聯合Topex/Poseidon與Envisat高度計數據監測我國大陸地表覆蓋變化

柯寶貴，章傳銀，常曉濤，張利明

1.中國測繪科學研究院，北京100830；2.國家測繪地理信息局衛星測繪應用中心，北京100830

1 引 言

雷達測高技術利用主動遙感設備測量地物的散射系數，為水利、農業、牧業、海洋環境變化研究提供了便利。隨著雷達測高技術對陸地、海冰探測研究的深入發展，陸地衛星測高技術業已成為大地測量、全球變化、地球物理、水利、農業、牧業等學科方向發展的重要推動力［1－4］。雷達測得地物的后向散射系數與地物的幾何特征參數（地面的高度起伏方差、地面的相關長度、自相關函數、地面高度的統計分布規律）、地面的電磁特征參數（如地面土壤的復介電常數、土壤的濕度）、系統的參數（如系統的工作頻率、發射和接收天線的極化、入射角）、地面的物理溫度等幾類參數密切相關。

文獻［5］首次利用海洋衛星上的散射計（SASS）數據研究了亞馬遜雨林雷達后向散射系數的分布，展示了散射計數據陸地應用研究的能力。文獻［6—7］利用海洋衛星上的散射計數據對全球地表覆蓋進行了初步研究，進一步證實了散射計數據在全球陸地應用中的潛力。文獻［8］根據地面起伏導致雷達波入射角的改變，估測了森林生物量。文獻［9］將其應用于海上溢油檢測。文獻［10—11］成功地應用了多個雷達數據源對南方水稻進行分類和長勢監測，雷達遙感數據在農業中的應用找到了有效方法和途徑。文獻［12］利用Envisat的后向散射系數對極區海冰分布特征進行了深入分析，后向散射系數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［16］。

利用雷達測高計觀測的后向散射系數，可以識別全球或區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。因為陸地植被的季節性變化，后向散射系數也有相應的季節性變化，因此可利用衛星高度計觀測的后向散射系數探測全球或區域性的陸地表面變化和環境變遷。文獻［17］利用12年的T/P雙頻高度計觀測的后向散射系數，對我國濕地、沙漠和平原等區域的后向散射系數時間序列分布進行分析。

本文首次聯合T/P與Envisat衛星高度計數據，在中國大陸進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，T/P高度計中提取 MGDR－B（merged geophysical data record）Ku波段的數據，Envisat中提取OPR數據中Ku波段的數據，進而對其采用連續張力曲線樣條的方法進行格網化，得到格網數據的時間序列。比較分析了T/P與Envisat后向散射系數統計差異，在此基礎上討論了我國陸地覆蓋的空間分布特征，定性地研究了內蒙古高原、華北平原、東北平原、青藏高原、云貴高原、黃土高原、長江中下游平原的后向散射系數的成因機制。

2 T/P與Envisat后向散射系數

2.1 后向散射系數

后向散射系數是雷達高度計的一類觀測量，由回波的波形振幅得到。根據高度計測量的雷達方程［18］，可以得到后向散射系數的計算方程

式中，σ0為標準化的雷達散射截面，也稱后向散射系數（單位為dB）；tλ表示波長為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表示雷達高度計的發射能量；Pr表示雷達高度計的接受能量。式（1）中右邊參數是雷達系統參數（如G0、λ、Pt）或者大氣傳播介質的物理參數（如R、tλ），均可量測，因此反射表面的后向散射系數σ0可由雷達高度計探測?？梢姾笙蛏⑸湎禂蹬c地物的幾何特征參數（地面的高度起伏方差、地面的相關長度、自相關函數、地面高度的統計分布規律）、地面的電磁特征參數（如地面土壤的復介電常數、土壤的濕度）、系統的參數（如系統的工作頻率、發射和接收天線的極化、入射角）、地面的物理溫度等幾類參數密切相關，這為基于后向散射系數分析陸地覆蓋的變化提供了理論依據。

2.2 T/P數據與Envisat數據

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進行分析。在此期間，兩個高度計同時對中國境內大陸進行連續觀測。T/P軌跡間距約為315km，Envisat軌跡間距約為80km。聯合T/P與Envisat兩種高度計數據，可解決T/P數據的空間分辨率不足，Envisat數據時間分辨率不足的問題，從而為陸地覆蓋變化分析提供更為客觀的研究結果。

