积雪遥感_H_ROTT

1、积雪遥感 奥地 利H 摘 RO TT 要 遥 感方法可以对区域以至全球尺度的雪盖进行有效监测 , 根据在光谱的光学波 段和 微波的各种参数可以描述积雪的反射 及发针特性 。 可见及近红外卫星影像可用以制作积 雪面积范 围图 , 这些资料对于气侯研 究和业务融 雪径 流预报是很有价值 的 。 航天微波辐 舒仪资料研完表明 : 用这种资杆可进行 积雪面积范围和 水当量制图 , 且具有探测融 雪 的 全天候 能力 。 被动式微波传感器的主要缺 . 汽就是空间分 辫率较差 , 这可以用主动式传 感 器来弥补 。 合 成孔径雷达可以探测湿雪且空间分辫率高 . 在未来十年中 , 将发射许多微 波传 感器

2、, 才之掘 这一潜办尚需要更艰苦的研究 。 引言 由于冰雪的动态特性 , 只能用遥感方法才能够有效的监测 , 因遥感手段可 以获取大 面积覆盖的资料 。 光谱区可见和近红外传感器的资料已经成为区域性以至全球积雪研究 的重要资料源 。 微波技术在探测雪水当量以及积雪体积其他参数的可能性及其全天候能 力等方面为积雪制图显示了很大的优越性 。 目前 微波遥感系统仍在试验阶段 , 但在未来 的十年中将有更多的微波传感器发射 , 而且微波将成为寒区监测的重要资料来源 。 航天传感器平台为大范围雪盖监测提供了最有效的手段 . 本文详述了这些传感器的 能力 、 应用及发展前景 . 当然还有飞机积雪遥感技术

3、, 例如伽马辐射测量 局限子较小范围使用 。 , 这种技术仅 积雪的光谱特性 1 . 可见 光和近红外反射率 积雪的光谱反射受到多种参数的影响 . 可见光反射率对积雪污染反应很灵敏 . 在近 红外区积雪反射率随波长的增长而急剧下降 , 而且基本上是随着积雪粒度的变化而变化 的 . 在融雪阶段反射率儿乎不受方向的影 响 , 但是积雪融化变态 , 形成较大 雪粒而降 低了近红外反射率 , 在大约1 . 4拼m 波段可以很好的区别云和雪 , 因为积雪在该波段的反 射率只有百分之几 , 而云的反射率却仍很高 . 由于雪是各向异性的反射体 , 光谱反射分 量随着太阳高度的降低而增加 化 , , 这就使得

4、来自有向反射测量的半球状反射率的计算复杂 遥感技术动态第 2 期 2 . 主动 与被动微波信号 微波可以穿透积雪且能提供积雪量特性的信息 。 如果波长大于雪粒 , 则穿透量可以 用容积介电常数来描述 , 液态水的增加会大大减少 电介质 , 因此 , 对微波来说湿雪是不 透 明体 , 发射及 反射信号仅产生于 雪盖上部很薄的一层 。 穿透湿雪的深度 是某类单一波 长的典型值 . 对于干雪来说 , 散射影响是主要的 , 而 且随波长增加而剧增 , 同时也依赖 于散射体的结合介电常数和它们的大小及形状 . 下述雪的特性对主动和被动微波信 一号影 响很大 ; ( 1 )液态水含量 , ( 2 )雪深及

5、 雪密度 , ( 3 )雪层 , ( 4 )雪粒度 , ( 5 )雪粒形状 , ( 6 )雪面粗糙度特征 。 发射 也是依赖于实际温度T , 而且 可以用亮温T b二 eT 来表示 , 这里发射率 。三 1 。 图 l表示在瑞士 阿尔卑斯山试验场测得的不同积雪类型对应的发射率特征值 。 湿雪 在整个微波区具有高反射率 , 因此用微波辐射仪很难区别永久性湿雪和无雪地面 。 由 于 大量散射 , 干雪的发射率在频率1 SGH z 以上明显降低 , 发射率的降 低不仅依赖于地面 积雪总量 , 而且也受到积雪粒度的很大影响 . 如果把冬季干雪的发射率与仅几厘米厚再 冻结雪壳的湿雪发射率作一比较 , 这

