国土资源遥感, 2018, 30(3): 40-47 doi: 10.6046/gtzyyg.2018.03.06

积雪陆表微波观测资料干扰识别方法对比分析

吴莹, 姜苏麟, 王振会

南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室/气候与环境变化国际合作联合实验室/气象灾害预报预警与评估协同创新中心/中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室,南京 210044

Comparison and analysis of the interference identification methods for microwave measurements over snow land

WU Ying, JIANG Sulin, WANG Zhenhui

Key Laboratory of Meteorological Disaster, Ministry of Education (KLME)/ Joint International Research Laboratory of Climate and Environment Change (ILCEC)/ Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters (CIC-FEMD)/Key Laboratory for Aerosol-Cloud-Precipitation of China Meteorological Administration, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China

责任编辑: 陈理

收稿日期: 2016-10-18   修回日期: 2017-02-14   网络出版日期: 2018-09-15

基金资助: 国家自然科学基金项目“FY-3微波数据RFI订正及我国典型地区地表微波发射率反演研究”.  41305033
江苏省基础研究计划青年基金项目“微波地表温度计算及其对中国典型地区地表发射率反演改进研究”.  BK20150911
江苏高校优势学科建设工程资助项目(PAPD).  

Received: 2016-10-18   Revised: 2017-02-14   Online: 2018-09-15

作者简介 About authors

吴莹(1980-),女,讲师,博士,主要从事大气探测与大气遥感方面的教学和研究工作。Email:wuying_nuist@163.com。 。

摘要

地面无线电干扰对星载微波辐射计资料的影响日益凸显,很大程度上降低了微波反演地表参数的精度。以常年积雪覆盖的南极大陆为研究区域,利用2011年7月1—7日先进微波扫描辐射计(advanced microwave scanning radiometer - earth observing system,AMSR-E)观测资料,采用频谱差法、标准化的主成分分析法(normalized principal component analysis,NPCA)和双主成分分析法(double principal component analysis,DPCA)对研究区域的无线电频率干扰(radio-frequency interference,RFI)进行识别和对比分析。研究发现,对于有积雪覆盖的陆地表面,频谱差法不能准确地检测出RFI信号,NPCA在有冰雪覆盖的海岸线附近会出现误判,而DPCA更适用于所有海冰或积雪覆盖地区的RFI识别,且AMSR-E低频通道较强的RFI信号大多分布在观测站附近。总体而言,水平极化比垂直极化时的RFI信号强,而在部分地区,10.65 GHz通道的RFI信号在垂直极化方式时较水平极化方式强。

关键词: 先进微波扫描辐射计(AMSR-E) ; 无线电频率干扰(RFI) ; 积雪陆表

Abstract

The influence of radio-frequency interference (RFI) on spaceborne microwave radiometer measurements is increasingly prominent, which largely reduces the accuracy of geophysical parameter inversion from microwave observations. RFI over Antarctica land was detected and analyzed using spectral difference, normalized principal component analysis (NPCA) and double principal component analysis (DPCA) method based on AMSR-E (the advanced microwave scanning radiometer - earth observing system) Leval 2A measurements during July 1-7, 2011. It is found that, over snow or ice-covered land, the RFI signals are difficult to be detected by spectral difference method, while NPCA method works but for costal areas. However, the DPCA method works well over the Atlantic land. Furthermore. It is also found that stronger RFI signals are detected widely over the Antarctica land at low frequency channels of AMSR-E, and most of the strong RFI signals are collocated with research stations. In general, the RFI is stronger at horizontal polarization channels than those at vertical polarization channels, but in some parts, RFI signals at 10.65 GHz for vertical polarization are stronger than those for horizontal polarization.

Keywords: advanced microwave scanning radiometer-earth observation system (AMSR-E) ; radio-frequency interference (RFI) ; snow land

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本文引用格式

吴莹, 姜苏麟, 王振会. 积雪陆表微波观测资料干扰识别方法对比分析. 国土资源遥感[J], 2018, 30(3): 40-47 doi:10.6046/gtzyyg.2018.03.06

WU Ying, JIANG Sulin, WANG Zhenhui. Comparison and analysis of the interference identification methods for microwave measurements over snow land. REMOTE SENSING FOR LAND & RESOURCES[J], 2018, 30(3): 40-47 doi:10.6046/gtzyyg.2018.03.06

0 引言

由于微波传感器观测资料可以提供各种天气条件下的陆表和大气信息,星载被动微波传感器在数值天气预报模式及资料同化中占有了愈来愈重要的地位。然而,随着无线电频谱的科学设置与商业用户需求之间的冲突越来越多,无线电频率干扰(radio-frequency interference,RFI)对被动和主动微波遥感的影响日益严重。目前广泛使用的星载微波辐射计,如搭载于EOS/Aqua卫星上的先进微波扫描辐射计(advanced microwave scanning radiometer - earth observing system,AMSR-E)、搭载于Coriolis卫星上的全极化微波辐射计WindSat、搭载于FY-3卫星上的微波成像仪(microwave radiation imager,MWRI)和搭载于GCOM-W1卫星上的AMSR-2等均不同程度地受到地面无线电频率的干扰,受到干扰较为严重的资料大部分来自微波低频观测通道[1,2]。然而,低频微波资料的准确性很大程度上影响着地表参数反演的精度[3,4,5,6]。而且主动微波传感器发射信号或陆表反射辐射信号很容易覆盖地表产生的相对较弱的热发射辐射信号,使得微波传感器接收的信息混杂了来自真实地表状况以外的辐射信息。如果不能准确地识别和剔除这种干扰,往往会导致较大的反演误差,从而显著降低现有以及将来被动微波资料的使用效率[7,8,9,10,11]

