3.1　旱情遙感監測數據源

遙感技術是建立在物體電磁波輻射理論基礎上的。不同物體具有各自的電磁輻射特性，才有可能應用遙感技術探測和研究遠距離的物體。按所利用的電磁波的光譜段可分為可見光/反射紅外遙感、熱紅外遙感、微波遙感三種類型。

3.1.1　可見光/反射紅外遙感

可見光/反射紅外遙感主要指利用可見光(0.4～0.7μm)和近紅外(0.7～2.5μm)波段的遙感技術統稱。可見光在電磁波譜中，只占一個狹窄的區間，波長范圍0.4～ 0.76μm。它由紅、橙、黃、綠、青、藍、紫色光組成。人眼對可見光可直接感覺，不僅對可見光的全色光，而且對不同波段的單色光，也都具有這種能力。所以可見光是作為鑒別物質特征的主要波段。在遙感技術中，常用光學攝影方式接收和記錄地物對可見光的反射特征。近紅外在性質上與可見光相似，由于它主要是地表面反射太陽的紅外輻射，因此又稱為反射紅外。在遙感技術中采用攝影方式和掃描方式，接收和記錄地物對太陽輻射的紅外反射。在攝影時，由于受到感光材料靈敏度的限制，目前只能感測0.76～1.3μm波長范圍。近紅外波段在遙感技術中也是常用波段。

可見光與發射紅外共同的特點是，其輻射源是太陽，在這兩個波段上只反映地物對太陽輻射的反射，根據地物反射率的差異，就可以獲得有關目標物的信息，它們都可以用攝影方式和掃描方式成像。

在旱情遙感監測中，常用的可見光/發射紅外遙感數據源包括美國陸地衛星Landsat (TM、ETM+、MSS、OLI數據)、法國SPOT衛星(HRV高分辨率可見光遙感器數據)、印度系列遙感衛星IRS-1C/1D、美國國家海洋大氣局第三代氣象觀測衛星NOAA (AVHRR數據)、中國氣象衛星FY 1/2/3、中國環境系列衛星HJ 1A/1B、中國高分系列衛星、中巴地球資源衛星CBERS、美國Terra/Aqua衛星(MODIS數據)等。常用數據源參數見表3.1。

考慮到數據的可獲取性以及經濟型，幅寬窄、價格高的高分辨率可見光/近紅外遙感衛星數據并不適合旱情監測。下面主要介紹我國高分一號衛星(GF-1)(表3.2)。

高分一號衛星于2013年4月26日在甘肅酒泉衛星發射升空，搭載了兩臺2m分辨率全色/8m分辨率多光譜相機、四臺16m分辨率多光譜相機。它具有高、中空間分辨率對地觀測和大幅寬成像結合的特點，2m分辨率全色和8m分辨率多光譜圖像組合幅寬優于60km，16m分辨率多光譜圖像組合幅寬優于800km，為國際同類衛星觀測幅寬的最高水平，大幅提升觀測能力，并對大尺度地表觀測和環境監測具有獨特優勢。它的重訪周期為4天，而世界上同類衛星的重訪周期多為10余天，實現了高空間分辨率和高時間分辨率的結合(表3.3)。

高分一號衛星突破了高空間分辨率、多光譜與高時間分辨率結合、多載荷圖像拼接融合、高精度高穩定度姿態控制、5～8年壽命、高可靠、高分辨率數據處理與應用等諸多關鍵技術，對于推動我國衛星工程水平的提升，提高我國高分辨率數據自給率，具有重大戰略意義。高分一號衛星16m分辨率多光譜圖像組合幅寬優于800km，可廣泛應用于大范圍區域旱情監測中。

3.1.2　熱紅外遙感

熱紅外遙感指通過紅外敏感元件，探測物體的熱輻射能量，顯示目標的輻射溫度或熱場圖像的遙感技術的統稱。中紅外、遠紅外和超遠紅外是產生熱感的原因，所以又稱為熱紅外。自然界中任何物體，當溫度高于絕對溫度(-273.15℃)時，均能向外輻射紅外線。物體在常溫范圍內發射紅外線的波長多在3～4μm之間，而15μm以上的超遠紅外線易被大氣和水分子吸收，所以在遙感技術中主要利用3～15μm波段，更多的是利用3～ 5μm和8～14μm波段。紅外遙感具有晝夜工作的能力。

在旱情遙感監測中，常用的熱紅外遙感數據源包括FY-3極軌氣象衛星VIRR (可見光紅外掃描輻射計)、NOAA極軌氣象衛星AV HRR(改進的甚高分辨率掃描輻射計)、HJ-1B衛星IRS(紅外多光譜相機)、EOS衛星MODIS(中分辨率成像光譜儀)、LANDSAT-7衛星ETM(增強型專題制圖儀)等。常用熱紅外衛星通道參數見表3.4。

