3.1　旱情遥感监测数据源

遥感技术是建立在物体电磁波辐射理论基础上的。不同物体具有各自的电磁辐射特性，才有可能应用遥感技术探测和研究远距离的物体。按所利用的电磁波的光谱段可分为可见光/反射红外遥感、热红外遥感、微波遥感三种类型。

3.1.1　可见光/反射红外遥感

可见光/反射红外遥感主要指利用可见光(0.4～0.7μm)和近红外(0.7～2.5μm)波段的遥感技术统称。可见光在电磁波谱中，只占一个狭窄的区间，波长范围0.4～ 0.76μm。它由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫色光组成。人眼对可见光可直接感觉，不仅对可见光的全色光，而且对不同波段的单色光，也都具有这种能力。所以可见光是作为鉴别物质特征的主要波段。在遥感技术中，常用光学摄影方式接收和记录地物对可见光的反射特征。近红外在性质上与可见光相似，由于它主要是地表面反射太阳的红外辐射，因此又称为反射红外。在遥感技术中采用摄影方式和扫描方式，接收和记录地物对太阳辐射的红外反射。在摄影时，由于受到感光材料灵敏度的限制，目前只能感测0.76～1.3μm波长范围。近红外波段在遥感技术中也是常用波段。

可见光与发射红外共同的特点是，其辐射源是太阳，在这两个波段上只反映地物对太阳辐射的反射，根据地物反射率的差异，就可以获得有关目标物的信息，它们都可以用摄影方式和扫描方式成像。

在旱情遥感监测中，常用的可见光/发射红外遥感数据源包括美国陆地卫星Landsat (TM、ETM+、MSS、OLI数据)、法国SPOT卫星(HRV高分辨率可见光遥感器数据)、印度系列遥感卫星IRS-1C/1D、美国国家海洋大气局第三代气象观测卫星NOAA (AVHRR数据)、中国气象卫星FY 1/2/3、中国环境系列卫星HJ 1A/1B、中国高分系列卫星、中巴地球资源卫星CBERS、美国Terra/Aqua卫星(MODIS数据)等。常用数据源参数见表3.1。

考虑到数据的可获取性以及经济型，幅宽窄、价格高的高分辨率可见光/近红外遥感卫星数据并不适合旱情监测。下面主要介绍我国高分一号卫星(GF-1)(表3.2)。

高分一号卫星于2013年4月26日在甘肃酒泉卫星发射升空，搭载了两台2m分辨率全色/8m分辨率多光谱相机、四台16m分辨率多光谱相机。它具有高、中空间分辨率对地观测和大幅宽成像结合的特点，2m分辨率全色和8m分辨率多光谱图像组合幅宽优于60km，16m分辨率多光谱图像组合幅宽优于800km，为国际同类卫星观测幅宽的最高水平，大幅提升观测能力，并对大尺度地表观测和环境监测具有独特优势。它的重访周期为4天，而世界上同类卫星的重访周期多为10余天，实现了高空间分辨率和高时间分辨率的结合(表3.3)。

高分一号卫星突破了高空间分辨率、多光谱与高时间分辨率结合、多载荷图像拼接融合、高精度高稳定度姿态控制、5～8年寿命、高可靠、高分辨率数据处理与应用等诸多关键技术，对于推动我国卫星工程水平的提升，提高我国高分辨率数据自给率，具有重大战略意义。高分一号卫星16m分辨率多光谱图像组合幅宽优于800km，可广泛应用于大范围区域旱情监测中。

3.1.2　热红外遥感

热红外遥感指通过红外敏感元件，探测物体的热辐射能量，显示目标的辐射温度或热场图像的遥感技术的统称。中红外、远红外和超远红外是产生热感的原因，所以又称为热红外。自然界中任何物体，当温度高于绝对温度(-273.15℃)时，均能向外辐射红外线。物体在常温范围内发射红外线的波长多在3～4μm之间，而15μm以上的超远红外线易被大气和水分子吸收，所以在遥感技术中主要利用3～15μm波段，更多的是利用3～ 5μm和8～14μm波段。红外遥感具有昼夜工作的能力。

在旱情遥感监测中，常用的热红外遥感数据源包括FY-3极轨气象卫星VIRR (可见光红外扫描辐射计)、NOAA极轨气象卫星AV HRR(改进的甚高分辨率扫描辐射计)、HJ-1B卫星IRS(红外多光谱相机)、EOS卫星MODIS(中分辨率成像光谱仪)、LANDSAT-7卫星ETM(增强型专题制图仪)等。常用热红外卫星通道参数见表3.4。