6、一点在图1中是很明显的 。 to r . . ,. . . .,. . : . 0 气 蕊 二二二 、卜之 、 书一 二二: 二翱奋委全 “ 一 ” . 、 . . 一 , 、诬 翼 匀呀舫 。一 无雪区 :三熟器 仁名.么工J .二二七二二日二 , 介 匆 口“乙 矿 李“ 图1 . 根据瑞士试验区不同积雪状态测量 , 在 图2 . 5 0 . 天底角在Yh h偏振的后向散射系数 垂直偏振5 0 。 天底角典型 的发射率值 。 丫 , 相对于各种积雪状态下的频率 。 图2表示积雪后向散射体测量的一些结果 , 这是H 位pP i 于19 8 5年春季在瑞士 山峪作 的工作 。 在测量频率范围内

7、(3至 11GH z ) , 干雪和无雪处的后向散射率丫hh差 别 不 大 , 雪的深度为5 0厘米 。 原 因是在15G H z 频率以下干雪中的传布损耗是很小的 , 因此 , 信号主要来自雪与地面 的 互相影响 , 当积雪表面的薄层融化时 , Yh h己经明显降低了 。 信号 由于很强的吸收作用而衰减 , 所以完全湿的雪盖显示的信号最低 。 理论与试验研究表明在 频率 范围5至 1 5 GH z 的主动式微波传感器很适用于湿雪制 图 , 如果合成孔径雷达系统(SA R )的雷 达 光束入射 角大于 2 5度 , 则可将湿雪和无雪 地面进行很好的对比 。 合成孔径雷达用 于干雪制图是不可 靠

8、的 , 也许 , 需要频率在 15GH z 以上的系统才能解决间题 , 然而航天传感器的高频系统由于技术的原因而未被 考虑 。 第2期 H . R O T T : 积雪遥感 根据卫星测量进行雪盖分析 卫星传感器监测雪盖的潜力主要取决于积雪场特征和光谱信号之间的关系 . 然而 , 由于其复杂的相 互依赖关系 , 要想从遥感资料中获取定量的积雪参数并非易事 . 尤其是 在光谱区的大气传输影响也是一个问题 。 各种类型的卫 星传感器探测积雪主要参数的能 力列于表 1 . 表1 . 各种传感器的雪盖监测能力 参数 一一一一二鱼一止1 一止1 一一 S A R TIR影像 干雪面积范围 湿雪面积范围 水

9、当量 融化状态 粒度 影响 灰尘 、 烟 辐射分布 分层 ? 胜任 自息 能 不能 不能 能 * * 被动MW 胜任 融冻 荀毖 融冻 自色 不能 不能 能 *巾 VIS+ NIR影像 胜任 (不与湿比) 胜任 (不与干比) 不能 . 不能 能(N IR) 能(V15) 反射通量 不能 有限 常用 不能 有台 不能 不能 发射通量 不能 注 : SAR 合成孔径雷达 ; MW 微波 V IS可见 , N IR 近红外 T IR 热红外 . 对于薄雪估计 .。 对遥感资料反演有干扰影响 . 1 . 可见 光与近 红外传 感器 自六十年代初起 , 可见光与近红外传感器就被用于积雪制图 . 到目前为

10、止传感器的 光谱与空 间分辨率有了很大的改进 , 然而主要的缺点乃是对天气的依赖性 , 以致得不到 地球表面正常的影像覆盖率 。 大地测量卫星的高分辨率影像例如陆地卫星 、 5 P O T卫星 以及中等分辨率的气 象卫星影像被广泛的应用于雪盖面积范围的制图 。 适当资料源的选 择必须在空 间分辨率 、 重复率 、 资料可得性与资料价格之间权衡 . 陆地卫星多光谱扫描仪(MsS)的分辨率为8 0米 , 资料可用于1 0平方公里以上流 域的雪盖制图 。 陆地卫星专题成像扫描仪(TM) (约3 0米分辨率)和法 国S P O T卫星 高分辨率可见光扫描仪(多光谱为2 0米 , 全色为1 0米)的空间

11、分辨率 更佳 . TM所增强 的光谱性能对雪冰的应用是很有价值的 。 TMS 波段(1 . 5 5一1 . 75 林m )使云与雪的区别 有了很大进展 , 从而能在有部分云盖的地区进行更精确的雪图制作 . TM可见光和近红 外波段的结合分析可有效地估计雪的粒度 。 用高分辨率传感器资料进行业务性雪盖制图的障碍是重复周期 , 陆地卫星的重复周 期为1 6 天 , 二颗星为8天 , 实际的重复周期由于云的影响而更长 . 例如 , 在东部阿尔卑 柑遥感技术动态第 2 期 斯山的某一个区域 , 如果双星运行且部分有云覆盖的话 , 在春季融雪期(4月 l日一6 月3 0日)平均只接收到 3张陆地卫星影像

