柯寶貴，章傳銀，常曉濤，張利明

1.中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院，北京100830；2.國(guó)家測(cè)繪地理信息局衛(wèi)星測(cè)繪應(yīng)用中心，北京100830

1 引 言

雷達(dá)測(cè)高技術(shù)利用主動(dòng)遙感設(shè)備測(cè)量地物的散射系數(shù)，為水利、農(nóng)業(yè)、牧業(yè)、海洋環(huán)境變化研究提供了便利。隨著雷達(dá)測(cè)高技術(shù)對(duì)陸地、海冰探測(cè)研究的深入發(fā)展，陸地衛(wèi)星測(cè)高技術(shù)業(yè)已成為大地測(cè)量、全球變化、地球物理、水利、農(nóng)業(yè)、牧業(yè)等學(xué)科方向發(fā)展的重要推動(dòng)力［1－4］。雷達(dá)測(cè)得地物的后向散射系數(shù)與地物的幾何特征參數(shù)（地面的高度起伏方差、地面的相關(guān)長(zhǎng)度、自相關(guān)函數(shù)、地面高度的統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律）、地面的電磁特征參數(shù)（如地面土壤的復(fù)介電常數(shù)、土壤的濕度）、系統(tǒng)的參數(shù)（如系統(tǒng)的工作頻率、發(fā)射和接收天線的極化、入射角）、地面的物理溫度等幾類參數(shù)密切相關(guān)。

文獻(xiàn)［5］首次利用海洋衛(wèi)星上的散射計(jì)（SASS）數(shù)據(jù)研究了亞馬遜雨林雷達(dá)后向散射系數(shù)的分布，展示了散射計(jì)數(shù)據(jù)陸地應(yīng)用研究的能力。文獻(xiàn)［6—7］利用海洋衛(wèi)星上的散射計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)全球地表覆蓋進(jìn)行了初步研究，進(jìn)一步證實(shí)了散射計(jì)數(shù)據(jù)在全球陸地應(yīng)用中的潛力。文獻(xiàn)［8］根據(jù)地面起伏導(dǎo)致雷達(dá)波入射角的改變，估測(cè)了森林生物量。文獻(xiàn)［9］將其應(yīng)用于海上溢油檢測(cè)。文獻(xiàn)［10—11］成功地應(yīng)用了多個(gè)雷達(dá)數(shù)據(jù)源對(duì)南方水稻進(jìn)行分類和長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)，雷達(dá)遙感數(shù)據(jù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用找到了有效方法和途徑。文獻(xiàn)［12］利用Envisat的后向散射系數(shù)對(duì)極區(qū)海冰分布特征進(jìn)行了深入分析，后向散射系數(shù)還是研究氣溶膠分布狀況［13］、反演水體成分［14－15］、提取地物特征的重要參數(shù)［16］。

利用雷達(dá)測(cè)高計(jì)觀測(cè)的后向散射系數(shù)，可以識(shí)別全球或區(qū)域性的主要陸地類型，如山地、沙漠、熱帶雨林、濕地、干季和雨季的熱帶叢林、冰蓋等。因?yàn)殛懙刂脖坏募竟?jié)性變化，后向散射系數(shù)也有相應(yīng)的季節(jié)性變化，因此可利用衛(wèi)星高度計(jì)觀測(cè)的后向散射系數(shù)探測(cè)全球或區(qū)域性的陸地表面變化和環(huán)境變遷。文獻(xiàn)［17］利用12年的T/P雙頻高度計(jì)觀測(cè)的后向散射系數(shù)，對(duì)我國(guó)濕地、沙漠和平原等區(qū)域的后向散射系數(shù)時(shí)間序列分布進(jìn)行分析。

本文首次聯(lián)合T/P與Envisat衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)，在中國(guó)大陸進(jìn)行地表覆蓋變化分析，提取T/P與Envisat 2002年5月至2005年5月期間的后向散射系數(shù)，T/P高度計(jì)中提取 MGDR－B（merged geophysical data record）Ku波段的數(shù)據(jù)，Envisat中提取OPR數(shù)據(jù)中Ku波段的數(shù)據(jù)，進(jìn)而對(duì)其采用連續(xù)張力曲線樣條的方法進(jìn)行格網(wǎng)化，得到格網(wǎng)數(shù)據(jù)的時(shí)間序列。比較分析了T/P與Envisat后向散射系數(shù)統(tǒng)計(jì)差異，在此基礎(chǔ)上討論了我國(guó)陸地覆蓋的空間分布特征，定性地研究了內(nèi)蒙古高原、華北平原、東北平原、青藏高原、云貴高原、黃土高原、長(zhǎng)江中下游平原的后向散射系數(shù)的成因機(jī)制。