国内外很多研究者针对星载微波辐射计提出了各种识别陆表RFI信号的方法。Li等[12]最初于2004年发现AMSR-E在C和X波段的观测值在某些区域均出现大面积的RFI信号,提出了用频谱差法来检测RFI的强度和范围,随后进一步提出了用主成分分析法(principal component analysis,PCA)来分析陆地区域的RFI分布特征[13]; Njoku等[14]指出了AMSR-E在6.925 GHz和10.67 GHz通道受RFI影响的区域分别处于不同的地理位置; Wu等[15]提出了AMSR-E RFI信号的检测及订正算法,进而提出了一维变分收敛度量识别法[16] ; Lacava等[17]采用多时相法分析了AMSR-E C波段的RFI; Zou等[18]采用PCA方法分析了MWRI陆地表面的RFI分布; Zhao等[19]改进了PCA方法,采用双主成分分析法(double principal component analysis,DPCA)分析了WindSat资料在格林兰等地区的RFI分布; 官莉等[20]对欧洲陆地区域的AMSR-E RFI进行了识别和分析。而对于不同的陆表状况,不同识别方法的检测效果及其局限性还有待于进一步探讨。

本文针对冰、雪覆盖的陆面,选取常年冰雪覆盖的南极洲大陆为研究区域,采用频谱差法、标准化的主成分分析法(normalized principal component analysis,NPCA)和DPCA法这3种方法分别识别该地区AMSR-E观测资料中的RFI,通过比较3种方法对RFI的识别效果,进一步分析该地区RFI的时空分布特征及主要形成原因,为提高星载微波资料在数值天气预报模式及资料同化中的利用率提供了理论依据。

1 数据源

研究采用2011年7月1—7日的AMSR-E的L2级亮温数据,选取常年被积雪覆盖的南极洲大陆区域作为研究对象。AMSR-E搭载于2002年发射升空的Aqua卫星上,提供6.925 GHz,10.65 GHz, 18.7 GHz,23.8 GHz,36.5 GHz和89.0 GHz 6个频率、水平和垂直双极化、12个通道的微波观测资料。AMSR-E是圆锥型扫描辐射计,天线圆锥扫描角为47.4°,扫描帧幅宽度为1 445 km,过境升交点和降交点的时间分别为13: 30和1: 30。其数据主要用于观测大气、陆地、海洋和冰圈的气象与环境参数,包括降水、海面温度、海冰年代和覆盖范围、雪水当量、表面湿度、表面风速、大气云水和水汽等。

2 陆表RFI识别算法

在识别和订正陆表微波观测资料中的RFI中,大量研究者相继提出了一系列的识别方法。目前,应用最广泛的方法主要有频谱差法和PCA法,其中PCA法又分为NPCA法和DPCA法。

2.1 频谱差法

在绝大部分情况下,由于土壤中水分的作用,陆地表面亮温随着观测频率增加呈现上升趋势。当辐射计通道频率低于30 GHz时,所接收到的来自于地表的散射辐射非常有限,通常可以忽略。因此,AMSR-E低频率通道的RFI最可能导致负频谱梯度的产生。

只要RFI不是出现在所有的通道中,就可以根据各个通道数据之间的联系,运用频谱差法将其检测出来。RFI指数为[16]

RFIf1p=TBf1p-TBf2p

式中: TB代表卫星所测亮温值, K; p表示极化方式(下文中用H表示水平方向,用V表示垂直方向); f1f2表示2个相邻的频率(下文TB下标中的“6”,“10”,“18”,“23”和“36”分别代表6.925 GHz,10.65 GHz,18.7 GHz,23.8 GHz和36.5 GHz),且f1<f2

用相邻2个频率之间的亮温差作为判据,可识别出陆表AMSR-E资料在6.925 GHz和10.65 GHz通道的RFI信号,即

TB6H-TB10H>5K
TB6V-TB10V>5K
TB10H-TB18H>5K
TB10V-TB18V>5K

其中,阈值5 K是基于不同地表类型上的平均发射率特征设定[16]。然而,RFI指数的平均值在有积雪覆盖的高纬度地区会显著增加,这种趋势在冬季更加明显,所以可以把5 K的临界值修正成一个随纬度变化的阈值函数[18]

2.2 NPCA法

与RFI信号的波段较窄、强度持续、孤立分布等特征不同,地球表面产生的微波信号通常呈现较为平滑和带宽较大的特点,因而微波辐射计各个通道接收到的数据通常有很高的相关性。RFI只会显著地增加某些特定频率的亮温,所以RFI的存在使某个通道和其余通道的关联很小,从而可以用PCA[13]将一系列含有RFI的数据矩阵转化成许多较小的相互之间没有关联的数据矩阵,成功地将RFI信号从自然信号中分离出来。

用标准化的RFI指数来构建PCA向量,称为NPCA。标准化的RFI指数向量 Rindice

Rindice=TB6H-TB10H-μ6Hσ6HTB10V-TB18V-μ10Vσ10VTB10H-TB18H-μ10Hσ10HTB18V-TB23V-μ18Vσ18VTB18H-TB23H-μ18Hσ18H

式中 μσ分别为相应5个RFI指数的均值和标准差。

计算标准化的RFI指数矩阵,通过特征向量将该数据矩阵在正交空间中进行投影,得到主成分矩阵。主成分矩阵中,每一个主成分分量相互正交,第一主成分分量的方差最大,第二主成分分量的方差次之[18],可以利用与RFI指数最相关的那个主成分分量来检测出RFI。

