研究背景 地球物理參數(shù)如土壤水分、地表溫度、雪水當(dāng)量等是地球系統(tǒng)的重要參量，在天氣預(yù)報、氣候模擬及預(yù)測等研究中扮演著重要的角色。對于許多氣象研究而言，需要的是長時序、一致性的觀測數(shù)據(jù)。這往往是單個傳感器難以實(shí)現(xiàn)的，而多個傳感器的聯(lián)合可以實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)。多波段衛(wèi)星/傳感器如SMMR，SSM/I，TMI，Windsat，AMSR-E，AMSR2等提供了多達(dá)幾十年的歷史數(shù)據(jù)集，我國自主研發(fā)的風(fēng)云系列FY-3B/C/D衛(wèi)星也能提供多波段的亮溫?cái)?shù)據(jù)，是多波段歷史數(shù)據(jù)的重要補(bǔ)充。相比其他多波段傳感器，以往針對風(fēng)云的研究相對較少，但在近年來越來越受到關(guān)注。然而由于不同的輻射校正過程以及傳感器配置上的細(xì)微差異（如帶寬、入射角等），會導(dǎo)致同頻率的不同傳感器觀測到的亮溫之間存在偏差，因此在聯(lián)合這些傳感器之前需要對其進(jìn)行交叉定標(biāo)使得這些數(shù)據(jù)具有一致性。 傳感器之間的交叉定標(biāo)通常有三種方法：SNO (simultaneous nadir overpass)、統(tǒng)計(jì)法和基于雙差模式的定標(biāo)。其中，統(tǒng)計(jì)法最適用于同時觀測且具有相似配置的傳感器，例如FY-3D MWRI和AMSR2。雖然以往已有學(xué)者開展了風(fēng)云系列衛(wèi)星（如FY-3B）與AMSR-E或AMSR2之間的交叉定標(biāo)工作，但仍存在以下不足： （1）以往的統(tǒng)計(jì)交叉定標(biāo)多集中于局部地區(qū)的定標(biāo)，這些地區(qū)地表覆蓋通常較為均勻，對于地表異質(zhì)性較大的區(qū)域研究相對匱乏； （2）以往的統(tǒng)計(jì)交叉定標(biāo)多采用全局線性回歸方法（即同一通道全球共用一個線性回歸方程），未考慮不同區(qū)域地表?xiàng)l件的差異性； （3）以往的研究通常只關(guān)注定標(biāo)方法的有效性，未對定標(biāo)精度的影響因素進(jìn)行深入探討，而后者對于進(jìn)一步改進(jìn)定標(biāo)方法從而改善不同傳感器之間的定標(biāo)精度尤為重要； （4）不同的交叉定標(biāo)方法之間未進(jìn)行過評估，對于提供了目前FY系列最新的多波段亮溫?cái)?shù)據(jù)的FY-3D和AMSR2之間的最優(yōu)交叉定標(biāo)方式仍然未知。 基于以上研究動機(jī)，中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院遙感科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副研究員曾江源（第八批會員）課題組比較了FY-3D MWRI與AMSR2亮溫之間的五種交叉定標(biāo)方法，其中包括三種以往文獻(xiàn)中用到的方法（全局線性回歸定標(biāo)法、逐格網(wǎng)線性回歸加全局線性回歸定標(biāo)法、逐格網(wǎng)線性回歸加反距離插值定標(biāo)法）和兩種新引入的定標(biāo)方法（逐格網(wǎng)線性回歸加最鄰近插值定標(biāo)法、全球逐格網(wǎng)線性回歸定標(biāo)法），并分析了多種環(huán)境因子（數(shù)字高程、地表異質(zhì)性、土壤質(zhì)地、植被覆蓋度、地形復(fù)雜度、水體比例、地表類型、氣候類型）對交叉定標(biāo)的影響，此外還探討了交叉定標(biāo)的季節(jié)性變化以及定標(biāo)系數(shù)的可靠性和適用性。 研究結(jié)果 1. 交叉定標(biāo)結(jié)果 研究一共比較了兩大類共五種交叉定標(biāo)方法（表1）。（1）全局定標(biāo)：① 全局線性回歸定標(biāo)；（2）逐格網(wǎng)定標(biāo)：② 逐格網(wǎng)線性回歸加全局線性回歸定標(biāo)法；③ 逐格網(wǎng)線性回歸加反距離插值定標(biāo)法；④ 逐格網(wǎng)線性回歸加最鄰近插值定標(biāo)法；⑤ 全球逐格網(wǎng)線性回歸定標(biāo)法。其中逐格網(wǎng)定標(biāo)方式的區(qū)別在于對FY-3D和AMSR2亮溫系數(shù)小于0.9的格網(wǎng)的處理。 表1.五種交叉定標(biāo)方式比較 
