基于亞馬遜熱帶雨林的微波輻射計定標基準分析

錢承君，李銅基，黃驍麒

（國家海洋技術中心，天津 300112）

星載微波輻射計的工作波長一般在1.5 ～300 mm之間，頻率在1～200 GHz 之間。相對光學遙感器，星載微波輻射計的波長較長，除了降雨形式的液態水會對其觀測產生影響之外，大氣分子、氣溶膠、霧霾（干霧）、塵埃或云層中微小水粒不會影響其觀測，因此微波輻射計為有效的全天候遙感器[1]。星載微波輻射計獲取的亮溫數據，可以用來反演海溫、水汽、海表面風速等地球物理參數，影響著全球環境數值預報系統、全球氣候變化監測以及海洋學其他的相關研究[2-3]。星載微波輻射計的定標精度對定量化遙感產品的應用有著至關重要的意義。

以往的研究表明，亞馬遜熱帶雨林作為地球表面最大的平坦區域之一，其覆蓋區域大，溫度變化趨勢以及輻射率穩定，適合于作為定標場進行星載微波輻射計的外定標[4]。Shimada M 等[5]曾利用亞馬遜熱帶雨林數據對Palsar（Ⅱ）進行了定標和檢驗。Mo T[6-7]利用AMSU-A 和AMSU-B 觀測得到的亞馬遜熱帶雨林的亮溫數據，證明了亞馬遜熱帶雨林可用于微波輻射計定標。Brown S T 等[8]建立了以亞馬遜熱帶雨林為熱定標源的定標模型。Li 等[9]以亞馬遜熱帶雨林為高亮溫地面觀測目標，進行星載輻射計交叉定標。

雖然亞馬遜熱帶雨林是理想的外定標場，但由于近些年亞馬遜熱帶雨林受人為影響破壞嚴重，亞馬遜熱帶雨林的植被覆蓋率降低，導致適合于進行微波輻射計定標的區域不斷改變。本文重新分析了近些年亞馬遜熱帶雨林植被覆蓋情況，并重新選取了適合于進行星載微波輻射計外定標的目標區域。在此基礎上以AMSR2 L1R 亮溫數據為基準，分析了2015-2017 年目標區域的月平均亮溫變化趨勢以及日平均亮溫變化趨勢，總結變化規律，提出了以目標區域為定標場的微波輻射計定標基準。

1 數據源

1.1 AMSR2 L1R亮溫數據

本文以日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）發布的AMSR2 L1R 亮溫數據作為基準，進行了亞馬遜熱帶雨林目標場區的定標基準分析。AMSR2 搭載于2012 年7 月4 日成功發射的極軌衛星GCOMW1 上，其天線尺寸為2 m，刈幅寬度為1 450 km，升交點地方時為1:30 PM，降交點地方時為1:30 AM，回訪周期為16 d[10-11]。它采用圓錐式掃描方式，工作頻 率 為6.93 GHz，7.3 GHz，10.65 GHz，18.7 GHz，23.8 GHz，36.5 GHz，89.0 GHz，所有頻率均對垂直極化和水平極化進行測量。表1 列出了AMSR2 各通道的詳細參數。

表1 AMSR2 通道特征

JAXA 針對AMSR2 發布了2 種亮溫數據，L1B亮溫數據和L1R 亮溫數據[12]。L1R 數據是L1B 數據經過重采樣和質量控制的數據產品，分辨率更高，數據質量更好。L1R 數據中包含不同空間分辨率的數據產品，為了簡化起見，本文選擇L1R 數據集中與6.93 GHz 分辨率匹配并儲存的6.93 GHz，10.65 GHz，18.7 GHz，23.8 GHz，36.5 GHz 通道（含水平極化與垂直極化）數據集進行數據質量分析。

為了確保AMSR2 L1R 亮溫數據的數據精度，在南太平洋海區（135°W～120°W，15°S～0°）范圍內，以微波輻射傳輸模型（RTM）模擬亮溫為參考值[13]，對2015-2017 年3 a AMSR2 L1R 亮溫數據進行質量分析。圖1 顯示了各個通道升軌和降軌的剩余偏差以及標準差隨日期變化的情況。由圖可見，標準差的范圍在0.270～1.694 K 之間，相比于同類遙感器[14]，標準差較小，穩定性好；模擬亮溫與AMSR2 L1R 亮溫各個通道升軌與降軌的偏差和標準差隨周期變化的趨勢基本相同，晝夜變化對衛星數據影響較小；各個通道的偏差波動范圍小，均在±0.5 K 以內，誤差趨勢穩定，可以用于分析亞馬遜熱帶雨林目標場區的定標基準。