2 T/P與Envisat后向散射系數(shù)

2.1 后向散射系數(shù)

后向散射系數(shù)是雷達(dá)高度計(jì)的一類觀測(cè)量，由回波的波形振幅得到。根據(jù)高度計(jì)測(cè)量的雷達(dá)方程［18］，可以得到后向散射系數(shù)的計(jì)算方程

式中，σ0為標(biāo)準(zhǔn)化的雷達(dá)散射截面，也稱后向散射系數(shù)（單位為dB）；tλ表示波長(zhǎng)為λ的電磁波大氣透射比；G0表示天線中軸方向增益；Aef表示有效足跡面積；Pt表示雷達(dá)高度計(jì)的發(fā)射能量；Pr表示雷達(dá)高度計(jì)的接受能量。式（1）中右邊參數(shù)是雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)（如G0、λ、Pt）或者大氣傳播介質(zhì)的物理參數(shù)（如R、tλ），均可量測(cè)，因此反射表面的后向散射系數(shù)σ0可由雷達(dá)高度計(jì)探測(cè)?？梢姾笙蛏⑸湎禂?shù)與地物的幾何特征參數(shù)（地面的高度起伏方差、地面的相關(guān)長(zhǎng)度、自相關(guān)函數(shù)、地面高度的統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律）、地面的電磁特征參數(shù)（如地面土壤的復(fù)介電常數(shù)、土壤的濕度）、系統(tǒng)的參數(shù)（如系統(tǒng)的工作頻率、發(fā)射和接收天線的極化、入射角）、地面的物理溫度等幾類參數(shù)密切相關(guān)，這為基于后向散射系數(shù)分析陸地覆蓋的變化提供了理論依據(jù)。

2.2 T/P數(shù)據(jù)與Envisat數(shù)據(jù)

文中選用2002年5月至2005年5月期間的T/P與Envisat相同波段的后向散射系數(shù)進(jìn)行分析。在此期間，兩個(gè)高度計(jì)同時(shí)對(duì)中國(guó)境內(nèi)大陸進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)。T/P軌跡間距約為315km，Envisat軌跡間距約為80km。聯(lián)合T/P與Envisat兩種高度計(jì)數(shù)據(jù)，可解決T/P數(shù)據(jù)的空間分辨率不足，Envisat數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率不足的問(wèn)題，從而為陸地覆蓋變化分析提供更為客觀的研究結(jié)果。

3 數(shù)據(jù)分析

文中采用了3年（2002年5月至2005年5月）的T/P與Envisat對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)，此期間兩衛(wèi)星數(shù)據(jù)同時(shí)存在。其中T/P采用的是MGDR－B數(shù)據(jù)，Envisat采用的是 OPR（ocean products）數(shù)據(jù)。為了便于比較分析，在數(shù)據(jù)重合期間內(nèi)主要考慮Ku波段的后向散射系數(shù)。

根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)，T/P在中國(guó)大陸后向散射系數(shù)分布均勻，但數(shù)據(jù)空間分辨率明顯比Envisat數(shù)據(jù)低得多。Envisat在中國(guó)大陸后向散射系數(shù)在西昆侖山、阿爾金山、祁連山、秦嶺、太行山、東北平原到大興安嶺西緣以西、以北為界的中國(guó)陸地二級(jí)階梯地區(qū)，數(shù)據(jù)覆蓋稀少，甚至是缺失，可能與這些地區(qū)的地形起伏劇烈有密切關(guān)系［19］。

因Envisat與T/P在中國(guó)大陸的數(shù)據(jù)分布不均勻，文章在比較分析了現(xiàn)有的多種內(nèi)插格網(wǎng)化方法后，選用連續(xù)曲率張力樣條方法對(duì)上述兩類數(shù)據(jù)進(jìn)行格網(wǎng)化，很好地解決了數(shù)據(jù)稀疏區(qū)容易出現(xiàn)極值以及對(duì)數(shù)據(jù)密集區(qū)進(jìn)行格網(wǎng)化時(shí)所造成不平滑的問(wèn)題［20］。

