地表粗糙度参数化研究综述_江冲亚

第3 期
江冲亚等： 地表粗糙度参数化研究综述
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动的等长探针进行测量， 测量时探头与地表接触， 通 （ 1 ） 。 板 过记录针尾的位置来绘制地表起伏廓线 图 式廓线测量是将一块绘制好格网的面板插入土壤 ， 通过记录土壤表面在格网上的位置来绘制廓线
［14 ］
并得以广泛应用。 三维激光扫描仪 了长足的进步， 是激光测距仪与角度测量系统组合的自动化快速测 量系统， 是实地高精度表面测量的有力工具（ 图 2 ） ［24］， Li激 光 雷 达 （ Light Detection And Ranging， DAR） 则进一步集成了全球定位系统和惯性导航系 统， 常被装载在各种飞行器上， 用于获取大面积、 高 精度的三维点云数据
［31 ］
。光源向地表垂直发射激光， 反射光通过聚焦
当仪器在导轨上移 装置投射到光敏二极管阵列上， 动时， 随着地表高度的起伏变化， 反射光的聚焦位置 也不相同， 电子元件处理光电二极管阵列上的信号 ， ［23 ］ 记录峰值强度的位置， 进而得到地表高度廓线 。 随着激光技术的飞速发展， 激光点云测量取得
［14 ］ ［19 ］
。 而近地面摄影测量
［30 ］
方法也在地球表面粗糙度研究中得以应用
［32 ， 33 ］
。
采用人工方式记录廓线也难免引入误差， 而自动化 ， 记录方式则会大大增加成本 有悖于针式测量本身 的优越性 。 2 ． 2 非接触测量技术 相比于接触测量技术， 基于激光的非接触测量 ［21 ］ 技术被引入地表观测的时间相对较晚 。 早期的 即激光发射源、 反 激光廓线测量仪由 5 个部分组成， 光聚 焦 装 置、 反 光 感 应 装 置、 处理电子元件和导 轨
机性能的高速发展， 摄影测量的精度也已经达到毫米 ［ 39 ］ 级 ， 摄影测量的劣势在于数据处理过程所需时间
294 较长
［ 19 ］
地球科学进展
第 27 卷
， 解决这一缺点依赖于计算机图形处理能力 ［ 40 ］ 与图像自动匹配技术等方面的改进 。
但实际上并不容易准确获取， 参数的定义看似简单， 这是由于地表起伏是一个平稳随机过程， 这一假设 在现实中往往并不成立
地表粗糙度参数化研究综述
1 1 1， 2 江冲亚 ， 方红亮 ， 魏珊珊
*
（ 1． 中国科学院地理科学与资源研究所资源与环境信息系统国家重点实验室 ， 北京 100101 ； 2． 东北师范大学城市与环境科学学院地理系 ， 吉林 摘 长春 130024 ）
要：粗糙度反映了地表的起伏程度， 是许多陆面过程的关键影响因子。 然而， 人们对地表系统 认识的不足， 造成现有的各种地表粗糙度参数化方案均存在一定的问题 。从地表测量技术、 粗糙度 相关参数和遥感研究 3 个方面对地表粗糙度参数化研究现状进行了综述 。针式廓线法和激光廓线 法是当前主流的地表测量技术， 而三维激光扫描和摄影测量技术已展示出了较大的潜力。 基于统 计方法和基于分形理论的粗糙度相关参数具有截然不同的物理意义 ， 但地表复杂的多尺度特性使 其中前者需要注意与经典 得很难用一类参数进行描述。光学遥感与微波遥感均具有广阔的前景， 粗糙度参数化方案相结合， 后者则需拓展在下一代遥感平台上的技术与方法 。 还针对不同尺度粗 地表粗糙度的空间异质性与各向异性 ， 以及三维表面粗糙度参数化等当前 糙度参数的比较与转换， 地表粗糙度参数化研究中的一些关键问题进行了讨论 。 关 键 词：地表粗糙度； 参数化； 遥感； 尺度 中图分类号：P931 文献标志码：A 8166 （ 2012 ） 03029212 文章编号：1001论文的第二部分介绍了不同的地表测量技术 ， 综述， 第三部分对不同的粗糙度相关参数进行了比较 ， 第 四部分总结了遥感粗糙度研究进展， 第五部分讨论 了当前研究中的一些关键问题， 并对地表粗糙度参 数化研究的深化提出了建议。
［18 ］ ［14 ］
图2 Fig． 2
三维激光扫描仪 3D laser scanner