12、 . 由于极轨和地球同步气象卫星具有较短的重复周期和较便宜的资料费用 , 其影像资 料更适用于大范围的积雪研究 . 在极轨卫星中 , N O AA卫星的高级甚高分辨率辐射计 (大约 1公里分辨率 )被广泛应用 。 数字资料分析技术可使这种资料在甚至小到2 0 。平方 公里的流域上进行雪盖制图 . 苏联流星卫星的影像也是积雪研究的重要资料源 . 地球同 步卫星例如地球同步业务环境卫 星和流星卫星具有最高的观测频率 , 即万小时的重复周 期 . 然而即使有这些传感器 , 对于持续多云的地区来说 , 雪盖制图仍是个大问题 。 雪的反照率是个重要参数 , 而这一参数只能从光谱段的测量才能得到 , 卫星

13、影像资料 中反照率的计算需要一个 大气辐射传输模式和对传感器进行仔细的校正 . 假设测量仅仅 是在某些光谱段进行的话 , 则半球反射率的确定需要目标的光谱反射曲线及角反射分布 的信息 . 如果雪盖很浅则用可 见光反射率资料来估计雪深是可能的 , 但是污染和植被覆 盖对雪盖区的反照率影响很大 。 热红外资料不宜用于雪盖区的雪图制作 , 因为在热红外资料中雪盖区及无雪地区的 温差常常不能使这两个目标清楚地分开 。 但近红外传感器可 以提供积雪表面融化状态的 信息 . 2 . 徽波传 感器 到目前为止 , 微波成像传感器仅在空间执行试验任务 、 主动传感 系统(S AR一合成 孔径雷达)比被动传感器

14、提供的资料的空间分辨率要好得多(几十米) . 然而 , SAR 对于湿雪盖的制图能力是有限的 . 1 978年夏季 , 合成孔径雷达系统载于海洋卫星 上进行短期的航天飞行(航夭成像雷 达A 、 B )这些传感器类型相同 , 均用L波段(1 . 2 8G H z )在该波段 , 湿雪和无雪地面 信号相似 。 通过在冰川地区进行的试验 , 发现这些资料对于冰川研究是非常有用的 。 被动式微波传感器的主要缺点是空间分辨率低 , 最初进行大范围积雪研究的是应用 雨云 一5 号的电扫描微波辐射计(ESMR)资料 , 该辐射 仪工作频率在lgGH z 。 具有 5 个频率(6 . 饥 1 0 . 7 ,

15、18 , 2 1 , 3 7G H z )双偏振多通道微波扫描辐射计(SMM R )其 光谱性能吏佳 . 该辐射计安装在19 7 8年发射的雨云一7 号卫星上 , 19 86年仍在 运 行 . 与 这种辐射计类似的 , 且多一个8 5 G H z 通道的系统如期在19 87年初由 美 国 空军国防气象 卫星计划(DMSP)的卫星携带 . SMMR 的刘幅宽度为78 0公里 。 运行3天可提供日 、 夜的全球覆盖资料 . 1 8G H : 和3 7G H z 通道用于雪图制作 , 标准像幅资料由美国国家航空 与宇宙航行局提供 , 6 0 x6Okm “ (一SG H z ) , 3oxsokm

16、Z ( 37G H z ) , 经特殊 处理能 获较好的分辨率 , 这样可在较大的 , 约1 0 “k m 的集水流域进 行雪图制作 . 自动化计算方法用于干雪面积范围的制图 . 发现探测很薄的新雪(用SMMR , 5 厘米)有困难 , 永久性的湿雪也难于探测 , 因为其发射率和无雪地面相类似 . 但是 , 融雪 的开始和融冻雪可以清楚地探测到 . 根据19 7 9年3月2 3 、2 5 、 2 7日三 天SMMR 资料的欧州 雪盖自动化分析 , 全球尺度融雪区的分析是唯一可能的 , 而这种能力对于气候研究来说 是很有好处的 . 从航天微波资料中可 以得到雪深和水当量信息 , 这一可能性已由S