1.2 MOD13C2 數據

圖1 2015-2017 年AMSR2 L1R 亮溫數據與模擬亮溫數據偏差時序圖

美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）發布的三級數據產品MOD13C2 數據，是由搭載于terra 衛星的中分辨率成像光譜儀（MODIS）觀測反演得到的。MOD13C2 數據是MOD13A2 的無云空間組合，提供了月平均歸一化植被指數（NDVI）、環境植被指數（EVI）、紅光波段反射率、藍光波段反射率以及近紅外波段反射率[15]。MOD13C2 數據的空間分辨率為0.55 km，其藍色、紅色和近紅外反射率分別以469 nm、645 nm 和858 nm 為中心，用于確認植被指數。本文選 用2013 年1 月1 日 至2017 年12 月31 日 的MOD13C2 數據來進行亞馬遜熱帶雨林微波輻射計定標場的選取與驗證。

圖2 為2013 年1 月1 日-2017 年12 月31 日，位于（3° S～2° N，74° W～69° W）范圍內的MOD13C2NDVI數據圖。

圖2 2013-2017 年NDVI 時序變化曲線

從圖2 中可以發現NDVI在2015 年1 月及2016 年3 月出現異常值，且數據的標準差波動較大，為了進行數據質量控制，基于NDVI的計算公式，在亞馬遜熱帶雨林一定范圍內，以紅光波段反射率以及近紅外波段反射率來推導相應區域的NDVI，驗證該區域NDVI的準確性。

圖3 為MOD13C2NDVI與推導得到的NDVI差值的誤差圖。可以發現，MOD13C2NDVI數據存在異常數據，因此，本文重新基于NDVI計算公式，以近紅外波段反射率和紅光反射率計算相應區域的NDVI值，替換數據差值大于0.01 的NDVI，從而進行數據質量控制。

圖3 2013-2017 年MOD13C2 NDVI 數據偏差時序圖

圖4 為數據質量控制后的NDVI時序圖，從圖中可以發現，數據波動趨于穩定，沒有明顯異常值，標準差波動較小。

圖4 2013-2017 年NDVI 時序變化曲線

2 定標區域選取

歸一化植被指數可以反映植被的覆蓋度，其計算公式為：

式中：NIR為近紅外波段反射率；R為紅光波段反射率。-1≤NDVI≤1，當NDVI為負值時，表示地面覆蓋為云、水、雪等，對可見光反射高；當NDVI為正值時，表示為有植物覆蓋，當NDVI≥0.55 時表示植被覆蓋茂盛。

亞馬遜熱帶雨林區域植被分布密集，覆蓋范圍廣，圖5 為2017 年1 月亞馬遜熱帶雨林區域的月平均NDVI分布圖。

圖5 亞馬遜熱帶雨林NDVI 分布圖

從圖中可以看出，亞馬遜熱帶雨林NDVI較高，植被覆蓋密集，尤其位于亞馬遜河兩岸的區域，植被覆蓋率更高。考慮到星載輻射計的天線波束寬度、掃描幾何等因素，需要定標區域足夠大。因此本文以5°× 5°為網格，選取NDVI最小值大于0.5 且平均值大于0.8 的區域作為定標場區。根據上述條件，選取3° S～2° N，74° W～69° W 之間區域作為定標場區，圖5 中藍框所標記的區域即為選定區域。圖6 顯示了該區域2012 年1 月-2017 年12 月的NDVI均值的變化趨勢。

圖6 2013-2017 年NDVI 時序變化曲線

由圖6 可以看出，該區域5 a 內的NDVI均值均大于0.8，且標準差均小于0.05，植被覆蓋密集，不存在河流以及大面積裸露土壤的干擾，存在一定的季節變化趨勢，但最低不低于0.8，季節變化趨勢不會產生大量裸露土壤，不會對微波輻射計的定標產生較大影響。可能受到厄爾尼諾事件的影響，相較與其他年份，該區域2015-2016 年的NDVI變化趨勢有些許不同，其2015 年后半年的NDVI相較其他年份增速較快，且后半年NDVI偏高，2016 上半年其NDVI 降幅較大。

3 亮溫基準分析

在確定了定標場的基礎上，對2015-2017 年3 a的AMSR2 L1R 亮溫數據進行了時間序列分析。本文首先分析了目標場區內2015-2017 年3 a 的月平均亮溫變化趨勢，考慮到AMSR2 升降軌過境目標場區的時間不同，升軌過境該場區的時間約為UTC時間18：00 左右，降軌過境該場區的時間約為UTC時間6：00 左右，因此本文將分升降軌進行討論。圖7～圖8 分別顯示了在目標場區內2015-2017 年3 a的升軌和降軌月平均變化趨勢。

