為 258. 2 K。使用相 同站點(diǎn) 1998 年 7月 1日 1999 年 6月 30日的土壤 溫度數(shù)據(jù)驗(yàn)證 ,得到綜合凍土算法識(shí)別凍土的精度 為 76 % ,識(shí)別凍土與非凍土的精度為 83 % ,誤差為17 % 。同時(shí)還 使用 綜合 凍 土算 法研 究了 美 國 本 土1997年 7 月 1日 1999 年 6月 30 日近地表土壤凍 結(jié)的起始日期 、持續(xù)時(shí)間 、凍結(jié)天數(shù) 、逐日面積變化 。初步結(jié)果表明 , 1997 /1

31、998 年 冬 季凍 土的 最 大范 圍 約為 4. 4 ×106 km2 ,占美國本土總面積的 63 % ; 而 在 1998 /1999冬季 ,最大范圍為 5. 2 ×106 km2 ,占美 國本土面積的 74 % (圖 6 ) 。季節(jié)凍土的持續(xù)時(shí)間 從南部小于 1個(gè)月到落基山脈大于 8 個(gè)月 ; 土壤凍結(jié)的實(shí)際天數(shù)從幾周到幾個(gè)月不等 。 1997 /1998 年 和 1998 /1999年冬季近地表土壤凍融循環(huán)次數(shù)從 1 次到多達(dá) 11 次 ,凍結(jié)期平均長度從小于 20 天到大 于 120天 。Sm ith等 31 采用 SMMR 的 T ( 37 ) 和 T ( 1

32、8 )之BB差以及 SSM / I的 TB ( 37 )和 TB ( 19 )之差作為土壤凍結(jié)狀態(tài)指示因子發(fā)展了變化檢測(cè)的新凍融算法 。該 算法的理論基礎(chǔ)為兩通道間的亮溫差反映了發(fā)射率 的差異 ,而凍土的發(fā)射率遠(yuǎn)大于融土 32 。當(dāng)凍土表 面融化 ,表面溫度保持在凍結(jié)點(diǎn)附近 ,兩通道間的發(fā)射率差趨于 0。這導(dǎo)致兩通道的亮溫差時(shí)間序列呈 平臺(tái)狀 (圖 7 ) 。通過識(shí)別每個(gè)像元亮溫差時(shí)間序列 曲線的平臺(tái)邊緣 ,即可以確定春季融化和秋季凍結(jié) 的起始日期 。根據(jù)以上凍融算法 , Sm ith 等 31 發(fā)現(xiàn)北美常綠針葉林秋季凍結(jié)日期呈推后趨勢(shì) ,是導(dǎo)致生長季延 長的原因之一 ,而北美苔原區(qū)生長季也延

33、長 。同時(shí) , 還指出該凍融算法未解決的關(guān)鍵問題之一是忽略了 雪蓋存在和不能用于探測(cè)春秋季的反復(fù)凍融循環(huán) 。 M cGu ire 等 33 和 M cDona ld 等 8 利 用 1988 2001年的 SSM / I亮溫?cái)?shù)據(jù) ,采用階梯邊緣檢測(cè)算法 識(shí)別北極和阿拉斯加春季的主要融化過渡事件 。該 算法應(yīng)用光學(xué)邊緣探測(cè)器確定噪聲信號(hào)中的邊緣過 渡 34 。不同于 Sm ith等 31 的算法 ,考慮了春季頻繁 發(fā)生的 重 復(fù) 凍 融 循 環(huán) 。根 據(jù) 該 算 法 , 發(fā) 現(xiàn) 1988 2001年北極和阿拉斯加季節(jié)融化和隨后的早春生 長季節(jié)的起始時(shí)間均提前了約 8天 ,指出該凍融算圖 7 北美

34、常綠針葉生物群系升軌 ( a ) 37 V; ( b) 19 V及( c) 3719 V亮溫時(shí)間序列曲線 31F ig. 7 A vera ge a scen d in g ( a ) 37 V, ( b) 19V, an d( c) 3719 V ann ua l t im e ser ie s for the evergreen con ifer b iom e in Nor th Am er ica 31每點(diǎn)代表 6 天平均值 , ( c)中水平虛線表示算法識(shí)別的平臺(tái)值 ,垂直虛線代表凍融日期Each po in t rep resen ts a 6 2day ave rage sign

35、a l. The ho rizon ta l da shed line in ( c) rep resen ts the leve l of the p la teau iden tified by the a lgo rithm. The ve rtica ldashed line s rep re sen t the da te s of thaw and freeze法探測(cè)到的春季主要融化事件通常和春季出現(xiàn)的最大地表濕度相一致 ,也與融雪 、活動(dòng)層融化及生長季節(jié)起始時(shí)間有關(guān) 。 Stone 等 35 發(fā)現(xiàn)自 1960 s中期阿拉斯加北部融雪日期提前了約 8 天 ,這是冬季降雪 減少的結(jié)果