2.3 DPCA法

DPCA方法共包括2个步骤,第一步是用PCA定义10个通道的亮温数据矩阵,即

A10×N=TB6H,1TB6H,2TB6H,NTB6V,1TB6V,2TB6V,NTB36V,1TB36V,2TB36V,N

式中N为研究区域的总点数。

构造出A的协方差矩阵为

R10×10=AAT

其特征值 λi(i=1,2,...,10)和特征向量 ei=[e1,i,e2,i,...,e10,i]T满足

Rei=λiei(i=1,2, ...,10) ,

式中: ei表示第i个主成分分量的特征向量; λi表示第i个主成分分量对总方差的贡献。

利用特征向量将A投影到由一组基向量( e1, e2,…, e10)构建的标准正交空间中,得到主成分矩阵。故A可用 ei和主成分系数 ui表示,即

A=i=110eiui

A还可以表示为 [19]

AA1+A2 ,
A1=i=1αeiui
A2=i=α+110eiui

式中: α为一个整数常量,其大小视情况而定; 矩阵A2为第(α+1)个到第10个主成分分量的累加和,被称作剩余数据矩阵。

第二步是对A2用NPCA方法进行处理。AMSR-E观测通道RFI信号的存在,使得这些通道和其余通道的亮温数据之间的相关性较各个通道接收的自然发射信号之间的相关性大为降低,这样就能在频谱差异的基础上使用PCA方法,把一系列相关的频谱差异指数分解成一系列较小的不相关的变量,从而有效地将RFI信号从自然发射的信号中分离出来。在此,标准化的RFI指数向量定义为

RindicesA2=TB10H-TB18H-μ10Hσ10HTB18V-TB23V-μ18Vσ18VTB18H-TB23H-μ18Hσ18HTB23V-TB36V-μ23Vσ23VTB23H-TB36H-μ23Hσ23HA2

式中 RindicesA2用来做第二次主成分分析。由 RindicesA2得到数据矩阵 B5×N,并计算出协方差矩阵为

S5×5=BBT

其特征值向量表示为 e'1,e'2,...,e'5,也称作主成分分量。B可以写成5个主要成分的和,即

B=i=15e'iui

若第一个主成分系数 u1值较大,则暗示着可能存在RFI信号。A2的第一个主成分系数越大,则意味着RFI存在的可能性越大。

3 识别结果对比分析

图1分别给出了2011年7月1—7日南极洲地区AMSR-E在6.925 GHz,10.65 GHz和18.7 GHz垂直极化升轨观测时的亮温分布。

图1

图1   2011年7月1—7日垂直极化时的亮温分布

Fig.1   Brightness temperatures with vertical polarizations over Atlantic during July 1—7, 2011


图1中可以发现,从沿海陆地边缘到冰盖地区的亮温值在140~260 K之间,且亮温值在冰盖的边缘地区有一个突然的增加,这是由于天线接收靠近海岸线的积雪覆盖陆地亮温时受到海洋发射信号的影响。而且从较温暖的沿海陆地地区到有冰雪覆盖的内陆地区,亮温从240 K左右下降到160 K左右,存在一个明显的亮温值梯度。

3.1 频谱差法识别结果

图2分别给出了用频谱差法计算得到的2011年7月1—7日南极洲在6.925 GHz,10.65 GHz和18.7 GHz垂直极化方式升轨观测时的RFI分布。大部分陆地表面,高频波段的亮温比低频波段的高(如10.65 GHz的亮温比6.925 GHz的高),所以RFI指数一般为负值。

图2

图2   频谱差法检测的垂直极化时RFI指数分布

Fig.2   RFI with vertical polarization identified by spectral difference method


图2可以发现,在垂直极化方式时,南极洲6.925 GHz,10.65 GHz和18.7 GHz的RFI指数值基本上都为正值,RFI的最大值出现在内陆地区。显然,RFI信号在人迹罕至的南极大陆有如此连续、成片的大面积分布不合常理。此外,地域广阔的南极洲大陆气候及各地雪层结构差异较大。积雪和冰面对微波的散射效应随着频率的增加显著增强,能够大幅度降低高频通道的亮温值。因此,频谱差法检测RFI不适合常年覆盖着积雪和冰川的南极洲。

3.2 NPCA识别结果

图3给出了采用NPCA方法得到的2011年7月1—7日南极洲AMSR-E 6.925 GHz水平极化升轨观测时的RFI信号分布情况。

图3

图3   NPCA 检测的6.925 GHz水平极化RFI分布与观测站点分布

Fig.3   RFI of 6.925 GHz at horizontal polarization identified by NPCA


图3中所显示的是第一个主成分分量的系数,其由标准化的RFI指数向量(式(6))计算而来。为了降低由不同地表状况造成的差异,使用NPCA法能更有效地检测出有积雪覆盖表面的RFI信号。可以发现,用NPCA法识别出的RFI主要出现在南极洲大陆的内陆地区,而在冰盖的边缘地区几乎没有检测出或仅个别地方识别出少量RFI信号。由于理论上RFI是由地面主动微波信号发射装置产生的,对照图3中蓝色圆圈表示的南极洲观测站点的分布[21](在蓝色椭圆区域内密集分布着18个观测站点,由于过于密集在此不一一标注),识别出的RFI信号理应出现在地面微波发射装置附近,而不是如图3所示的集中分布在内陆地区,因此用NPCA法误判出了大量RFI信号,而对在冰雪盖边缘地区的观测站点附近极有可能出现真正的RFI信号却无法检测出来。