3 數據分析

文中采用了3年（2002年5月至2005年5月）的T/P與Envisat對地觀測數據，此期間兩衛星數據同時存在。其中T/P采用的是MGDR－B數據，Envisat采用的是 OPR（ocean products）數據。為了便于比較分析，在數據重合期間內主要考慮Ku波段的后向散射系數。

根據觀測數據，T/P在中國大陸后向散射系數分布均勻，但數據空間分辨率明顯比Envisat數據低得多。Envisat在中國大陸后向散射系數在西昆侖山、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、以北為界的中國陸地二級階梯地區，數據覆蓋稀少，甚至是缺失，可能與這些地區的地形起伏劇烈有密切關系［19］。

因Envisat與T/P在中國大陸的數據分布不均勻，文章在比較分析了現有的多種內插格網化方法后，選用連續曲率張力樣條方法對上述兩類數據進行格網化，很好地解決了數據稀疏區容易出現極值以及對數據密集區進行格網化時所造成不平滑的問題［20］。

3.1 T/P與Envisat后向散射系數在中國大陸統計差異

利用T/P與Envisat兩高度計的后向散射系數分析陸地覆蓋變化，確定兩者數據是否有系統偏差是對陸地覆蓋變化進行準確定性分析的關鍵。文中首先分別對T/P與Envisat的3年觀測數據取得平均值，以保證消除了后向散射系數中的周年、季度與月份等氣候因素的影響；其次基于連續曲率張力樣條方法對兩者平均值進行格網化；再次提取東北三省、青藏高原、西北區域、新疆、華中地區、華南地區、華東地區、四川盆地等區域的后向散射系數，并將T/P與Envisat結果相減，求得差值；最后對差值進行統計，詳見表1。

表1 各區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中的平均值來看，在新疆地區，兩高度計后向散射系數沒有明顯差別。在青藏高原、西北區域以及四川盆地地形起伏變化大有關，其后向散射系數均值變化區間為－3～－1dB。華中地區與華南地區因水系發達、常年植被豐富，而導致對雷達信息漫射較強，兩者的差值在－4～－3dB之間變化。東北三省、華東地區多為平原，對雷達信號反射較為強烈，兩者差別比較明顯，變化區間為－5～－4dB。后向散射系數標準差在各區域變化不明顯，反映了T/P與Envisat的監測陸地覆蓋的能力相當。

3.2 后向散射系數空間分布特征分析

在天山山脈、準噶爾盆地后向散射系數趨于相同，但T/P的數據能明顯地區分出兩個地域的界限，而Envisat數據的界線則非常模糊。另外在Envisat對柴達木盆地顯示的后向散射系數較低。在西北干旱區內，荒漠草原（介于沙漠和草原的過渡范圍）是其主要的植被特征，該范圍內的后向散射系數在0～10dB范圍內變化。而在塔里木、蒙古高原和準噶爾等沙漠后向散射系數則接近于0dB。由于植被、農作物覆蓋范圍廣、水系發達、年平均降水量充足等因素的影響，在中國陸地三級階梯地區后向散射系數明顯升高。

四川盆地土壤質地適中，有較好的透水、通氣性，盆地大部分區域類似于溫帶海洋性氣候，見圖1。川西北高原地勢由西向東傾斜，主要是丘狀高原和高平原，該地區對雷達信號吸收較強，后向散射系數大約為－4～5dB，反映出森林土、草甸土的空間分布。在川西南山地區，后向散射系數約在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，盆地內各河流均由邊緣山地匯聚于盆地底部的長江干流，形成向心狀水系。該區域后向散射系數約為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。其后向散射系數明顯比川西南、川西北地區要高，從圖1中可以看出四川東部地區植被狀況覆蓋良好。