17、MMR资料所证 第2期H 。 R O T T 积雪遥感 实 . 但雪层和雪粒度也会强烈地影响微波信号 。 这一问题也许只有把卫星微波资料和一 些地面定点站的测量资料结合起来才能解决 . 如果大陆覆盖类型的信息也包括在确定水 当量的算法里 , 则其结果可得到进一步的改进 。 制作大范围积雪图的应用 卫星雪盖资料的业务或准业务应用主要依靠可见光和近红外传感器 。 从卫星资料中 得到的雪盖面积被应用到短 期和季节性融雪径流模式 , 如果雪盖面积资料与现场观测资 料相结合则可获得雪水当量的区域性分布信息 。 长期试验清楚地证明卫星资料对于径流 预报具有重大价值 . 这项试验是在美国西部若干流域上进行的

18、 . 美国国家大气 与海洋管理局(N O A A)绘制出完全为实际应用的雪 盖图件 , 即每 周 出版的北半球冰雪覆盖图 。 这些图是从极轨卫星的可见光通道获得的 。 既有人工方法 绘制 , 也有数字化形式的 . 在雪盖分析中存在的问题就是那些持 续多云和有稠密森林的 地区 。 但经过几种雪盖资料的比较 , 发现N O A A雪盖图是大尺度雪盖研究的最好资料 源 . 自19 6 6/6 7 年冬季以来 、 已可以提供NOA A雪盖资料 , 并且还为气候 研究和确 定大 尺度雪盖反射率提供有价值的资料源 。 雨云一7号SMMR已运行了7年多 , 这表 明了 它是对于全球雪盖研究的一个坚实的资料源

19、 。 目前它已被公开应用 。 前景展望 可见光与近红外传感器己得到了很好的发展 , 技术性能上再进一步的改进对大尺度 雪盖制图来说不会有更明显的提高 , 而对实际应用而言 , 更重要的是改进资料分布 、 资 料周转时间以及提高卫星所得产品的质量 . 关于气候研究方面的应用 , 由N O A A提供 的北半球雪盖图是宝贵的资料源 。 尽管这种资料对于长期的气候研究是个重要而坚实的 资料源 , 但仍希望能进一步提高其质量 . 要在卫星测量中获取另一个气候参数即地表反 射率则需要进一步的努力 . 微波技术可望能给雪盖制图带来较大进展 , 航天被动微波资料可以提供数年 , 已经 发展起来的数字化方法能

20、使全球和地区尺度的雪盖制图自动 、 快速和一致 . 为了改进积 雪面积范围和水当量制图的数学方法还需要进一步的研究 。 被动微波传感器的最大缺点 是空间分辨率有限 , 在今后十年中最佳分辨率约1 5公里左右 , 不会有明显进展 。 一个全 业务性的被动微波系统即高级微波探测仪(2 4 通道微波辐射计)计划在9 0年代N O AA 的下一代卫星上携带 . 设计这一系统用于大气探测 , 但对雪图制作也是有用的 . 合成孔径雷达(SAR)提供的分辨率要好得多 , 但对温雪的制图能力有限 。 未来 十年中 , 窄刘幅 , 具有几十米空间分辨率的数个合成孔径雷达系统将被发射 , 对大范围 应用而言 ,

21、宽刘幅低分辨率合成孔径雷达或散射仪系统有利于弥补被动传感器在提供湿 雪盖资料方面的欠缺 。 微波具有经常地 、 有规律地提供全球和区域性雪盖各种参数的独特能力会促进未来 传感器的进一步发展和更多的基础研究的进行 , 1 989年 第 念期 遥感技术动态总第1 2期 用雨云 一7 号卫星SMMR图像确定阿拉斯 加积雪分布范围和雪深分布 美国) D O R OT H YK . HALL等 摘要 19 82年 1 0 月至198 3年5月多通道微波扫描 辐射计(SMMR)图像显示了阿拉斯加。 . 5纬 度 xo . 5经度 格网内的积雪特征 , 积 雪特征是以SMMR资料计算雪深的方法确定的 。 为了 制作湘半球的雪深图 , 假设雪盖 是均匀理 想的雪盖 , 拉径 为o . 3 5mm , 密度为3 0 okg / m “. 结果 , 我们观侧 到了大尺度范 围雪的积累和融化现象 。1 1 月中句 , 在北阿拉斯 加大部分地 区由SMMR 资抖算得的雪深比实测值大(大 约分别为2 4 c m 、 13Cm ) , 这可能是由于雪 盖底部深霜晶 体(大至I C m )引起宽度温度降低 所致 。 尽管阿拉斯 加中部有茂密的森 林 , 但在费尔班克斯2月中旬实测的雪深(58 Cm )和SM MR资料