圖7 2015-2017 年升軌月平均亮溫時序變化曲線

從圖7 中可以看出，在目標區域內，除了在2015 年底以及2016 年年初出現異常值外，在AMSR2 升軌過境期間，其余時間各個頻率以及極化方式的亮溫變化趨勢基本相同，亮溫變化呈現出一定的變化規律：在每年的6-7 月，亮溫值達到最低；在11-12 月，亮溫值達到最高；12 月-轉年1 月期間，亮溫值會出現明顯的降低并回升的過程；在1-6 月期間亮溫值波動下降；7-11 月期間亮溫值波動上升。考慮到觀測亮溫值與物體表面的實際溫度呈正比關系[1]，因此該趨勢與亞馬遜熱帶雨林全年溫度變化趨勢相似。其頻率變化以及極化方式的變化，對變化趨勢影響較小。2015 年與2016 年年初的亮溫值異常可能與2015 年發生的超強厄爾尼諾事件有關[16]，厄爾尼諾事件導致東太平洋東部的熱帶海洋的海水溫度異常變暖，使南美太平洋沿岸的降水增多，因而對目標區域的氣候造成一定影響，致使所選區域的亮溫值在厄爾尼諾事件發生時產生異常，導致亮溫變化趨勢不同于正常的年份。

圖8 2015-2017 年降軌月平均亮溫時序變化曲線

降軌過境目標區域的時間為UTC 時間6：00 左右，從圖8 中看出2015 年底與2016 年年初亮溫值的出現異常升高。相較升軌過境期間，降軌過境期間的總體亮溫變化趨勢大致相同，極化方式對趨勢影響較小，但亮溫值偏低，頻率變化對趨勢的變化更明顯。6.93 GHz，10.65 GHz，18.7 GHz 3 個頻率的變化趨勢基本相同，隨著頻率的增加，在23.8 GHz和36.5 GHz，月變化大體呈相同趨勢，但相較較低頻率，出現較為明顯的波動。

圖9 為2015-2017 年NDVI的月平均變化時序圖。雖然所選區域為植被致密覆蓋區域，但考慮到植被覆蓋率的不同也許會影響觀測亮溫，進一步分析了NDVI的月平均變化趨勢與觀測亮溫變化趨勢的異同。從圖8 中可以看出，各年的NDVI均在年末較大，在3-5 月較低，且NDVI值出現極小或極大值的月份，對應到觀測亮溫并沒有出現特殊值，因此，在植被致密覆蓋的情況下，NDVI值在0.05 范圍內波動時，對觀測亮溫的影響較小。

圖9 2015-2017 年月平均NDVI 時序變化曲線

為了對選定區域的定標基準進行更為準確的分析，考慮到AMSR2 3 d 可以實現地球的99%覆蓋，以3 d 為基準，分升降軌對該區域的亮溫值進行了日亮溫變化趨勢分析。圖10～圖11 分別顯示了在選定的定標場區內2015-2017 年3 a 的升軌和降軌日平均變化趨勢。

圖10 2015-2017 年升軌日平均亮溫時序變化曲線

圖11 2015-2017 年降軌日平均亮溫時序變化曲線

日變化趨勢可以更為直觀地顯示出月內的亮溫具體變化規律以及更為細致地展示全年的亮溫變化趨勢。研究發現在選定區域內，相較于升軌期間的亮溫值，降軌期間的亮溫值更為集中且相對更低。排除降雨等天氣因素可能產生的影響，月內的變化趨勢大致相似。整體上可以發現，亮溫變化趨勢為：在11-12 月期間達到峰值，6 月-7 月期間到達低谷，中間月份分別呈波動上升和波動下降的趨勢。總體而言，除了可能由于降雨影響導致數據異常之外，整體上3 a 的日變化趨勢，與月平均變化趨勢基本一致，同時也更直觀地發現亮溫的具體波動情況。

綜上所述，選取范圍在3° S～2° N，74° W～69° W之間區域作為定標場區后，通過對比在該定標場區內AMSR2 3 a 的L1R 亮溫數據，可以給出微波輻射計在該場區內的基本定標趨勢。即，在非厄爾尼諾年，亮溫值應在11-12 月達到最大值，在12-6 月期間波動下降，在6-7 月期間達到最低，在7-11 月期間波動上升。在厄爾尼諾事件期間，亮溫值會出現異常值。微波輻射計的觀測亮溫值，在該定標區域內，不滿足上述趨勢，則數據會有明顯的誤差。

4 總結與討論

本文首先以MOD13C2 的NDVI數據為基準，在整個亞馬熱帶遜雨林區域選出了在2013-2017 年期間NDVI月平均值大于0.8，最小值大于0.5 的植被覆蓋密集區域，將（3° S～2° N，74° W～69° W）作為定標場區。

在驗證了AMSR2 L1R 亮溫數據的穩定性的基礎上，以AMSR2 L1R 亮溫數據為基準，分析了在目標區域內2015-2017 年3 a 的月平均亮溫變化趨勢以及3 d 日平均亮溫變化趨勢。從趨勢中可以發現，在非厄爾尼諾事件期間，選定區域的亮溫值在定標場區內，在1-6 月期間亮溫值波動下降，在6-7 月期間亮溫值達到最低，在7-11 月期間亮溫值波動上升，在11-12 月期間亮溫值達到最高。此規律可以作為微波輻射計在目標區域非厄爾尼諾事件期間的定標基準。在厄爾尼諾事件期間，2015 年年底以及2016 年年初出現亮溫值的異常升高，該現象可作為微波輻射計在目標區域定標的參考。