在热红外遥感数据中，MODIS影像获取方便、时间分辨率高，是目前常用的旱情遥感监测数据。

MODIS(Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer)为中分辨率成像光谱仪。1998年MODIS机载模型器安装到EOS-AM(上午轨道)和PM(下午轨道)系列卫星上，从1999年12月正式向地面发送数据。MODIS数据具有全球免费、光谱范围广、数据接收简单、更新频率高等特点，具体技术指标见表3.5。

MODIS数据共有36个波段，其每个波段的波谱范围、信噪比、主要用途和分辨率见表3.6。

3.1.3　微波遥感

微波遥感指利用波长1～1000mm电磁波遥感的统称。微波的波长范围1～1000mm。微波又可分为毫米波、厘米波和分米波。微波辐射和红外辐射两者都具有热辐射性质。由于微波的波长比可见光、红外线要长，能穿透云、雾而不受天气影响，所以能进行全天候全天时的遥感探测。微波遥感可以采用主动或被动方式成像，另外，微波对某些物质具有一定的穿透能力，能直接透过植被、冰雪、土壤等表层覆盖物。因此，微波在遥感技术中是一个很有发展潜力的遥感波段。

微波遥感可以分为无源(被动)和有源(主动)微波遥感两大类。被动微波主要包括微波辐射计，星载微波辐射计如AMSR-E、SMOS等，而主动微波又可分为散射计、高度计和合成孔径雷达(SAR)。微波高度计常被用于海冰、海面风速以及内陆湖泊水位的测量，如搭载在ENVISAT卫星上的RA-2高度计。散射计设计之初被用来测量海面风速，后来也被人们用来研究土壤水分的反演，如ASCAT。星载微波辐射计和散射计由于空间分辨率较低，常被用于全球尺度的土壤水分研究中，关于这些微波辐射计、散射计及其土壤水分产品将在8.4中进行详细介绍，本节主要介绍SAR数据。

SAR由于具有较高的空间分辨率(1～1000m)，且对土壤水分较为敏感，成为土壤水分的研究热点。目前应用较为广泛的包括:德国发射的Terra SAR-X(X波段，全极化)，欧空局研制的ENVISAT-1 ASAR(advanced synthetic aperture radar，C波段，双极化)、Sentinel 1(A，B双星，C波段，双极化)，加拿大太空署发射的RADARSAT 2(C波段，全极化)，中国发射环境卫星(搭载S波段雷达，VV极化)，日本发射的ALOS-PALSAR(phased array L-band synthetic aperture radar，L波段，全极化)以及ALOS2-PALSAR 2(L波段，全极化)。这些SAR的成功发射，极大地促进了SAR土壤水分反演的研究;另外，多个国家，包括中国在内，在未来5年内将会有更多的SAR发射升空(表3.7)。

以上正在运行的SAR中，Sentinel-1数据是唯一可以免费获取的SAR数据，且Sentinel-1数据的空间分辨率和幅宽均能满足旱情监测的需求，故在以下内容重点介绍Sentinel-1数据。Sentinel-1卫星是欧洲“哥白尼”(Copernicus)计划(之前称为“全球环境与安全监测”计划)的一部分，由两个完全一致的Sentinel-1A和Sentinel-1B星组成，卫星装载C波段的SAR，以接替于2012年失效的ENVISAT上搭载的ASAR，从而保持高分辨率SAR数据的连续性[2]。其中，Sentinel-1A和Sentinel-1B分别于2014年4月3日和2016年4月25日发射成功。

Sentinel-1携带的C频段合成孔径雷达由阿斯特留姆公司研制，它继承了ERS和ENVISAT上合成孔径雷达的优点，具有全天候成像能力，能提供高分辨率和中分辨率陆地、沿海和冰的测量数据。搭载的SAR的参数性能见表3.8。

Sentinel-1星上合成孔径雷达有4种成像模式[4]:

(1)条带模式(Strip Map Mode，SM)。幅宽80km，空间分辨率5m×5m，6个重复的测量带能覆盖所要求的375km的范围。

(2)干涉测量宽幅模式(Interferometric Wide-swath mode，IW)。幅宽250km，空间分辨率5m×20m，通过充分交叠多普勒频谱(方位范围)和波束频谱(仰角范围)来确保干涉测量。该模式为陆地观测的标准模式，可满足大部分当前未知的服务需求，避免冲突和保持重访能力，提供服务鲁棒性和可靠性，简化任务规划，降低运行成本，并建立长期存档，满足未来的数据需求。

(3)超宽幅模式(Extra Wide swath mode，EW)。分辨率25m×100m(三视角)，低分辨率(20m×40m)下的幅宽为400km。

(4)波模式(Wave mode，WV)。由各个条带工作组成，具有交替的仰角波束和固定的开关占空因子。分辨率5m×5m。沿轨每间隔100km采样图像大小为20km×20km。

除了波模式为单极化模式(HH或VV)外，其他工作模式均支持双极化(HHHV，VV-VH)运行，四种模式的具体参数见表3.9。