36、 ,隨后的春季較暖 。晉銳等 36 提出了識(shí)別地表凍融狀態(tài)的判別樹 算法 ,使用 SSM / I TB ( 19V ) 、TB ( 19H ) 、TB ( 37V ) 、TB( 22V )和 TB ( 85V )共 5 個(gè)通道的亮溫?cái)?shù)據(jù) ,聯(lián)合使 用散射指數(shù) ( S I: Sca tte ring Index) 、37 GH z垂直極化 亮溫 TB ( 37V ) 及 19 GH z 極 化 差 ( TB ( 19V ) 2TB ( 19H ) ) 3個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)識(shí)別出地表或植被冠層的凍 融狀態(tài) ,同時(shí)剔除了沙漠和降水等其他散射體的影響 (圖 8 ) 。利用國際協(xié)同加強(qiáng)觀測(cè)期 ( CEO P:

37、Coo r2d ina ted Enhanced O b se rving Pe riod ) 觀測(cè) 的 4 cm 地溫?cái)?shù)據(jù)代表淺層土壤真實(shí)凍融狀態(tài)驗(yàn)證分類結(jié)果 , 其準(zhǔn)確性達(dá) 87 % 。經(jīng) 分析 , 約 40 %和 73 %的誤 分 分別發(fā)生在淺層土壤溫度為 - 0. 5 0. 5 和 - 2. 02. 0 之間 ,即凍結(jié)點(diǎn)附近 ; 且多發(fā)生在冷暖季節(jié)過渡時(shí)期 , 即 4 5 月 和 9 10 月 , 分 別 占 誤 分 的33%和 38%?；?于 該 決 策 樹 獲 得 2002 年 10 月 2003年 9月中國全境地表凍結(jié)日數(shù)圖 (圖 9 ) ,以中國 凍土區(qū)劃及類型圖 37 為參考

38、進(jìn)行分類精度評(píng)價(jià) ,其 總體分類精度為 91. 7% , Kapp a 系數(shù)為 80. 5% ,且凍融界線與季節(jié)凍土分布南界具有較好的一致性 。圖 8 凍融判別樹算法流程圖 36F ig. 8 The f lowcha r t of the dec is ion tree a lgor ithm to de tec t the freeze / tha w so il 36范圍及季節(jié)凍土區(qū)地表凍結(jié)范圍進(jìn)行常規(guī)制圖 ,并由雪蓋范圍和近地表氣溫驗(yàn)證 。進(jìn)一步的驗(yàn)證需要 使用地面觀測(cè)數(shù)據(jù) ,可通過各項(xiàng)大型研究和觀測(cè)計(jì) 劃 獲 得 , 如 美 國 能 源 部 的 大 氣 輻 射 測(cè) 量 計(jì) 劃 (AR

39、M ) ,美國自然科學(xué)基金支持的阿拉斯加北部北極系統(tǒng)科學(xué)的陸面 大氣 冰 (LA II)計(jì)劃 ,以及美 國國家海洋大氣局組織在密西西比河上游流域開展 的 GEW EX大陸尺度國際計(jì)劃 ( GC IP ) 。這 些數(shù) 據(jù) 產(chǎn)品可廣泛應(yīng)用于研究陸地表面與大氣的能量和質(zhì) 量交換 ,用于區(qū)域和全球氣候模型驗(yàn)證 、水文研究以及農(nóng)業(yè)應(yīng)用 。被動(dòng)微波數(shù)據(jù)空間分辨率較粗 ,存在較多混合4 結(jié)論與展望被動(dòng)微波遙感數(shù)據(jù) ,如 SMMR 和 SSM / I可根據(jù) 亮溫對(duì)近地表土壤水分狀態(tài) (液態(tài)或固態(tài) ) 的譜敏 感性探測(cè)地表凍融 。數(shù)據(jù)優(yōu)勢(shì)在于其連續(xù)性 、全球 覆蓋及頻繁的重訪周期 ( SMMR 兩天一次 , S

40、SM / I一 天兩次 ) , 能保證探測(cè)地表凍融時(shí)空變化 。數(shù)據(jù) 的 缺點(diǎn)主要是分辨率較粗 ,從約 25 100 km。AM SR 2E于 2002發(fā)射 ,具有較低微波頻率和較高空間分辨 率 ,很適用于探測(cè)區(qū)域尺度和全球尺度的土壤凍融循環(huán) 。使用被動(dòng)微波數(shù)據(jù) ,可對(duì)多年凍土區(qū)地表融化圖 9 中國地表凍結(jié)天數(shù)圖 ( 2002年 10月 1日 2003年 9月 31日 ) 36F ig. 9 Num ber of frozen da y s in C h ina ( O c tober 1, 2002Sep tem ber 31, 2003) 36sea rch, 2003 , 108 (D22

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44、 信息 冗余 。為增加有效信息量 ,可考慮聯(lián)合主動(dòng)微波遙感方式 ,用亮溫和后向散射信息共同識(shí)別地表凍融狀態(tài) 。目 前 ,業(yè)務(wù)化在軌運(yùn)行的主動(dòng)微波傳感器的頻率通常都較低 ,多為 C 或 L 波段 , 可穿透一定覆蓋率的植 被 ,獲得冠層之下的土壤狀態(tài)信息 。此外 ,相對(duì)于亮 溫而言 ,后向散射系數(shù)中幾乎沒有地表溫度的影響 , 因此凍結(jié)引起的后向散射系數(shù)變化是單向的 ,這使得主動(dòng)微波監(jiān)測(cè)凍融循環(huán)的算法更加穩(wěn)定 38 。參考文獻(xiàn) ( Referen ce s) : 5 6 7 8 tro l on the b io sp he ric a ssim ila tion of a tmo sp he r

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