另一种较常用的非接触测量技术是摄影测量。 该技术是通过相机拍摄立体像对来获得数字高程模 DEM ） ［26］。 早 在 Apol型（ Digital Elevation Models， lo11 和 12 计划中， 摄影测量技术便被用于获取月球 ［27 ， 28 ］ ， 表面立体像对数据 进而经过定量分析得到了 若干研究区的粗糙度参数
1
引
言
［1 ］ 对于地表粗糙度有 2 种理解 ： 一种是空气动 力学的概念， 即近地面风速廓线上风速值为 0 处的
高度， 另一种是地形学意义上的粗糙度 ， 反映了地表 。 的起伏程度 本文所讨论的后者所指的地表粗糙
［2 ， 3 ］ ［4 ， 5 ］ 、 、 度， 它是研究地表径流 蓄水能力 渗透速 ［6 ， 7 ］ ［8 ， 9 ］ 、 率 土壤侵蚀 等陆面过程及其空间分异的
2
地表测量技术
重要参数。由于地表粗糙度对电磁波的反射具有显 著的影响， 因此， 它也是光学与微波遥感关注的焦 点
［10 ， 11 ］
由于粗糙度反映的是地表的起伏程度 ， 因此， 传 统的粗糙度参数获取方法是先进行地表测量 ， 再根 据测量所得的高程数据计算粗糙度。 通常， 根据观 测方式是否需要与地表直接接触， 可将地表测量技 术分为接触测量技术和非接触测量技术 。 2 ． 1 接触测量技术 针式廓线测量是最早用于地表粗糙度定量研究 ［13 ］ 的技术 ， 它使用一排等间距排列的、 可以上下活
［22 ］ ［20 ］
其他非接触测量技术包括声波测量 、 超声波 ［34 ］ 、 测量 红外线测量 等， 但相比于激光和摄影 测量， 这些技术在地表观测方面并没有体现出优势 ， 因此并未得到广泛的应用。 激光廓线测量是目前精度最高的非接触测量技 术， 在水平和垂直方向上均可达到毫米级甚至亚毫米 ［ 19， 35 ］ ， 级 因此其应用也最为广泛， 但其劣势在于设备
［29 ］
， 具有较大的局限性。
接触测量技术最大的缺陷是会对观测对象产生 特别是对疏松颗粒或松软潮湿地表的破坏造 干扰， 成的微地形观测误差不可忽视 。 其次， 受设备的 可携带性影响， 其采样长度比较有限， 通常为 1 2 m， 最多不超过 4 m ， 对于针式测量， 受针尾大小 ［19 ］ 影响， 采样间距通常只能达到 1 2． 5 cm 。再次，
第 27 卷 第 3 期百度文库2012 年 3 月
地球科学进展 ADVANCES IN EARTH SCIENCE
Vol． 27 No． 3 2012 Mar． ，
2012 ， 27 （ 3 ） ： 292303． ［ Jiang Chongya，Fang Hongliang，Wei Shanshan． 江冲亚， 方红亮， 魏珊珊． 地表粗糙度参数化研究综述［J］． 地球科学进展， J］ ． Advances in Earth Science， 2012 ， 27 （ 3 ） ： 292303． ］ Review of land surface roughness parameterization study［
。然而， 目前人们对于地表这一复杂系统的
认识还不够深刻， 因此对地表粗糙度这一概念的定 ［12 ］ 量描述尚未形成统一的定义 ， 这无疑给各种应用 研究的深化以及不同研究的比较造成了不便 。针对 这一状况， 本文对地表粗糙度的参数化研究进行了
0316 ；修回日期：20120113． 收稿日期：2011* 基金项目：中国科学院 “百人计划” “遥感信息地学参数的获取及其与地表过程模型的同化” （ 编号： 09W90030ZZ） 资助． 项目 ）， mail： chongya@ 126． com 作者简介：江冲亚（ 1985男， 江苏南京人， 博士研究生， 主要从事植被与土壤定量遥感研究． E-
［25 ］
。
链式廓线测量则是将一根固定长度的铁链放在地表 上， 通过测量铁链的水平跨度与实际长度的关系来 度量地表粗糙度
［15 ］
。
。
图1
针式廓线测量仪
［16 ］
Fig． 1
Pin profiler［16］