3.1 T/P與Envisat后向散射系數(shù)在中國(guó)大陸統(tǒng)計(jì)差異

利用T/P與Envisat兩高度計(jì)的后向散射系數(shù)分析陸地覆蓋變化，確定兩者數(shù)據(jù)是否有系統(tǒng)偏差是對(duì)陸地覆蓋變化進(jìn)行準(zhǔn)確定性分析的關(guān)鍵。文中首先分別對(duì)T/P與Envisat的3年觀測(cè)數(shù)據(jù)取得平均值，以保證消除了后向散射系數(shù)中的周年、季度與月份等氣候因素的影響；其次基于連續(xù)曲率張力樣條方法對(duì)兩者平均值進(jìn)行格網(wǎng)化；再次提取東北三省、青藏高原、西北區(qū)域、新疆、華中地區(qū)、華南地區(qū)、華東地區(qū)、四川盆地等區(qū)域的后向散射系數(shù)，并將T/P與Envisat結(jié)果相減，求得差值；最后對(duì)差值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，詳見表1。

表1 各區(qū)域三年平均值的差別Tab.1 Statics of the difference between T/P and Envisat three year average backscattering coefficient in difference region of China dB

從表1中的平均值來(lái)看，在新疆地區(qū)，兩高度計(jì)后向散射系數(shù)沒(méi)有明顯差別。在青藏高原、西北區(qū)域以及四川盆地地形起伏變化大有關(guān)，其后向散射系數(shù)均值變化區(qū)間為－3～－1dB。華中地區(qū)與華南地區(qū)因水系發(fā)達(dá)、常年植被豐富，而導(dǎo)致對(duì)雷達(dá)信息漫射較強(qiáng)，兩者的差值在－4～－3dB之間變化。東北三省、華東地區(qū)多為平原，對(duì)雷達(dá)信號(hào)反射較為強(qiáng)烈，兩者差別比較明顯，變化區(qū)間為－5～－4dB。后向散射系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差在各區(qū)域變化不明顯，反映了T/P與Envisat的監(jiān)測(cè)陸地覆蓋的能力相當(dāng)。

3.2 后向散射系數(shù)空間分布特征分析

在天山山脈、準(zhǔn)噶爾盆地后向散射系數(shù)趨于相同，但T/P的數(shù)據(jù)能明顯地區(qū)分出兩個(gè)地域的界限，而Envisat數(shù)據(jù)的界線則非常模糊。另外在Envisat對(duì)柴達(dá)木盆地顯示的后向散射系數(shù)較低。在西北干旱區(qū)內(nèi)，荒漠草原（介于沙漠和草原的過(guò)渡范圍）是其主要的植被特征，該范圍內(nèi)的后向散射系數(shù)在0～10dB范圍內(nèi)變化。而在塔里木、蒙古高原和準(zhǔn)噶爾等沙漠后向散射系數(shù)則接近于0dB。由于植被、農(nóng)作物覆蓋范圍廣、水系發(fā)達(dá)、年平均降水量充足等因素的影響，在中國(guó)陸地三級(jí)階梯地區(qū)后向散射系數(shù)明顯升高。

四川盆地土壤質(zhì)地適中，有較好的透水、通氣性，盆地大部分區(qū)域類似于溫帶海洋性氣候，見圖1。川西北高原地勢(shì)由西向東傾斜，主要是丘狀高原和高平原，該地區(qū)對(duì)雷達(dá)信號(hào)吸收較強(qiáng)，后向散射系數(shù)大約為－4～5dB，反映出森林土、草甸土的空間分布。在川西南山地區(qū)，后向散射系數(shù)約在5～10dB之間，反映出有偏干性常綠闊葉林以及落葉闊葉林的分布特征［21］。四川盆地邊緣多山，盆地內(nèi)各河流均由邊緣山地匯聚于盆地底部的長(zhǎng)江干流，形成向心狀水系。該區(qū)域后向散射系數(shù)約為15～25dB，反映出邊緣山地從下而上是常綠闊葉林、常綠闊葉與落葉闊葉混交林，寒溫帶山地針葉林，局部有亞高山灌叢草甸等地表覆蓋。其后向散射系數(shù)明顯比川西南、川西北地區(qū)要高，從圖1中可以看出四川東部地區(qū)植被狀況覆蓋良好。