3.3 DPCA识别结果

在自然陆地表面和冰面上,各个通道微波辐射值之间的相关性比那些存在RFI影响的信号要高得多。对多个通道的亮温数据构成的矩阵使用PCA方法,可以把较强相关的主成分分量(A1)从较弱相关的主成分分量(A2)中分离出来。在南极洲地区,冰川的边缘地区有很大的亮温梯度,是由前α个主成分分量(A1)的各个通道之间较强的相关性决定的,而在该地区的RFI信号主要包含在剩余数据矩阵A2中。

基于2011年7月1—7日AMSR-E的观测资料,计算研究区域内亮温10个主成分分量的方差贡献率和累计方差贡献率,研究结果发现,第一个主成分分量的方差占累计方差贡献率的90%,前4个主成分分量的累计方差贡献率占了所有数据方差之和的99.99%以上。

图4中给出了当α=4时,由矩阵A1A2重建得到的南极洲地区分别在6.925 GHz,10.65 GHz和18.7 GHz水平极化方式升轨道时的亮温空间分布。其中,图4(a)—(c)是用矩阵A1数据得到的水平极化亮温分布,图4(d)—(f) 为用矩阵A2数据得到的水平极化亮温分布。

图4

图4   A1A2重建得到的6.925 GHz,10.65 GHz和18.7 GHz水平极化时的亮温分布

Fig.4   Brightness temperatures of 6.925 GHz, 10.65 GHz and 18.7 GHz at horizontal polarization reconstructed by A1 and A2


用矩阵A1数据得到的亮温分布存在着同样的亮温值梯度; 而在用矩阵A2数据得到的亮温值分布中没有出现。需要对矩阵A2使用NPCA才能将RFI信号从原始数据中分离出来。值得注意的是,在用DPCA检测RFI的计算过程中,检测结果会随着参数α取值的不同而有所不同,若矩阵A2第一主成分系数 u1值越大则存在RFI信号的概率越大,由此可根据 u1的变化来选取合适的α值。图5分别为α取值为4—7时6.925 GHz水平极化方式下的RFI分布(升轨)。

图5

图5   DPCA 检测的6.925 GHz水平极化方式下的RFI分布

Fig.5   RFI distributions of 6.925 GHz at horizontal polarization identified by DPCA


比较图5可以发现,当α=6时,DPCA的识别效果较好。

图6分别给出了α=6时,采用DPCA检出的6.925 GHz和10.65 GHz水平和垂直极化时整个南极洲范围的RFI分布。采用DPCA可以有效地减少由于冰盖的边缘效应导致识别出虚假的RFI信号,而能较为准确地识别出冰盖边缘和海岸线附近的RFI信号。这和前期研究者[19]得出DPCA可以有效地识别出格林兰岛冰盖边缘地区Windsat资料中RFI信号的结论相一致。

图6

图6   DPCA检测的6.925 GHz和10.65 GHz的RFI分布

Fig.6   RFI distributions of 6.925 GHz and 10.65 GHz identified by DPCA


对比图6和研究区域内观测站点的分布[21]可以发现,大多数强RFI信号确实与南极洲地区的观测站有关,特别是粉色椭圆区域内分布的18个观测站点。这和文献[19]中得出Windsat资料中的RFI信号主要分布在地面观测站点附近区域的结论相一致。对比图6(a)和(b),6.925 GHz水平极化方式的RFI比垂直极化方式下的强,但差别不是很明显; 对比图6(c)和(d),10.65 GHz的RFI在水平极化方式和垂直极化方式差异并不显著,但在红框地区却是存在水平极化方式的RFI强于垂直极化方式的现象。

表1中分别给出了整个南极洲地区、图6红框地区和蓝框地区在6.925 GHz和10.65 GHz水平和垂直极化方式下RFI的最大值和累加值。其中,红框和蓝框地区的累加值是对其区域内所有值的求和,整个南极洲地区的累加值为所有RFI正值之和。

表1   6.925 GHz和10.65 GHz RFI指数的最大值和累加值

Tab.1  Maximum and accumulated values of RFI at 6.925 GHz and 10.65 GHz

范围6.925 GHz10.65 GHz
H(水平
极化)
V(垂直
极化)
H(水平
极化)
V(垂直
极化)
南极洲最大值25.6424.9625.8325.27
累加值62 230.5660 757.2259 260.7258 916.54
红框地区最大值25.6424.9625.8325.27
累加值5 126.415 013.625 632.585 543.26
蓝框地区最大值7.868.029.369.18
累加值235.76164.37307.64331.50

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表1中可以发现,在整个南极洲范围内,6.925 GHz和10.65 GHz水平极化方式的累加值都比垂直极化方式大; 在红框地区中也是如此; 但是在蓝框地区,10.65 GHz垂直极化方式下的RFI信号累加值却比水平极化方式大。

为了更好地研究蓝框地区所出现的这种情况,在表2中给出了南极洲地区、红框地区和蓝框地区RFI指数水平极化方式大于垂直极化方式像素点数占总点数的比例。

表2   RFI指数水平极化方式大于垂直极化方式像素点占总点数的比例

Tab.2  Percentages of dots with larger RFI values for horizontal polarization than those for vertical polarization

范围判断条件百分比/%
南极洲RFI6H - RFI6V > 048.35
RFI10H - RFI10V > 051.50
红框地区RFI6H - RFI6V > 060.15
RFI10H - RFI10V > 067.02
蓝框地区RFI6H - RFI6V > 046.61
RFI10H - RFI10V > 052.03