针式廓线测量技术设备造价低廉 ， 使用方便， 至 ［17 ］ 。 今仍是许多研究采用的观测方法 尽管板式与 链式测量更加便宜便捷， 但是前者需要插入土壤， 在 地表比较坚硬的情况下难以使用， 并且对廓线的拍 照和数字化过程也存在较大的不确定性 ， 而后者 则无法获得整个廓线的形状， 只能使用廓线长度比 这一特定的粗糙度参数
［42 ］
3
粗糙度相关参数
。因此， 均方根高度和相
粗糙度参数是对地表起伏状况的一种数学表 达， 然而， 由于地表本身的复杂性， 往往很难采用一 个参数对其进行全面描述。 对同一个地表， 根据不 同的角度有许多不同粗糙度相关参数的定义 。经典 的粗糙度相关参数主要是基于对地表廓线的统计分 析。近年来， 基于分形理论的参数逐渐发展起来 。 3． 1 基于统计方法的粗糙度相关参数 经典的粗糙度相关参数均假设地表起伏是一个 平稳随机过程， 即统计量不随空间尺度的变化而变 化。设 z（ x） 表示一个随机过程， 在任意给定的廓线 其取值 z（ x i ） 是一个一维随机变量， 可以用 位置 x i ， 随机变量的统计特征来描述地表的起伏程度 。 度
表1 Table 1 不同条件下的地表粗糙度典型观测值 Typical observed value of roughness on various of conditions
廓线 地表类型 未耕土壤 播种土壤 旋耕土壤 凿犁土壤 板犁土壤 旋耕土壤， 降水 0 mm 旋耕土壤， 降水 30 mm 旋耕土壤， 降水 64 mm 旋耕土壤， 降水 100 mm 棉花田 小麦田 苜蓿田 牧草地 草地 农田 冲积扇 冲积扇 河漫滩 河漫滩 活动沙丘 活动沙丘 盐湖 盐湖 观测方法 针式测量 针式测量 针式测量 针式测量 针式测量 激光测量 激光测量 激光测量 激光测量 激光测量 激光测量 激光测量 激光测量 针式测量 针式测量 摄影测量 摄影测量 摄影测量 摄影测量 摄影测量 摄影测量 摄影测量 摄影测量 长度 /m 1． 00 1． 00 1． 00 1． 00 1． 00 1． 00 1． 00 1． 00 1． 00 1． 00 1． 00 1． 00 1． 00 1． 10 1． 10 0． 10 1． 00 0． 10 1． 00 0． 10 1． 00 0． 10 1． 00 采样 间距 /mm 5． 00 5． 00 5． 00 5． 00 5． 00 2． 00 2． 00 2． 00 2． 00 5． 00 5． 00 5． 00 5． 00 均方根 高度 /cm 0． 70 1． 00 1． 50 2． 30 3． 20 1． 57 1． 09 0． 91 0． 83 1． 23 0． 68 0． 50 1． 23 相关 长度 /cm － － － － － － － － － 11． 25 17． 25 13． 25 7． 75 ［ 16 ， 50］ ［ 49］ ［ 47］ 参考 文献
［41 ］
并且这种尺度问题 关长度都是依赖于观测尺度的， 存在 2 种观测因素， 即廓线长度和采样间距 （ 分辨 廓线长度越长， 采样间距越小， 则观测 率） 。通常， 到的地表越粗糙， 即较短的廓线长度和较大的采样 间距会造成地表粗糙度的低估
［43 ， 46 ］
， 并且， 这种观
测尺度的变化对相关长度的影响大于对均方根高度 ［44 ］ 的影响 。根据一些理论计算， 为了使均方根高度 和相关长度的精度达到 ʃ 10% ， 观测的廓线长度应 ［45 ］ 分别至少是相关长度的 40 倍和 200 倍 。 因此， 在使用基于统计方法的粗糙度相关参数时 ， 只有结 合观测的廓线长度和采样间距来考虑， 才能使结果 更有意义。表 1 列举了不同条件下的地表粗糙度典 型观测值。
［ 36 ］ 的便携性较差 ， 且观测范围也比较有限。基于机 载 LiDAR 的激光点云测量的优势则为能够获取大范 ［ 37 ］ 围的 DEM， 能够支持小区域的全面信息获取 。相 比之下， 摄影测量特别是手持摄影测量在成本、 便携 ［ 38 ］ 性和数据获取速度上都具有明显的优越性 ， 而航 空摄影测量同样能获取大范围的 DEM 数据， 随着相