李欣欣，張立新，蔣玲梅

山區(qū)地形對被動微波遙感影響的研究進展

李欣欣1，2，張立新1，2，蔣玲梅1，2

(1.北京師范大學/中國科學院遙感應用研究所遙感科學國家重點實驗室，北京 100875;2.北京師范大學地理學與遙感科學學院，北京 100875)

隨著土壤濕度與海水鹽度衛(wèi)星(SMOS)發(fā)射計劃的順利開展和AMSR－E(Advanced Microwave Scanning Radiometer－Earth Observing System)業(yè)務化運行服務之后，人類用星載微波輻射計監(jiān)測土壤水分是空間技術上的又一次飛躍，但土壤水分的反演精度受到微波輻射計低空間分辨率觀測像元的空間異質性和地形的影響，尤其山區(qū)地形對大尺度被動微波遙感觀測影響顯著，其中包括微波輻射的傳輸路徑受海拔高度的影響，地表發(fā)射特性受地形坡度和坡向的影響，山體間的多次反射和地形的陰影效應也會改變地表的散射特性。目前，數項微波輻射地形效應的模擬研究已在國內外開展，并據此提出了一些簡化的地形校正方法。為了使人們對該領域研究有一概括了解，基于電磁波輻射傳輸的物理機理和地表形態(tài)特征的統(tǒng)計分析，首先探討了地形效應對微波輻射傳輸和地表微波輻射特征以及土壤水分反演算法的影響，然后通過地形在微波輻射研究中的最新進展綜述，提出了目前研究中存在的問題以及進一步的研究方向。

地形效應;被動微波遙感;山區(qū);土壤水分

0 引言

2009年11月歐洲空間局地球探索者系列的第2顆衛(wèi)星——土壤濕度與海水鹽度衛(wèi)星(SMOS)發(fā)射升空，其獨特的被動微波干涉成像技術開啟了衛(wèi)星觀測陸表水分的新紀元。被動微波遙感因其具有觀測范圍廣、全天候全天時、不受天氣變化影響及反演土壤水分的原理明晰易行等優(yōu)勢，在陸表水循環(huán)監(jiān)測技術中占有重要的地位。在被動微波遙感中，電磁波發(fā)射的熱輻射量由亮度溫度來衡量，亮度溫度也稱輻射亮度，而輻射亮度又與絕對溫度(物理溫度)的一次項成正比，所以在微波波段輻射計接收的物體輻射能量可以用亮度溫度來度量和表示。地物的微波輻射特征包括有地物亮度溫度和表面發(fā)射率這兩種物理量。在20～50 km空間分辨率的微波輻射計大尺度觀測下，地表異質性和地形的起伏變化對于土壤水分監(jiān)測有著顯著的影響。山區(qū)地形不僅因其地表形態(tài)特征改變著地表的微波發(fā)射特征，也使得水熱能量在地表再次分配，從而成為山區(qū)空間異質性的重要因素。已有研究表明，由于地形造成的地表輻射能量偏差可達到約15 K［1］，因此像元尺度的地表形態(tài)變化是微波遙感研究中新的技術攻關口。自21世紀以來，國際上關于地形對微波輻射影響的研究不斷突破，我國近年來也逐漸開始關注微波遙感的地形影響［2］。

山區(qū)輻射特征研究始于20世紀60年代，加拿大渥太華大學的Duguay在1993年對山區(qū)地形輻射模型的研究現狀進行了詳細綜述［3］，并討論了地形在太陽短波的下行輻射中的作用，包括地表本地向量和入射向量的關系，以及天空可視因子對地形陰影的表達和山體間一階反射輻射計算，這些都為地形效應的研究奠定了理論基礎;繼而，美國印第安大學的Oliphant等人對Duguay的研究成果開展了進一步的地表特征敏感性分析［4］，結果表明，與地表植被覆蓋和發(fā)射率等特征相比，地形坡度、坡向和高度等特征對于山區(qū)地表輻射傳輸，具有更突出的影響。有關地形效應研究總結可分為以下3個主要方面:第一，以評價地形的影響為核心，來模擬星載微波輻射計觀測山區(qū)地形的亮度溫度，或建立地形特征與輻射計觀測亮溫的統(tǒng)計關系［5］，通過與平坦地表輻射亮溫的比較來計算地形輻射能量的偏差;第二，驗證地形對微波輻射的影響，即應用反演算法或微波指數來計算獲得山區(qū)土壤水分的模擬值，同時對比考慮地形效應前后土壤水分的反演精度;第三，對被動微波輻射特征進行地形校正，校正方法主要分為利用對地形輻射亮溫模擬方程求反來消除地形各因子的影響，以及亟待發(fā)展的基于地表特征統(tǒng)計的參數化地形校正模型。多數學者的研究均以評價地形影響為主，采用量化地形變量因子的方法，利用地形特征與微波輻射特征的物理或幾何關系來模擬地表微波輻射亮度溫度。因此，本文主要介紹地形效應對被動微波遙感的影響和模擬方法，以及現行的地形校正算法。