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表2可以发现,整个南极洲地区6.925 GHz水平极化方式的RFI指数值大于垂直极化方式的像素点数只占48.35%,即6.925 GHz水平极化方式比垂直极化方式RFI强度大的像素点相对较少; 但表1中6.925 GHz RFI指数的水平极化方式累加值却大于垂直极化方式,这说明6.925 GHz水平极化方式时RFI的强度较垂直极化方式时大得多,这和以往研究[19]得出的Windsat资料中的水平极化通道的RFI信号比垂直极化通道的RFI更强的结论相类似; 而在10.65 GHz,RFI强度在水平极化方式比垂直极化方式大的像素点分布范围更广; 在相同极化条件下,6.925 GHz的RFI比10.65 GHz强度大。在红框地区,无论是6.925 GHz还是10.65 GHz,水平极化方式比垂直极化方式RFI强度大的像素点分布范围都更广; 在相同极化条件下,10.65 GHz的RFI比6.925 GHz强度大。在蓝框地区,6.925 GHz水平极化方式的RFI指数值大于垂直极化方式的像素点数只占46.61%; 但表1中该区 6.925 GHz RFI指数的水平极化方式累加值却大于垂直极化方式,这说明6.925 GHz的RFI在水平极化方式较垂直极化方式强度大得多; 10.65 GHz水平极化方式的RFI指数值大于垂直极化方式的像素点数占52.03%,意味着垂直极化方式的RFI指数值大于水平极化方式的像素点数只占47.97%,但在表1中10.65 GHz垂直极化方式RFI的累加值却大于水平极化方式,这说明在蓝框地区,10.65 GHz的RFI在垂直极化方式的强度较水平极化方式大得多。

4 结论

基于AMSR-E亮温资料,用频谱差法、标准主成分分析法(NPCA)和双主成分分析法(DPCA)对积雪覆盖的南极洲地区的无线电频率干扰(RFI)信号进行对比识别和分析,并分析了其产生的原因,得出如下结论:

1)对于有积雪覆盖的陆地表面,频谱差法不能准确地识别出RFI信号;

2)NPCA可以检测出有积雪覆盖地区的RFI信号,但在有冰雪覆盖的海岸线附近会出现误判;

3)DPCA既考虑到自然地表和冰面造成的各个通道数据间较大的相关性,又考虑了由于RFI的存在造成的各个通道数据相关性下降的特征,可以有效地对有海冰或积雪覆盖的陆表进行RFI的识别; 采用DPCA可以减小由于冰盖的边缘效应带来的对RFI信号判断造成的影响,干扰识别效果最好。

4)在南极洲地区,AMSR-E较强的RFI信号在C波段和X波段都存在,且RFI信号大多集中在观测站附近地区;

5)AMSR-E在南极洲的RFI信号,大多数情况下,水平极化方式的RFI信号比垂直极化方式强; 而在部分地区,10.65 GHz的RFI在垂直极化方式的强度较水平极化方式大。

但是,本文仅就南极洲积雪陆地表面的RFI信号的识别方法进行对比分析,确认识别该类型陆地表面RFI信号的最佳方法。在后续的研究中将针对不同的地表状况,分析比较与各种地表类型相匹配的最佳识别方法,从而排除对需要运用微波辐射计资料进行地表参数(如土壤水分、地表温度等)反演的频率干扰,提高微波资料中RFI识别研究工作的应用价值。

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针对星载微波成像仪低频窗区通道观测数据中存在大范围无线电频率干扰(简称RFI)的情况,以微波扫描辐射计(AMSR-E)为例,首先用改进的主成分分析方法对RFI进行识别;进而探讨RFI存在对反演地表参数的影响.然后,利用经过线性拟合RFI订正后的AMSR-E观测资料,采用一维变分1D-Var方法进行地表参数反演,通过对美国地区陆地RFI订正前、后地表反演产品(地表温度及降水率)的比较,发现RFI干扰使得受影响区域反演的地表温度及降水率异常偏高,存在较大误差.因此,在使用星载微波成像仪低频窗区通道观测进行地表参数反演和资料同化前必须进行有效地RFI识别和订正,改进的主成分分析识别方法和线性拟合的RFI订正算法对陆地上观测是有效的.

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[J]. 国土资源遥感, 2012,24(4):1-7.doi: 10.6046/gtzyyg.2012.04.01.

URL     Magsci     [本文引用: 1]

<p>微波地表发射率是表征地表特征的重要参数,也是反演地表、大气参数的重要条件。相比较物理模型,其模拟计算需要若干输入参数,且相当一部分地表、植被特征参数很难从常规资料中获取,应用星载被动微波辐射计资料可以在更大空间和时间尺度范围内直接反演地表发射率。从目前常用的几种被动微波遥感反演方法(包括经验统计方法、辐射传输方程方法、指数分析方法、神经网络方法、一维变分方法等等)回顾了微波地表发射率反演的国内外研究进展及其研究中存在的问题,并对这些方法的优、缺点进行了评价。最后指出,今后应开发识别和订正直接影响卫星观测值的无线电频率干扰(RFI)算法,改善云、雨检测算法,并且加强微波波段大气辐射传输等过程的机理研究。</p>

Wu Y, Wang Z H .

Advances in the study of land surface emissivity retrieval from passive microwave remote sensing

[J]. Remote Sensing for Land and Resources, 2012,24(4):1-7.doi: 10.6046/gtzyyg.2012.04.01.

Magsci     [本文引用: 1]

钱博, 陆其峰, 杨素英 , .

卫星遥感微波地表发射率研究综述

[J]. 地球物理学进展, 2016,31(3):960-964.