新疆的“三山夾兩盆”的地形格局決定了其地表覆蓋特征，同時(shí)也決定了后向散射系數(shù)的空間分布，見圖2。天山山脈的走向在14～26dB的后向散射系數(shù)下表現(xiàn)明顯，同時(shí)也勾勒出了北部的準(zhǔn)噶爾盆地與南部的塔里木盆地。準(zhǔn)噶爾盆地西部有高達(dá)2000m的山嶺，冬季氣候寒冷，雨雪豐富，其后向散射系數(shù)明顯比盆地內(nèi)部要高。因T/P觀測(cè)數(shù)據(jù)空間分辨率低，其給出的后向散射系數(shù)分布特征是串珠狀的，不如Envisat給出的連續(xù)。

華東地區(qū)（也稱華北平原與長(zhǎng)江中下游平原）包括兩湖平原、鄱陽(yáng)平原、皖中平原和長(zhǎng)江三角洲，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，淮河以北為溫帶季風(fēng)氣候，雨量集中于夏季，冬季北部常有大雪，河汊縱橫交錯(cuò)，湖蕩星羅棋布，水系發(fā)達(dá)，見圖3。水位的交替變化，影響了濕地植被的生長(zhǎng)條件，進(jìn)而影響生物植被量的變化。從圖3中可以看出，山東地貌類型多樣，中部突起，魯中南為山地丘陵區(qū)；東部半島大都是起伏和緩的波狀丘陵區(qū)；西部、北部是黃河沖積而成的魯西北平原區(qū)。安徽淮北平原、江淮丘陵地區(qū)、皖西大別山區(qū)與皖南山區(qū)等區(qū)域分界線很清晰，反映出各個(gè)區(qū)域的植被覆蓋也明顯不同［22］。江蘇地處江淮平原，地形以平原為主，地跨南溫帶、北亞熱帶、中亞熱帶3個(gè)生物氣候帶，其典型地帶植被類型為落葉闊葉林、落葉常綠闊葉混交林和常綠闊葉林［23］。浙江省地勢(shì)總體由西南向東北傾斜，呈階梯狀下降中部為低山丘陵，北部及東部沿海平原地勢(shì)低平的地貌特征也可從圖3看出，同時(shí)也反映出江西及福建境內(nèi)的地表覆蓋特征。

從圖4可以知道，后向散射系數(shù)空間分布特征，在云南、貴州、廣西西部因?yàn)閷?duì)雷達(dá)信號(hào)散射強(qiáng)烈，后向散射系數(shù)在3～9dB之間，而在廣西南部廣東沿海一帶屬平原地區(qū)，其散射系數(shù)在11～19dB之間。從圖4可以看出熱帶雨林、季雨林和南亞熱帶季風(fēng)常綠闊葉林等地帶性植被以及熱帶灌叢、亞熱帶草坡和局部的次生林。這與華中地區(qū)的亞熱帶氣候有明顯的區(qū)別。華中地區(qū)植被覆蓋廣，水陸交通發(fā)達(dá)，地勢(shì)從西向東逐漸降低，如圖5所示，其后向散射系數(shù)呈現(xiàn)出階梯狀的變化。

青藏高原南有喜馬拉雅山脈，北有昆侖山脈和祁連山脈，東為橫斷山脈，西為喀喇昆侖山脈，內(nèi)有唐古拉山脈、念青唐古拉山脈、岡底斯山脈等，也是長(zhǎng)江、黃河、雅魯藏布江、恒河、印度河、怒江、瀾滄江、塔里木河等東亞、東南亞和南亞許多大河的發(fā)源地，如圖6所示。藏東川西高山峽谷——山地針葉林對(duì)雷達(dá)測(cè)高信號(hào)的反射較其他區(qū)域強(qiáng)烈，故后向散射系數(shù)要高，而其他的高寒灌叢草甸、山地灌叢草原、高寒草原、山地草原與針葉林、山地半荒漠與荒漠地區(qū)的后向散射系數(shù)約為－9～－3dB。西北干旱區(qū)是一個(gè)面積廣闊、地理位置特殊、氣候干旱、地形地貌多樣區(qū)域，如圖7所示，從中可以看出荒漠草原，其后向散射系數(shù)的分布范圍為0～10dB，荒漠草原介于沙漠和草原的過(guò)渡范圍，當(dāng)雨水豐沛時(shí)，草原面積擴(kuò)大，而其中的荒漠也不如沙漠干燥，其分布范圍，隨著季節(jié)的更替是變化著的。根據(jù)后向散射系數(shù)的分布特征，東北平原的輪廓一覽無(wú)余，見圖8。松嫩平原、遼河平原以及三江平原后向散射系數(shù)15～20dB。長(zhǎng)白山區(qū)、小興安嶺區(qū)域的闊葉林低散射性質(zhì)，與平原區(qū)的灌叢高值的散射系數(shù)形成對(duì)比，草原草甸區(qū)域?qū)走_(dá)測(cè)高信號(hào)反射則介于上述兩者之間。