在交叉定標(biāo)之前，對FY-3D和AMSR2亮溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行了相關(guān)性分析，計(jì)算了2019-2020年各通道H極化、V極化升降軌時兩者的相關(guān)系數(shù)R。圖1以10.7 GHz降軌數(shù)據(jù)為例，展示了AMSR2和FY-3D亮溫?cái)?shù)據(jù)的全球相關(guān)系數(shù)R。陸地上大部分區(qū)域相關(guān)系數(shù)均大于0.9，其中V極化亮溫之間的相關(guān)性整體要高于H極化。這可能是因?yàn)橄啾萔極化，H極化亮溫對地表參量（如土壤水分、植被、地表粗糙度）的變化更加敏感。相關(guān)系數(shù)較低的區(qū)域（R<0.9）大部分為植被茂密區(qū)域以及水陸交界區(qū)域，如亞馬遜熱帶雨林、剛果盆地、印度尼西亞群島、北美五大湖區(qū)域以及歐洲的阿爾卑斯山脈。  圖1. 2019-2020年FY-3D與AMSR2 降軌10.7 GHz亮溫?cái)?shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)R：(a) H極化；(b) V極化。 研究采用RMSD和Bias評估了五種交叉定標(biāo)方法，包括兩種手段：定標(biāo)時間段的驗(yàn)證（2019.01.01-2020.12.31）和非定標(biāo)時間段的驗(yàn)證（2021.01.01-2021.12.31）。結(jié)果均發(fā)現(xiàn)第五種方法即全球逐格網(wǎng)線性回歸定標(biāo)法精度最高，且定標(biāo)系數(shù)具有很好的魯棒性（定標(biāo)時間段和非定標(biāo)時間段驗(yàn)證精度基本相當(dāng)）。圖2展示的是以10.7 GHz為例第五種定標(biāo)方式在定標(biāo)時間段的定標(biāo)精度指標(biāo)Bias及RMSD的全球分布。可以看到，定標(biāo)后的FY-3D與AMSR2亮溫?cái)?shù)據(jù)的偏差優(yōu)化至約0K，大部分地區(qū)的RMSD均小于3K。  圖2.全球逐格網(wǎng)線性回歸定標(biāo)法定標(biāo)后精度指標(biāo)Bias(單位K，(a)和(b)分別為H極化和V極化)及RMSD(單位K，(c)和(d)分別為H極化和V極化)全球分布(以FY-3D 10.7GHz降軌為例)。 為了更直觀的觀察交叉定標(biāo)的效果，隨機(jī)選取了2020年8月1日的亮溫?cái)?shù)據(jù)，對比了定標(biāo)前后的密度散點(diǎn)圖（圖3）。定標(biāo)后的FY-3D亮溫?cái)?shù)據(jù)明顯更靠近AMSR2亮溫?cái)?shù)據(jù)基準(zhǔn)值，消除了大部分FY-3D與AMSR2亮溫?cái)?shù)據(jù)之間的偏差，Bias優(yōu)化至0K。圖中的黑線為1:1直線，可以看到定標(biāo)后的亮溫更接近1:1直線。誤差指標(biāo)RMSD也由定標(biāo)前的7.95K顯著降低至2.69K。  圖3. 2020年8月1日定標(biāo)前后的FY-3D和AMSR2 10.7 GHz H極化升軌亮溫?cái)?shù)據(jù)密度散點(diǎn)圖： (a) 定標(biāo)前結(jié)果；(b) 全球逐格網(wǎng)線性回歸定標(biāo)法定標(biāo)后結(jié)果。 2. 環(huán)境因子對定標(biāo)精度的影響 圖4展示了第五種定標(biāo)方式（全球逐格網(wǎng)線性回歸定標(biāo)法）的定標(biāo)精度指標(biāo)RMSD在不同環(huán)境因子條件下的變化。可以看到，土壤質(zhì)地、地形復(fù)雜度以及NDVI對定標(biāo)精度影響較��；氣候類型中熱帶、極地氣候誤差較其他氣候類型更大；草地、農(nóng)田定標(biāo)精度相對森林、灌木、草原以及裸地較差；DEM（數(shù)字高程）與誤差呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)而地表異質(zhì)性與誤差呈現(xiàn)正相關(guān)；水體比例對定標(biāo)精度影響最大，當(dāng)水體比例大于15%時，RMSD達(dá)到3K。  圖4. 環(huán)境因子對第五種定標(biāo)方式精度指標(biāo)RMSD (K)的影響(以FY-3D 10.7 GHz V極化降軌為例)：(a)高程(DEM); (b) 地形復(fù)雜度(SDE); (c) 砂土含量(Sand); (d) 黏土含量Clay; (e) 歸一化植被指數(shù)(NDVI); (f) 地表異質(zhì)性指數(shù)(GSI); (g) 水體比例(Wetland Fraction); (h) 地表類型(Land cover); (i) 氣候類型(Climate Type)。 