[本文引用: 1]

Qian B, Lu Q F, Yang S Y , et al.

Review on microwave land surface emissivity by satellite remote sensing

[J]. Progress in Geophysics, 2016,31(3):960-964.

[本文引用: 1]

李芹, 钟若飞 .

模拟AMSR-E数据的地表多参数反演

[J]. 国土资源遥感, 2011,23(1):42-47.doi: 10.6046/gtzyyg.2011.01.08.

Magsci     [本文引用: 1]

&nbsp;为了提供更适用的地表参数反演方案,对Njoku等模拟AMSRE-E数据的多参数反演工作重新进行正向模拟和算法改进,算法用MATLAB开发实现。反演结果表明,改进后的反演方法不仅在精度上略高于原方法,而且还能反演裸露地表可实际测量的粗糙度参数,并在更大的植被含水量范围内达到较高的反演精度。

Li Q, Zhong R F .

Multiple surface parameters retrieval of simulated AMSR-E data

[J]. Remote Sensing for Land and Resources, 2011,23(1):42-47.doi: 10.6046/gtzyyg.2011.01.08.

Magsci     [本文引用: 1]

鲍艳松, 毛飞, 闵锦忠 , .

基于FY-3B/MWRI数据的裸土区土壤湿度反演

[J]. 国土资源遥感, 2014,26(4):131-137.doi: 10.6046/gtzyyg.2014.04.21.

Magsci     [本文引用: 1]

使用高级积分方程模型,模拟多个地表参数条件下的风云三号B星微波成像仪(FY-3B/MWRI)资料。基于模拟数据,分析地表微波辐射特性,利用粗糙地表发射率<em>Q<sub>p</sub></em>模型,建立我国西部地区裸露地表土壤湿度反演模型。将该模型用于我国西部地区4个日期(2011年10月8日、10月18日、10月28日和11月8日)的土壤湿度反演,并将反演结果用实测数据进行交叉验证。结果表明: 反演土壤湿度与实测土壤湿度的决策系数<em>R</em><sup>2</sup>为0.604,均方根误差为0.030 5 cm<sup>3</sup>/cm<sup>3</sup>,反演模型具有较高的反演精度。

Bao Y S, Mao F, Min J Z , et al.

Retrieval of bare soil moisture from FY-3B/MWRI data

[J]. Remote Sensing for Land and Resources, 2014,26(4):131-137.doi: 10.6046/gtzyyg.2014.04.21.

Magsci     [本文引用: 1]

毛克彪, 施建成, 李召良 , .

用被动微波AMSR数据反演地表温度及发射率的方法研究

[J]. 国土资源遥感, 2005,17(3):14-17.doi: 10.6046/gtzyyg.2005.03.04.

Magsci     [本文引用: 1]

<p>&nbsp;针对对地观测卫星多传感器的特点,提出了借助MODIS地表温度产品从被动微波数据中反演地表温度的方法。即利用MODIS地表温度产品和AMSR不同通道之间的亮度温度,建立地表温度的反演方程。该方法克服了以往需要测量同步数据的困难,为不同传感器之间的参数反演相互校正和综合利用多传感器的数据提供实际应用和理论依据。文中以MODIS地表温度产品作为评价标准,对方法进行检验,其平均误差为2~3℃。另外,微波的发射率是土壤水分反演的关键参数,在对微波地表温度反演的基础上,进一步对发射率进行了研究。</p>

Mao K B, Shi J C, Li Z L , et al.

The land surface temperature and emissivity retrieved from the AMSR passive microwave data

[J]. Remote Sensing for Land and Resources, 2005,17(3):14-17.doi: 10.6046/gtzyyg.2005.03.04.

Magsci     [本文引用: 1]

周芳成, 宋小宁, 李召良 .

地表温度的被动微波遥感反演研究进展

[J]. 国土资源遥感, 2014,26(1):1-7.doi: 10.6046/gtzyyg.2014.01.01.

URL     Magsci     [本文引用: 1]

<p>微波遥感能穿透云层,甚至可穿透一定程度的雨区,可以弥补热红外遥感的不足。发展基于被动微波遥感的地表温度反演算法可以全天候地为相关领域提供数据服务。根据前人研究,该文从方法论的角度将已有的反演方法分为统计模型法、物理模型法和神经网络算法3类,分析了每种方法的优缺点,并探讨了未来微波遥感反演地表温度的发展方向,以期为进一步研究提供参考。</p>

Zhou F C, Song X N, Li Z L .

Progress of land surface temperature retrieval based on passive microwave remote sensing

[J]. Remote Sensing for Land and Resources, 2014,26(1):1-7.doi: 10.6046/gtzyyg.2014.01.01.

Magsci     [本文引用: 1]

刘晶, 马红章, 杨乐 , .

基于被动微波的地表温度反演研究综述

[J]. 遥感技术与应用, 2012,27(6):812-821.

Magsci     [本文引用: 1]

<p>热红外遥感反演地表温度已取得丰硕的成果,某些反演算法精度可达到1 K以内。然而在非晴空条件下,热红外遥感的应用受到很大限制,甚至无能为力。而被动微波遥感受大气干扰小,可穿透云层获取地表辐射信息,具有全天候、多极化及高时间分辨率等特点,在地表温度反演中具有独特的优越性。被动微波反演地表温度已经成为被动微波遥感技术应用研究的主要问题之一。系统阐述了微波热辐射机理、地表温度反演模型、反演算法及应用现状,分析了目前被动微波地表温度反演研究中存在的主要问题与技术难点,为后续相关研究提供参考。</p>

Liu J, Ma H Z, Yang L , et al.

