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1、南阳师范学院 20XX 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：班级：学制：专业：地理信息系统指导教师：完成日期：目录摘要0引言1AMSR-E介绍及应用2AMSR-E微波遥感数据反演地表温度反演原理反演方法像元亮温计算(3)建立反演模型3地表温度反演模型数据处理地震原因4地震前遥感信息异常产生的机理5结语(8)参考文献AbstractAMSR-E 微波雷达数据处理及其应用摘要：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
2、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
3、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
4、比分析。1 AMSR-E 介绍及应用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。中心频率AB空间分辨率50km25km15km5 km波段宽度350MHz100MHz200MHz
5、400MHz1000MHz3000MHz极化方式垂直和水平入射角55o交叉极化小于20dB扫描宽度1 445km检测范围精度IK敏感度量化位数12 bit10 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
6、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(An tecedent Precipi tat ion 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
7、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610GHz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23之间。2 AMSR-E 微波遥感数据反演地表温度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
8、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。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，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
9、复介电常数，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，大气中的水汽对也有一定的影响。对于频率相对较高的 37GHz
10、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。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TbT二scale X SI +offset()b该式中，T为波段亮温；scale,offset为比例系数，它们的值b是一个常数，分别为和，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，
11、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： T=A+AT()s 03 89V式中A A是系数；T是地表温度;、T和T分别是AMSR-E的亮 03s6H 89V度温度。该算法也可以表示为：T=A+A()+AT()s 023 89V方程式中，是主要反演的地表温度反演通道，用来消除地表水分对微 波的极化影响、T用来消除大气的平均影响。89V3 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，
12、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。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。输入AMSR-E数据HDF格式文件选择数据集V建立GLT文件几何校正图1 AMSR-E数据处理流程图地震分析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
13、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10001100，北纬250350,100*100区域范围。2008-05-02夜晚 2008-05-04白天2008-05-06白天 2008-05-08白天半氏直2008-05-10白天S-3$t車弧华氏度2008-05-12白天图2 汶川地区微波遥感地表温度图玉树地处青
14、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9001000，北纬 280380,100*100区域范围。2010-04-02白天2S0-2K辜BUT2010-04-04白天iHO-aii2010-04-13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
15、自己的观点对异常机理进行解 释，主要有：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CO、CH等气体从裂隙释放出地表或水面，构成温室效应并在太阳24 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N、CO等气体获得能量，产生能级跃迁,22 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