3. 定標(biāo)精度的季節(jié)性特征 定標(biāo)精度在南北半球的季節(jié)性變化不一致（圖5），在南半球更穩(wěn)定（表現(xiàn)為RMSD在不同的季度差異不大），而在北半球變化更加劇烈。原因可能在于北半球的陸地占全球陸地比例更多，從而造成RMSD的季節(jié)波動性更大。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)分季節(jié)進(jìn)行定標(biāo)時，定標(biāo)精度低于不考慮季節(jié)性的定標(biāo)結(jié)果，表明如果傳感器的重疊時期足夠長，那么分季節(jié)進(jìn)行定標(biāo)，精度將會進(jìn)一步提高。  圖5. 不同季度下FY-3D的定標(biāo)精度指標(biāo)RMSD (K) (以10.7GHz 降軌為例)： (a)北半球；(b)南半球；(c)全球。 4. 不同R閾值下的RMSD 四種逐格網(wǎng)定標(biāo)方式之間的區(qū)別在于對相關(guān)系數(shù)小于0.9的格網(wǎng)的處理，因此比較了不同的R閾值對于定標(biāo)精度的影響（圖6）�？梢钥吹讲煌腞值對全局線性回歸定標(biāo)方法（圖中方法1）的精度影響較小，但對除全球逐格網(wǎng)線性回歸定標(biāo)方法（圖中方法5）外的其他三種逐格網(wǎng)回歸方法影響較大，其精度隨著R值的增加而降低。表明對FY-3D和AMSR2交叉定標(biāo)時，無需根據(jù)FY-3D和AMSR2數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性對格網(wǎng)進(jìn)行閾值劃分，全球逐格網(wǎng)線性回歸定標(biāo)方法是最優(yōu)的定標(biāo)方法。 計(jì)算效率上，全球逐格網(wǎng)線性回歸定標(biāo)方法也與以往研究中最常用的全局線性回歸定標(biāo)方法基本相當(dāng)。因此全球逐格網(wǎng)線性回歸定標(biāo)方法是一種高效且高精度的交叉定標(biāo)方法，不僅可應(yīng)用于多波段的傳感器（如FY-3D與AMSR2），也可以用于單波段的傳感器（如SMAP和SMOS），具有廣泛的應(yīng)用價值。  (a) (b) 圖6. 不同定標(biāo)方法在不同相關(guān)系數(shù)R閾值下的定標(biāo)精度指標(biāo)RMSD (K)：(a) H極化；(b) V極化。 研究成果近期發(fā)表于IEEE地球科學(xué)與遙感學(xué)會旗艦期刊IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing。中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院遙感科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在讀碩士生汪田田為第一作者，曾江源副研究員為通訊作者。研究得到可持續(xù)發(fā)展大數(shù)據(jù)國際研究中心主任青年基金(CBAS2022DF013)、國家自然科學(xué)基金(41971317, 41976171)、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2018YFE0107000)和中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會項(xiàng)目(2018082)的資助。
文章鏈接 https://ieeexplore.ieee.org/document/9779239
論文信息： T. T. Wang, J. Y. Zeng*, K. S. Chen, Z. Li, H. L. Ma, Q. Chen, H. Y. Bi., P. F. Shi, L. Zhu, & C. Y. Cui. (2022), Comparison of Different Intercalibration Methods of Brightness Temperature from FY-3D and AMSR2, IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, vol. 60, 5304217.
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