1 影響微波輻射的地形效應

地球陸表跌宕起伏，姿態(tài)萬千，地表幾何特征是對地形的定量化描述，地表幾何屬性直接作用于電磁波的能量傳輸過程，而且影響表面微波輻射特征?？筛鶕匦蔚闹饕獛缀翁卣鳌乇砀叱?、地形坡度、地形坡向，以及視域天頂角來定義微波輻射的地形效應。

1.1 海拔高度

地表高程在微波輻射傳輸過程中的作用，首先表現在地表長波輻射傳輸路徑上。地表的上行輻射到達輻射計天線的有效亮度溫度TBP［6］(TB表示亮度溫度(Brightness Temperature)，下標P表示微波線性極化方式)為

式中，Tup為地表上行輻射;Ta為大氣溫度;t表示在θ觀測角方向上的大氣透過率。對于一個水平大氣層，大氣透過率t又可以表示為

式中，d為大氣層頂部到地表面的垂直距離;τa為大氣層頂部消光系數，是大氣吸收系數a(z)由大氣層頂部到地表面垂直距離上的積分值。海拔高度z決定著大氣層頂部到地表面的垂直距離，電磁波經大氣層傳輸至輻射計天線的距離因地表高程差異，其傳輸路徑長短也相應發(fā)生變化。

陸地表面溫度TS也隨海拔高度的變化而改變，Pierdicca等人在2010年的研究中，由于考慮了海拔高度對地表溫度的影響［1］，大氣溫度按照6.5 K/km的規(guī)律遞減，因此地表溫度可以表示為海拔高度的函數TS(z)。

1.2 地形坡度與坡向

坡度與坡向是塑造地表形態(tài)和構成陸地傾斜表面的兩大要素，也是描述山區(qū)地形的主要幾何特征量。地形坡度與坡向改變了地表微波輻射發(fā)射特征的原因，首先是由于坡度不同，存在傾斜地表，使得觀測方向發(fā)生改變，即由豎直方向的地表法向量轉換為垂直于斜面的本地法向量，因此衛(wèi)星觀測角在坡度的作用下轉換為斜面本地觀測角，又稱為本地入射角，它與觀測角和坡度的關系為

式中，θL為本地入射角;α為坡度;θ為輻射計觀測角。由于多坡向傾斜地表使微波線性極化面發(fā)生旋轉，致使微波輻射極化方向發(fā)生改變，發(fā)生去極化效應［1］，這種效應可以用極化旋轉角φ描述為

式中，β為傾斜表面的坡向角;φ為輻射計的觀測方向角;(φ－β)為山區(qū)斜面的相對觀測方位。

可通過φ將地表微波發(fā)射率從本地坐標系轉換至全球坐標系，這樣山區(qū)傾斜地表的發(fā)射率EP(下標P代表極化方式，V和H分別表示垂直極化和水平極化)為

坡度除了影響地表發(fā)射特性以外，還反映了山區(qū)地形相互遮擋的陰影效應，由于微波輻射計天線接收的亮溫是輻射計單位視場范圍內所有可視像元的亮溫加權值，因此在輻射計視場內存在被遮擋的地形面元，同時由于可視面元和陰影遮擋面元對天線信號的貢獻不同，因此可將依據觀測面元的投影面積計算的輻射計觀測立體角作為信號貢獻率的權重值，得到的輻射計天線的觀測亮溫［1］為

