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AMSR-E微波雷达数据处理及其应用.rar

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    AMSR 微波 雷达 数据处理 及其 应用
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    编号:08009210306南阳师范学院 2012 届毕业生毕业论文(设计)题 目:AMSR-E 微波雷达数据处理及其应用完 成 人: 翟 申 班 级: 2008-03 学 制: 4 年 专 业: 地理信息系统 指导教师: 郭广猛 完成日期: 2012-4-5 目 录摘要 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (1)0 引言 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (1)1AMSR-E 介绍及应用 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (1)2AMSR-E 微波遥感数据反演地表温度 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (3)2.1 反演原理∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (3)2.2 反演方法∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (3)2.2.1AMSR-E 像元亮温计算 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (3)2.2.2 建立反演模型 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (4)3 地表温度反演模型 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (4)3.1AMSR-E 数据处理 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (5)3.2 地震原因∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (5)4 地震前遥感信息异常产生的机理 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (7)5 结语 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (8)参考文献 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (9)Abstract ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (9)第 1 页(共 10 页)AMSR-E 微波雷达数据处理及其应用作 者:翟 申指导老师:郭广猛摘要:由于微波具有全天候、穿透性以及不受云的影响,使其在遥感研究全球变化中具有越来越大的优势。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,然后对比不同波段的温度之间的差别。应用不同于以前的卫星红外遥感资料处理方法, 并选用 Aqua 卫星 AMSR-E 遥感亮温资料, 对 2008 年汶川 8.0 级特大地震和 2010 年玉树地震进行了热异常再研究关键词:AMSR-E;不同波段;地表温度;热异常;汶川;玉树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、多时相观测等特点则为获得大尺度范围内的地表温度提供了可能性 [1]。微波遥感是应用电磁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,避免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,比如土壤水分、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,然后对比不同波段的温度之间的差别,与 MODIS 数据的地表温度做对比分析。1 AMSR-E 介绍及应用第 2 页(共 10 页)AMSR 是改进型多频率、双极化的被动微波辐射计,是在 SSM/I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 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 [2]。主要仪器参数如表 1 所示。89.0GHz中心频率 6.925GHz 10.65GHz 18.7GHz 23.8GHz 36.5GHzA B空间分辨率 50km 25km 15km 5km波段宽度 350MHz 100MHz 200MHz 400MHz 1000MHz 3000MHz极化方式 垂直和水平入射角 55° 54.5°交叉极化 小于 20dB扫描宽度 1 445km检测范围 2.7-340K精度 1K敏感度 0.34K 0.7K 0.7K 0.6K 0.7K 1.2K量化位数 12 bit 10 bit表 1 AMSR-E 的主要仪器参数特征AMSR-E 通过测量来自地球表面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较区内,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 [3]。目前 AMSR-E 数据主要用于土壤湿度、表面温度、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,大尺度的土壤水第 3 页(共 10 页)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,由于植被的透过率是辐射传输方程中的一个重要参数,而 6~10GHz 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 2~3°之间。2 AMSR-E 微波遥感数据反演地表温度2.1 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。2.2 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部分表现出较大的复介电常数,第 4 页(共 10 页)因而其比辐射值也就相对较小,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,而水汽含量则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89GHz,由于它们的波长较短,探测地表温度的有效深度较浅,故与MODIS 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 [4]。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 TbTb=scale × SI +offset (2.1)该式中,T b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。2.2.2 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略不计,但是,对于有水存在的陆地表面,水的影响必须校正。则被动微波数据反演地表温度的模型为:Ts=A0+A1T36.5v-A2T6H+A3T89V (2.2)式中 A0~A3是系数;T s是地表温度;T 36.5V、T 6H和 T89V分别是AMSR-E 的亮度温度。该算法也可以表示为:Ts=A0+A1T36.5v+A2(T 36.5v-T6H)+A 3T89V (2.3)方程式 2.3 中,T 36.5v是主要反演的地表温度反演通道,T 36.5v-T6H用来消除地表水分对微波的极化影响;T 89V用来消除大气的平均影响 [5]。第 5 页(共 10 页)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。3.1 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 1。图 1 AMSR-E 数据处理流程图3.2 地震分析输入 AMSR-E 数据 HDF 格式文件选择数据集建立 GLT 文件几何校正亮度温度(或地表温度)反演影像区域裁剪、制图数据输出第 6 页(共 10 页)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 [6]。汶川地区温度详见图 2。汶川地震的遥感图像选取东经 1000~1100,北纬 250~350,100*100区域范围。2008-05-02 夜晚 2008-05-04 白天2008-05-06 白天 2008-05-08 白天2008-05-10 白天 2008-05-12 白天第 7 页(共 10 页)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较多。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900~1000,北纬 280~380,100*100区域范围。2010-04-02 白天 2010-04-04 白天 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:第 8 页(共 10 页)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 CO2、CH 4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表面传播,形成瞬时突变电场,使 N2、CO 2等气体获得能量,产生能级跃迁,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-岩石表面 IRR 强度变化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表面,并在表面重新结合释放能量,产生电磁辐射。6)震前近地表的空气受氡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氡含量增高的现象,即所谓的氡气异常。这些氡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 [7]。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
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