A survey of surface temperature retrieval by passive microwave remote sensing

[J]. Remote Sensing Technology and Application, 2012,27(6):812-821.

Magsci     [本文引用: 1]

孙知文, 于鹏珊, 夏浪 , .

被动微波遥感积雪参数反演方法进展

[J]. 国土资源遥感, 2015,27(1):9-15.doi: 10.6046/gtzyyg.2015.01.02.

Magsci     [本文引用: 1]

雪深(snow depth,SD)和雪水当量(snow water equivalent,SWE)是气候水文研究中的重要参数,在雪灾监测中尤为重要。首先,简要介绍了被动微波遥感SD和SWE反演算法的物理基础——积雪微波辐射传输模型,分析了不同微波频段、不同特点的积雪微波辐射和散射特性。然后,根据前人的研究从数学角度将反演算法分为线性亮温梯度法和基于先验知识法,总结了2类算法的优势和局限性: 线性亮温梯度法相对简单、速度快,一般只适用于特定的研究区; 先验知识法需要获取研究区的样本数据,并反复训练才能达到较好的精度,但对样本的独立性及其均值差异显著性的要求较高。最后,重点介绍了我国风云三号微波成像仪(FY-3 MWRI)的全球SD和SWE反演算法和针对中国区域的改进算法,并对未来的研究热点进行了展望。

Sun Z W, Yu P S, Xia L , et al.

Progress in study of snow parameter inversion by passive microwave remote sensing

[J]. Remote Sensing for Land and Resources, 2015,27(1):9-15.doi: 10.6046/gtzyyg.2015.01.02.

Magsci     [本文引用: 1]

Li L, Njoku E G, Im E , et al.

A preliminary survey of radio-frequency interference over the U.S. in Aqua AMSR-E data

[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2004,42(2):380-390.

DOI:10.1109/TGRS.2003.817195      URL     [本文引用: 1]

ABSTRACT A spectral difference method is used to quantify the magnitude and extent of radio-frequency interference (RFI) observed over the United States in the Aqua AMSR-E radiometer channels. A survey using data from the AMSR-E instrument launched in May 2002 shows the interference to be widespread in the C-band (6.9 GHz) channels. The RFI is located mostly, but not always, near large highly populated urban areas. The locations of interference are persistent in time, but the magnitudes show temporal and directional variability. Strong and moderate RFI can be identified relatively easily using an RFI index derived from the spectral difference between the 6.9- and 10.7-GHz channels. Weak RFI is difficult to distinguish, however, from natural geophysical variability. These findings have implications for future microwave sensing at C-band, particularly over land areas. An innovative concept for radiometer system design is also discussed as a possible mitigation approach.

Li L, Gaiser P W, Bettenhausen M H , et al.

WindSat radio-frequency interference signature and its identification over land and ocean

[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2006,44(3):530-539.

DOI:10.1109/TGRS.2005.862503      URL     [本文引用: 2]

Radio-frequency interference (RFI) in the spaceborne multichannel radiometer data of WindSat and the Advanced Microwave Scanning Radiometer-EOS is currently being detected using a spectral difference technique. Such a technique does not explicitly utilize multichannel correlations of radiometer data, which are key information in separating RFI from natural radiations. Furthermore, it is not optimal for radiometer data observed over ocean regions due to the inherent large natural variability of spectral difference over ocean. In this paper, we first analyzed multivariate WindSat and Scanning Multichannel Microwave Radiometer (SMMR) data in terms of channel correlation, information content, and principal components of WindSat and SMMR data. Then two methods based on channel correlation were developed for RFI detection over land and ocean. Over land, we extended the spectral difference technique using principal component analysis (PCA) of RFI indices, which integrates statistics of target emission/scattering characteristics (through RFI indices) and multivariate correlation of radiometer data into a single statistical framework of PCA. Over ocean, channel regression of X-band can account for nearly all of the natural variations in the WindSat data. Therefore, we use a channel regression-based model difference technique to directly predict RFI-free brightness temperature, and therefore RFI intensity. Although model difference technique is most desirable, it is more difficult to apply over land due to heterogeneity of land surfaces. Both methods improve our knowledge of RFI signatures in terms of channel correlations and explore potential RFI mitigation, and thus provide risk reductions for future satellite passive microwave missions such as the NPOESS Conical Scanning Microwave Imager/Sounder. The new RFI algorithms are effective in detecting RFI in the C- and X-band Windsat radiometer channels over land and ocean.

Njoku E G, Ashcroft P, Chan T K , et al.

Global survey and statistics of radio-frequency interference in AMSR-E land observations

[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2005,43(5):938-947.

DOI:10.1109/TGRS.2004.837507      URL     [本文引用: 1]

Radio-frequency interference (RFI) is an increasingly serious problem for passive and active microwave sensing of the Earth. To satisfy their measurement objectives, many spaceborne passive sensors must operate in unprotected bands, and future sensors may also need to operate in unprotected bands. Data from these sensors are likely to be increasingly contaminated by RFI as the spectrum becomes more crowded. In a previous paper we reported on a preliminary investigation of RFI observed over the United States in the 6.9-GHz channels of the Advanced Microwave Scanning Radiometer (AMSR-E) on the Earth Observing System Aqua satellite. Here, we extend the analysis to an investigation of RFI in the 6.9- and 10.7-GHz AMSR-E channels over the global land domain and for a one-year observation period. The spatial and temporal characteristics of the RFI are examined by the use of spectral indices. The observed RFI at 6.9 GHz is most densely concentrated in the United States, Japan, and the Middle East, and is sparser in Europe, while at 10.7 GHz the RFI is concentrated mostly in England, Italy, and Japan. Classification of RFI using means and standard deviations of the spectral indices is effective in identifying strong RFI. In many cases, however, it is difficult, using these indices, to distinguish weak RFI from natural geophysical variability. Geophysical retrievals using RFI-filtered data may therefore contain residual errors due to weak RFI. More robust radiometer designs and continued efforts to protect spectrum allocations will be needed in future to ensure the viability of spaceborne passive microwave sensing.