式中，δ為植被層厚度。

1.3 視域天頂角

地形視域天頂角定義為以山體最高點為輻射源的對周圍地形的輻射入射角，它們的關系式為

式中，θhorizon表示視域天頂角(下角標horizon代

式中，i代表了觀測視場內的N個地形小面元［1］。

Sandells等人在研究中考慮了山區(qū)地形植被覆蓋的影響，提出了植被路徑長度的概念［7］。他認為坡度角的正負不同，會降低或增加輻射傳輸通過植被層的路徑長度。對于雙斜面山，兩個斜面的坡度正負不同，正值坡度(+α)會降低通過植被層的路徑長度L+，負值坡度與之相反。負值坡度的植被路徑長度為L－時，坡度為－α。這里以正值坡度為例，微波輻射在植被層傳輸的路徑為表在山體高點處觀測周圍地形的可見區(qū)域，即水平視域);n為山體輻射點的方向法向量;m為周圍山體表面的法向量。cos θhorizon由山體輻射源點到周圍地形輻射點的水平距離、輻射山體相對于周圍地形的高程差以及山體相對于周圍地形的方向分布等3個要素決定。地形視域天頂角是用于計算復雜地形山體間相互散射輻射的關鍵幾何特征，用于描述相對于較高山體周圍低矮山體接受的輻射來源差異和天空輻射的可見度。對于山區(qū)內的某一點，當輻射入射角大于周圍某一山體的視域天頂角時，該點的入射輻射主要來自于山體的入射輻射，天空輻射被削弱，則該點被山體遮蔽不可見;當入射角小于較高山體的天頂角時，該點的輻射能量源以天空散射為主要部分，則該點可見。

2 模擬微波輻射的地形效應

2.1 地形效應模擬

微波輻射的地形效應模擬一般分為以下兩部分進行:首先考慮地表狀況，建立山區(qū)地形微波輻射傳輸方程。影響山區(qū)微波輻射傳輸過程的因素主要有地形的幾何特征、地表粗糙度及植被覆蓋。山區(qū)地形微波輻射傳輸方程根據地表狀況可分為山區(qū)裸露地表微波輻射傳輸方程和植被覆蓋山區(qū)地表微波輻射傳輸方程兩類。

對于山區(qū)裸土區(qū)，地表有效發(fā)射率是微波輻射的主要特征量，計算地表發(fā)射率的模型主要有Fresnel方程［7，8］、半經驗模型 (WM 模型和 INRA 模型［9］)、物理模型 AIEM［10］。其中 Fresnel方程僅適用于描述平滑地表，只需簡單輸入地表的介電常數和觀測角度即可，WM模型是在Fresnel方程基礎上發(fā)展起來的半經驗模型，對于微波低頻波段計算更為準確，與之相對應的INRA模型則是針對高頻波段的半經驗模型，但兩種半經驗模型應用都有一定的局限性，應根據具體的研究區(qū)調整模型相關參數。物理模型AIEM與前幾種模型相比，雖然更準確地描述了真實地表的發(fā)射率，但它需要地表粗糙度參數的準確輸入，且計算過程復雜，只可分別對小起伏微粗糙地表與大起伏度的粗糙地表發(fā)射率進行計算。由以上模型得到的平坦地表裸土發(fā)射率EP(θ)經過式(3)～(5)再次計算，即得到P極化下受地形影響的裸露地表發(fā)射率 EP(θL，β)，這樣，山區(qū)裸露地表微波輻射傳輸方程可以表示為

式中，z表示隨地表溫度變化的海拔高度;EP(θL，β)表示受地形影響的裸露地表發(fā)射率;TS(z)為根據地表溫度隨海拔高度的變化計算得到的對應溫度。

以零階 ω － τ模型為主［7，8，11］的植被覆蓋山區(qū)微波輻射傳輸方程為

Floresd等人利用基于不規(guī)則網格構建的準物理流域水文模型tRIBS計算了植被覆蓋山區(qū)微波輻射傳輸方程中的土壤水分、地表溫度、植被冠層溫度以及葉面積指數等輸入參數，并完成了植被覆蓋區(qū)的地形效應模擬［8］。Utku和 Le Vine在研究中認為，植被會掩蓋一部分的地形信息，大約有2 K的地形亮溫被植被層屏蔽，即植被層會削弱地形效應的影響［11］。

基于微波輻射傳輸過程，山區(qū)地形效應模擬的第2部分是模擬輻射計天線觀測的地形亮度溫度。輻射計天線觀測的地表微波輻射是天線視場所有地形面元亮溫的加權和，包括受陰影遮蔽的面元，因此模擬天線觀測信號同時也是對微波地形陰影效應的模擬，天線所接收的亮溫值既包括被地形遮蔽的陰影面元，也包括非陰影面元。所謂微波輻射陰影面元是指未被太陽照射的山體陰面以及輻射計受地形遮蔽無法觀測到的面元。解決輻射計天線觀測的地形陰影效應問題，目前有兩種途徑:

一是按照式(6)，采用本地入射角來計算由N個傾斜地表面元構成的視場亮溫加權值［1，6］，然后將觀測到的傾斜地表立體角通過坡度的余弦值計算，轉換為傾斜面元在水平地表的投影面元的立體觀測角，即