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

華東地區（也稱華北平原與長江中下游平原）包括兩湖平原、鄱陽平原、皖中平原和長江三角洲，屬亞熱帶季風氣候，淮河以北為溫帶季風氣候，雨量集中于夏季，冬季北部常有大雪，河汊縱橫交錯，湖蕩星羅棋布，水系發達，見圖3。水位的交替變化，影響了濕地植被的生長條件，進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；東部半島大都是起伏和緩的波狀丘陵區；西部、北部是黃河沖積而成的魯西北平原區。安徽淮北平原、江淮丘陵地區、皖西大別山區與皖南山區等區域分界線很清晰，反映出各個區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低平的地貌特征也可從圖3看出，同時也反映出江西及福建境內的地表覆蓋特征。

從圖4可以知道，后向散射系數空間分布特征，在云南、貴州、廣西西部因為對雷達信號散射強烈，后向散射系數在3～9dB之間，而在廣西南部廣東沿海一帶屬平原地區，其散射系數在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。這與華中地區的亞熱帶氣候有明顯的區別。華中地區植被覆蓋廣，水陸交通發達，地勢從西向東逐漸降低，如圖5所示，其后向散射系數呈現出階梯狀的變化。

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，內有唐古拉山脈、念青唐古拉山脈、岡底斯山脈等，也是長江、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源地，如圖6所示。藏東川西高山峽谷——山地針葉林對雷達測高信號的反射較其他區域強烈，故后向散射系數要高，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的后向散射系數約為－9～－3dB。西北干旱區是一個面積廣闊、地理位置特殊、氣候干旱、地形地貌多樣區域，如圖7所示，從中可以看出荒漠草原，其后向散射系數的分布范圍為0～10dB，荒漠草原介于沙漠和草原的過渡范圍，當雨水豐沛時，草原面積擴大，而其中的荒漠也不如沙漠干燥，其分布范圍，隨著季節的更替是變化著的。根據后向散射系數的分布特征，東北平原的輪廓一覽無余，見圖8。松嫩平原、遼河平原以及三江平原后向散射系數15～20dB。長白山區、小興安嶺區域的闊葉林低散射性質，與平原區的灌叢高值的散射系數形成對比，草原草甸區域對雷達測高信號反射則介于上述兩者之間。

3.3 后向散射系數年際變化分析

Envisat比T/P的數據空間分辨率要高，而T/P比Envisat的時間分辨率要高。T/P對地觀測的重復周期約為10d，在分析時對該數據每3個周期進行平均后作為月平均觀測數據與Envisat 35d觀測周期的后向散射系數進行等權平均，得到融合了兩個高度計數據的后向散射系數。以一年內的12個月為單位，分別得到各月時間序列，進而得到各月的平均值，如圖9所示。從融合后數據中觀測到我國境內后向散射系數每月平均值的空間分布特征變化。隨著季節的變化，可以看出不同區域的植被及其水分含量也會隨著季節的變化而變化。圖9反映出了西北干旱地區、昆侖山脈以南、遼河平原、魯中地區、華南地區也隨著季節的變化有著明顯的變化。在黑龍江、吉林、遼寧等區域大部分森林在3月至5月開始生長，東北平原的耕地植被發生變化也集中在5月。在一年中的9月至10月大部分樹木開始停止生長，耕地上的的綠葉植被也基本上在8月至9月停止生長。后向散射系數也隨著植被的變化而變化。同樣，華北平原與長江中下游平原隨著季節降水量的變化，其后向散射系數也相應發生變化。

4 結 論

文中聯合T/P與Envisat衛星的高度計數據，兩者之間沒有明顯的系統偏差，為融合兩者的后向散射系數奠定了基礎。采用連續張力曲線樣條格網化方法，有效地解決了數據稀疏區容易出現極值以及對數據密集區進行格網化時不平滑的問題，得到融合后的后向散射系數?；诖?，定性地分析了東北三省、青藏高原、西北區域、新疆、華中地區、華南地區、華東地區、四川盆地等區域地貌類型以及地表植被覆蓋類別，同時還發現后向散射系數隨著氣候環境、季節、水系分布以及現有地表覆蓋等因素的變化而變化，其隨時間演化的規律性較強，可為地表覆蓋變化的監測提供決策支持。

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

圖2 新疆地區后向散射系數Fig.2 Backscattering coefficient of Xinjiang

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

圖4 華南地區后向散射系數Fig.4 Backscattering coefficient of southern part of China

圖5 華中地區后向散射系數Fig.5 Backscattering coefficient of Central China

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

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

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

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

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