3.3 后向散射系數(shù)年際變化分析

Envisat比T/P的數(shù)據(jù)空間分辨率要高，而T/P比Envisat的時(shí)間分辨率要高。T/P對(duì)地觀測(cè)的重復(fù)周期約為10d，在分析時(shí)對(duì)該數(shù)據(jù)每3個(gè)周期進(jìn)行平均后作為月平均觀測(cè)數(shù)據(jù)與Envisat 35d觀測(cè)周期的后向散射系數(shù)進(jìn)行等權(quán)平均，得到融合了兩個(gè)高度計(jì)數(shù)據(jù)的后向散射系數(shù)。以一年內(nèi)的12個(gè)月為單位，分別得到各月時(shí)間序列，進(jìn)而得到各月的平均值，如圖9所示。從融合后數(shù)據(jù)中觀測(cè)到我國(guó)境內(nèi)后向散射系數(shù)每月平均值的空間分布特征變化。隨著季節(jié)的變化，可以看出不同區(qū)域的植被及其水分含量也會(huì)隨著季節(jié)的變化而變化。圖9反映出了西北干旱地區(qū)、昆侖山脈以南、遼河平原、魯中地區(qū)、華南地區(qū)也隨著季節(jié)的變化有著明顯的變化。在黑龍江、吉林、遼寧等區(qū)域大部分森林在3月至5月開始生長(zhǎng)，東北平原的耕地植被發(fā)生變化也集中在5月。在一年中的9月至10月大部分樹木開始停止生長(zhǎng)，耕地上的的綠葉植被也基本上在8月至9月停止生長(zhǎng)。后向散射系數(shù)也隨著植被的變化而變化。同樣，華北平原與長(zhǎng)江中下游平原隨著季節(jié)降水量的變化，其后向散射系數(shù)也相應(yīng)發(fā)生變化。

4 結(jié) 論

文中聯(lián)合T/P與Envisat衛(wèi)星的高度計(jì)數(shù)據(jù)，兩者之間沒(méi)有明顯的系統(tǒng)偏差，為融合兩者的后向散射系數(shù)奠定了基礎(chǔ)。采用連續(xù)張力曲線樣條格網(wǎng)化方法，有效地解決了數(shù)據(jù)稀疏區(qū)容易出現(xiàn)極值以及對(duì)數(shù)據(jù)密集區(qū)進(jìn)行格網(wǎng)化時(shí)不平滑的問(wèn)題，得到融合后的后向散射系數(shù)。基于此，定性地分析了東北三省、青藏高原、西北區(qū)域、新疆、華中地區(qū)、華南地區(qū)、華東地區(qū)、四川盆地等區(qū)域地貌類型以及地表植被覆蓋類別，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)后向散射系數(shù)隨著氣候環(huán)境、季節(jié)、水系分布以及現(xiàn)有地表覆蓋等因素的變化而變化，其隨時(shí)間演化的規(guī)律性較強(qiáng)，可為地表覆蓋變化的監(jiān)測(cè)提供決策支持。

圖1 四川盆地后向散射系數(shù)Fig.1 Backscattering coefficient of Sichuan basin

圖2 新疆地區(qū)后向散射系數(shù)Fig.2 Backscattering coefficient of Xinjiang

圖3 華北平原與長(zhǎng)江中下游平原后向散射系數(shù)Fig.3 Backscattering coefficient of north China plain and the middle－lower Yangtze plain

圖4 華南地區(qū)后向散射系數(shù)Fig.4 Backscattering coefficient of southern part of China

圖5 華中地區(qū)后向散射系數(shù)Fig.5 Backscattering coefficient of Central China

圖6 青藏高原后向散射系數(shù)Fig.6 Backscattering coefficient of the Tibetan plateau

圖7 西北干旱區(qū)后向散射系數(shù)Fig.7 Backscattering coefficient of arid region of Northwest China

圖8 東北平原后向散射系數(shù)Fig.8 Backscattering coefficient of the Northeast China plain

圖9 Envisat后向散射系數(shù)的周年變化Fig.9 Temporal variation of Envisat backscattering in mainland of China

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