式中，D為輻射計到地表的垂直距離;AH為地形面元在水平面上的投影面積。

二是對輻射計觀測影像通過圖像處理的方法［12］，并結合數字高程模型(DEM)將地表劃分為平地、山地、陰影區(qū)域3部分。由于陰影像元的亮溫值被距其最近的最大高程且非陰影像元的亮溫值替代，使得由輻射計觀測的每一個像元都具有在同一水平面上像元的亮度溫度，從而消除了天線觀測的陰影效應。

2.2 地形效應對土壤水分反演的影響與評價

由于像元尺度的山區(qū)地形的存在，致使地表的微波輻射特征發(fā)生了不同程度的改變。地表亮度溫度和地表發(fā)射率在地形的影響下，由于水平極化受地形影響，亮溫值和地表發(fā)射率降低，因此輻射計觀測會高估H極化亮度溫度;垂直極化則與之相反，地表亮溫值較平坦地表升高。周圍山體的輻射會使兩種極化方式下的地表 微波輻射增強［1，8，9，12，13］。1 ～10 GHz頻率輻射計的觀測不受大氣影響［1，11］。由于地形對微波輻射和地表發(fā)射率在不同的觀測條件下具有不同程度的影響，而土壤水分的反演又依賴于地表發(fā)射率的求解，因此地形影響著山區(qū)土壤水分的估算。地形對土壤水分的影響可以總結為以下幾方面:

(1)對于不同觀測波段，如在L波段，Melody等人研究認為地形對土壤水分的影響與土壤水分的異質性、植被異質性以及含水率的不確定性相比影響較小，特別是對于SMOS在50 km空間分辨率內的觀測來說，地形引起的土壤水分反演誤差小于4%。

(2)在不同的觀測角度下，土壤水分受地形的影響也有所不同。在山區(qū)，當本地入射角度居于65°～90°時，土壤水分隨亮溫的增加而增加;當角度小于65°時，土壤水分隨亮溫的升高而減?。?］。

(3)對于不同的極化方式，土壤水分的反演結果也有所差別。在H極化，考慮了地形效應反演得到的土壤水分要小于在平坦地表上估算的土壤水分，約有6%的土壤體積含水量出現偏差。V極化反之。

(4)土壤水分受到山體南北坡反差的影響，呈空間非均勻分布［8］。在山體的陰面由于受到較少的太陽入射輻射，土壤和冠層溫度較低，因此土壤水分含量明顯高于陽面山坡，這種南北差異性分布又進一步加劇了地形對土壤水分的影響。

驗證和評價地形影響的方法主要是通過反演不同地形條件下的土壤水分來對比平坦地表和山區(qū)土壤水分反演的偏差。Pulvirenti等人在2008年的研究中表明，地表發(fā)射率在地形的影響下會導致土壤水分反演結果被低估，平均反演誤差值為0.24［9］。Sandells等人的研究認為，對于L波段觀測而言，當輻射計觀測角大于30°、坡度也大于30°，并且坡度大于30°的地形占觀測場景面積的30%以上時，地形對土壤水分反演的誤差大于要求精度的4%，因此需要對地形進行校正［7］。美國哈佛大學的Kim等人利用統(tǒng)計學的EOF正交函數主成分分析方法得到的土壤水分表明［14］，當降雨時，土壤濕度與地形的相關系數增大。因為在降雨時，水流的動力機制使得地形成為控制土壤水分的主要因素，所以其對土壤水分的影響遠大于土壤質地和植被覆蓋對土壤水分的影響;在非降雨時期，與地形的相關系數明顯減小。

3 山區(qū)地形校正

在探討并逐步明晰山區(qū)微波輻射地形效應的同時，地形校正的研究也受到了越來越多學者的關注［1，2，5］。地形校正的意義在于消除地形對微波輻射的影響，使所有觀測像元在同一水平面上，以糾正因地形效應而引起的亮溫偏差。目前，消除地形效應的方法可以分為以下兩類:

第一類方法是基于微波輻射在山區(qū)傳輸的物理機制，在建立山區(qū)微波輻射傳輸物理模型的基礎上，依照星載微波輻射計(AMSR－E，SMOS等)來配置觀測參數的方法，即首先利用地形作用于微波的物理特性來模擬山區(qū)微波輻射亮溫，并與衛(wèi)星觀測的亮溫相對比;然后以模擬值與衛(wèi)星的觀測值相一致為原則來確定地形微波輻射亮溫正向模型。Pierdicca基于對地形效應的定量化計算來反解微波輻射傳輸方程，由于消除地形因子，從而直接校正了山區(qū)地表亮溫［1］。為了簡化地形校正過程，郭英和Flores認為，對山區(qū)面元的地表亮溫可在輻射計觀測影像像元內求平均，這樣平均后的地形效應就被減弱了［2，8］。