Wu Y, Weng F Z .

Detection and correction of AMSR-E radio-frequency interference

[J]. Acta Meteorologica Sinica, 2011,25(5):669-681.

DOI:10.1007/s13351-011-0510-0      URL     [本文引用: 1]

Wu Y, Weng F Z .

Applications of an AMSR-E RFI detection and correction algorithm in 1-DVAR over land

[J]. Journal of Meteorological Research, 2014,28(4):645-655.

DOI:10.1007/s13351-014-3075-x      URL     [本文引用: 3]

Lacava T, Coviello I, Faruolo M , et al.

A multitemporal investigation of AMSR-E C-band radio-frequency interference

[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2013,51(4):2007-2015.

DOI:10.1109/TGRS.2012.2228487      URL     [本文引用: 1]

Radio-frequency interference (RFI) is increasingly a severe problem for present and future microwave satellite missions. RFI at C- and X-bands can contaminate remotely sensed measurements, as experienced with the Advanced Microwave Scanning Radiometer (AMSR-E) and the WindSat sensor. In this work, the multitemporal Robust Satellite Techniques approach has been implemented on C-band AMSR-E data in order to identify areas systematically affected by different levels of RFI, trying to discriminate them from natural geophysical variability zones. To the scope, nine years of AMSR-E data have been investigated, allowing us also to better infer RFI impact on data acquired during ascending or descending passes, as well as in horizontal or vertical polarization. In detail, two analyses were carried out: one considering only measurements at C-band and another one taking into account a combination between C- and X-band measurements. The results of this study will be shown and discussed in this paper.

Zou X L, Zhao J, Weng F Z , et al.

Detection of radio-frequency interference signal over land from FY-3B microwave radiation imager (MWRI)

[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2012,50(12):4994-5003.

DOI:10.1109/TGRS.2012.2191792      URL     [本文引用: 3]

Zhao J, Zou X L, Weng F Z .

WindSat radio-frequency interference signature and its identification over Greenland and Antarctic

[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2013,51(9):4830-4839.

DOI:10.1109/TGRS.2005.862503      URL     [本文引用: 5]

Radio-frequency interference (RFI) in the spaceborne multichannel radiometer data of WindSat and the Advanced Microwave Scanning Radiometer-EOS is currently being detected using a spectral difference technique. Such a technique does not explicitly utilize multichannel correlations of radiometer data, which are key information in separating RFI from natural radiations. Furthermore, it is not optimal for radiometer data observed over ocean regions due to the inherent large natural variability of spectral difference over ocean. In this paper, we first analyzed multivariate WindSat and Scanning Multichannel Microwave Radiometer (SMMR) data in terms of channel correlation, information content, and principal components of WindSat and SMMR data. Then two methods based on channel correlation were developed for RFI detection over land and ocean. Over land, we extended the spectral difference technique using principal component analysis (PCA) of RFI indices, which integrates statistics of target emission/scattering characteristics (through RFI indices) and multivariate correlation of radiometer data into a single statistical framework of PCA. Over ocean, channel regression of X-band can account for nearly all of the natural variations in the WindSat data. Therefore, we use a channel regression-based model difference technique to directly predict RFI-free brightness temperature, and therefore RFI intensity. Although model difference technique is most desirable, it is more difficult to apply over land due to heterogeneity of land surfaces. Both methods improve our knowledge of RFI signatures in terms of channel correlations and explore potential RFI mitigation, and thus provide risk reductions for future satellite passive microwave missions such as the NPOESS Conical Scanning Microwave Imager/Sounder. The new RFI algorithms are effective in detecting RFI in the C- and X-band Windsat radiometer channels over land and ocean.

官莉, 张思勃 .

星载微波辐射计欧洲大陆无线电频率干扰分析

[J]. 光学学报, 2014,34(7):0728004.

URL     [本文引用: 1]

基于2011年6月1日至16日先进微波扫描辐射计(AMSR-E)的观测资料,采用改进的主成分分析算法,对欧洲陆地区域的无线电频率干扰(RFI)进行识别和分析。研究发现影响英国和意大利的X波段RFI源主要是稳定的、持续的地面主动源,而影响欧洲其他国家的RFI则主要是反射的静止电视卫星信号对星载微波被动传感器观测的干扰。源于静止电视卫星的RFI出现位置和强度随时间周期性变化,在欧洲陆地多出现在星载微波辐射计升轨观测上,降轨观测则几乎不受其干扰。RFI出现位置和强度与星载微波辐射计扫描方位角和观测视场相对静止电视卫星的方位有关,只有当星载微波辐射计视场扫描方位角大小与该视场相当于静止卫星发射方位角大小接近时该视场易受RFI影响。

Guan L, Zhang S B .

Source analysis of radio-frequency interference over Europe land from advanced microwave scanning radiometer-E

[J]. Acta Optica Sinica, 2014,34(7):0728004.

[本文引用: 1]

Research stations and transportation in Antarctica

[EB/OL].[ 2016- 10- 18] .

URL     [本文引用: 2]

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