在熱紅外遙感數據中，MODIS影像獲取方便、時間分辨率高，是目前常用的旱情遙感監測數據。

MODIS(Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer)為中分辨率成像光譜儀。1998年MODIS機載模型器安裝到EOS-AM(上午軌道)和PM(下午軌道)系列衛星上，從1999年12月正式向地面發送數據。MODIS數據具有全球免費、光譜范圍廣、數據接收簡單、更新頻率高等特點，具體技術指標見表3.5。

MODIS數據共有36個波段，其每個波段的波譜范圍、信噪比、主要用途和分辨率見表3.6。

3.1.3　微波遙感

微波遙感指利用波長1～1000mm電磁波遙感的統稱。微波的波長范圍1～1000mm。微波又可分為毫米波、厘米波和分米波。微波輻射和紅外輻射兩者都具有熱輻射性質。由于微波的波長比可見光、紅外線要長，能穿透云、霧而不受天氣影響，所以能進行全天候全天時的遙感探測。微波遙感可以采用主動或被動方式成像，另外，微波對某些物質具有一定的穿透能力，能直接透過植被、冰雪、土壤等表層覆蓋物。因此，微波在遙感技術中是一個很有發展潛力的遙感波段。

微波遙感可以分為無源(被動)和有源(主動)微波遙感兩大類。被動微波主要包括微波輻射計，星載微波輻射計如AMSR-E、SMOS等，而主動微波又可分為散射計、高度計和合成孔徑雷達(SAR)。微波高度計常被用于海冰、海面風速以及內陸湖泊水位的測量，如搭載在ENVISAT衛星上的RA-2高度計。散射計設計之初被用來測量海面風速，后來也被人們用來研究土壤水分的反演，如ASCAT。星載微波輻射計和散射計由于空間分辨率較低，常被用于全球尺度的土壤水分研究中，關于這些微波輻射計、散射計及其土壤水分產品將在8.4中進行詳細介紹，本節主要介紹SAR數據。

SAR由于具有較高的空間分辨率(1～1000m)，且對土壤水分較為敏感，成為土壤水分的研究熱點。目前應用較為廣泛的包括:德國發射的Terra SAR-X(X波段，全極化)，歐空局研制的ENVISAT-1 ASAR(advanced synthetic aperture radar，C波段，雙極化)、Sentinel 1(A，B雙星，C波段，雙極化)，加拿大太空署發射的RADARSAT 2(C波段，全極化)，中國發射環境衛星(搭載S波段雷達，VV極化)，日本發射的ALOS-PALSAR(phased array L-band synthetic aperture radar，L波段，全極化)以及ALOS2-PALSAR 2(L波段，全極化)。這些SAR的成功發射，極大地促進了SAR土壤水分反演的研究;另外，多個國家，包括中國在內，在未來5年內將會有更多的SAR發射升空(表3.7)。

以上正在運行的SAR中，Sentinel-1數據是唯一可以免費獲取的SAR數據，且Sentinel-1數據的空間分辨率和幅寬均能滿足旱情監測的需求，故在以下內容重點介紹Sentinel-1數據。Sentinel-1衛星是歐洲“哥白尼”(Copernicus)計劃(之前稱為“全球環境與安全監測”計劃)的一部分，由兩個完全一致的Sentinel-1A和Sentinel-1B星組成，衛星裝載C波段的SAR，以接替于2012年失效的ENVISAT上搭載的ASAR，從而保持高分辨率SAR數據的連續性[2]。其中，Sentinel-1A和Sentinel-1B分別于2014年4月3日和2016年4月25日發射成功。

Sentinel-1攜帶的C頻段合成孔徑雷達由阿斯特留姆公司研制，它繼承了ERS和ENVISAT上合成孔徑雷達的優點，具有全天候成像能力，能提供高分辨率和中分辨率陸地、沿海和冰的測量數據。搭載的SAR的參數性能見表3.8。

Sentinel-1星上合成孔徑雷達有4種成像模式[4]:

(1)條帶模式(Strip Map Mode，SM)。幅寬80km，空間分辨率5m×5m，6個重復的測量帶能覆蓋所要求的375km的范圍。

(2)干涉測量寬幅模式(Interferometric Wide-swath mode，IW)。幅寬250km，空間分辨率5m×20m，通過充分交疊多普勒頻譜(方位范圍)和波束頻譜(仰角范圍)來確保干涉測量。該模式為陸地觀測的標準模式，可滿足大部分當前未知的服務需求，避免沖突和保持重訪能力，提供服務魯棒性和可靠性，簡化任務規劃，降低運行成本，并建立長期存檔，滿足未來的數據需求。

(3)超寬幅模式(Extra Wide swath mode，EW)。分辨率25m×100m(三視角)，低分辨率(20m×40m)下的幅寬為400km。

(4)波模式(Wave mode，WV)。由各個條帶工作組成，具有交替的仰角波束和固定的開關占空因子。分辨率5m×5m。沿軌每間隔100km采樣圖像大小為20km×20km。

除了波模式為單極化模式(HH或VV)外，其他工作模式均支持雙極化(HHHV，VV-VH)運行，四種模式的具體參數見表3.9。