第二類方法是簡化的地形特征統(tǒng)計法。因為山區(qū)地表微波輻射的復雜性，基于物理機理的校正方法模擬復雜，計算耗時，所以當面向實際應用時，需采用統(tǒng)計方法判斷地形的影響和建立地形特征參數，先生成特征參數和地表亮溫或發(fā)射率的關系查找表，然后通過地形參數化來間接消除地形的影響。Kerr根據衛(wèi)星觀測影像像元的地形坡度的統(tǒng)計分布曲線形狀來判斷是否需要進行地形校正，并提出了地形校正方法，即采用模型模擬亮度溫度與衛(wèi)星觀測亮溫值統(tǒng)計關系的方法來參數化地形效應，其類似于粗糙度的參數化過程，但該地形參數化校正模型尚處于研究階段［5］。

4 結論

地形效應對被動微波遙感的影響主要表現在以下幾個方面:

(1)輻射計觀測視場。由于地形坡度改變了輻射計的觀測角度，形成了本地入射角觀測，因而改變了觀測的視場范圍。

(2)微波極化面。由于山體坡向的異向性分布，致使微波輻射的極化面發(fā)生方向性旋轉，將地表發(fā)射率的極化由全局坐標系轉換為本地坐標系，即改變了微波輻射的傳輸方向。

(3)微波輻射傳輸過程。不僅地表溫度隨海拔高度的上升而改變，而且大氣輻射傳輸率也隨地表到輻射計的路徑長度不同而不同，大氣光學厚度是地表高程的函數，由于大氣輻射因高程變化形成大氣效應，因此大于10 GHz的觀測頻率下大氣效應不容忽視。

(4)地表長波輻射作用。由于地表的散射輻射作用，且山體之間的相互輻射對地形表面亮溫有增強作用，使得輻射計接收到的既有來自于天空漫射的地表輻射能量，還包括了來自于地形散射的輻射能量。

(5)天線輻射溫度。由于輻射計天線接收的信號受地形陰影的影響，是輻射能量在視場內多個地形面元的加權和，因此視場內單一地形面元的亮度溫度不等于單一微波像元的亮度溫度。

地形效應的模擬及其影響評價仍是當前微波遙感研究的重點，對地形效應影響進行正確評估和參數化模擬，以及查明山區(qū)微波輻射特征是切實有效的研究方向。特別是評估地形對地表參數反演的影響，可為被動微波遙感反演土壤水分精度的研究提供先決條件。結合微波輻射在山區(qū)傳輸的物理機理，發(fā)展可靠實用的參數化被動微波遙感地形校正模型，是未來研究中亟待解決的問題。

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Advances in the Study of Mountainous Relief Effects on Passive Microwave Remote Sensing

LI Xin － xin1，2，ZHANG Li－ xin1，2，JIANG Ling － mei1，2
(1.State Key Laboratory of Remote Sensing Science，Jointly Sponsored by the Institute of Remote Sensing Applications of Chinese Academy of Sciences and Beijing Normal University，Beijing 100875，China;2.School of Geography and Remote Sensing Science，Beijing Normal University，Beijing 100875，China)

As SMOS(Soil Moisture and Ocean Salinity)mission has been carried out smoothly，and AMSR －E(Advanced Microwave Scanning Radiometer－Earth Observing System)services have been conducted，people have achieved another great leap forward in monitoring surface soil moisture by satellite－borne microwave radiometer in space technology.Since space resolution is coarse under satellite microwave radiometer，the accuracy of retrieving soil moisture has been conditioned by space heterogeneity and relief effects.Mountainous terrain on a larger scale than wavelength has such significant effects on passive remote sensing as altitude role in microwave transmission path，topographic slope angle and aspect effects on surface emissivity，and multi－reflection between mountains or shadow effect on the change in surface scatter characteristics.A number of studies on relief effects of microwave radiation have been carried out both at home and abroad，and some simple topographic correction methods have been advanced.Based on the physical mechanism of electromagnetic waves and the statistical analysis，the authors first investigated the relief effects on microwave radiation and inversion of soil moisture，then made a review of the newest advance in relief effect researches on passive microwave remote sensing，and finally pointed out problems existent in current studies as well as orientation for further studies.

Relief effects;Passive remote sensing;Mountainous areas;Soil moisture

TP 722.6

A

1001－070X(2011)03－0008－06

2010－12－14;

2011－03－23

國家自然科學基金資助項目(編號:41030534)及國家重點基礎研究發(fā)展計劃“973“項目(編號:2007CB714403)。

李欣欣(1985－)，女，北京師范大學地理學與遙感科學學院博士生，研究方向為被動微波遙感。

(責任編輯:丁 群)