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用無人機(jī)搭載總輻射表估算反照率的新方法

背景

康奈爾大學(xué)Goodale & Fahey Labs博士生夏洛特·利維（Charlotte Levy）和無人機(jī)成像服務(wù)公司的馬丁·拉坎斯（Martin LaChance）認(rèn)為，了解全球氣候變化是一個(gè)復(fù)雜的過程，因?yàn)殡y以測(cè)量的變量的微小變化可能會(huì)產(chǎn)生重大影響。反照率是表面反射率的一種量度。當(dāng)一個(gè)表面反射太陽能，而不是吸收它作為熱量，它可以導(dǎo)致局部和全球的主要冷卻。

想想夏季乘坐白色汽車和黑色汽車的區(qū)別。表面反射的能量從來沒有機(jī)會(huì)加熱汽車內(nèi)部。反照率在不同的表面上會(huì)有很大的差異（想想雪地或森林景觀），導(dǎo)致輻射平衡在氣候上的顯著差異。

可用反照率數(shù)據(jù)的有限分辨率

反照率和土地利用模式的研究通常依賴于寬帶衛(wèi)星反照率產(chǎn)品的估計(jì)。然而，最常用的反照率數(shù)據(jù)集，MODIS雙向反射分布函數(shù)（BRDF）、最低點(diǎn)BRDF調(diào)整反射率（NBAR）和反照率產(chǎn)品（MCD43）具有500米的空間分辨率限制，盡管生態(tài)社區(qū)聲稱需要更高分辨率的產(chǎn)品。

對(duì)反照率進(jìn)行更全面估計(jì)的嘗試有多種形式，并且有其自身的局限性。全國(guó)各地的固定塔允許對(duì)反照率隨時(shí)間的變化進(jìn)行精細(xì)量化，但其覆蓋很小，可能無法準(zhǔn)確表示較大地塊的變化。

利用無人機(jī)測(cè)量反照率的新方法

我們開發(fā)了一種估算反照率的新方法，該方法提高了使用輕型低空無人機(jī)（UAV，也稱為無人機(jī)）進(jìn)行測(cè)量的靈活性和可承受性。隨著這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展和聯(lián)邦使用法規(guī)的放松，無人機(jī)越來越多地被視為粗分辨率衛(wèi)星估算和特定地點(diǎn)地面測(cè)量之間的折衷方案。最近對(duì)聯(lián)邦航空局法規(guī)的調(diào)整使無人機(jī)技術(shù)比以往任何時(shí)候都更容易獲得，現(xiàn)在它為反照率估計(jì)提供了一個(gè)可行的工具。

測(cè)量設(shè)備

短波寬帶反照率的測(cè)量是使用Kipp&Zonen CMP6和CMP3總輻射表收集的。入射的短波輻射由CMP6測(cè)量，CMP6安裝在9米伸縮桅桿的頂部，并由Kipp&Zonen METEON數(shù)據(jù)記錄器記錄。向下的CMP3被固定在定制無人機(jī)的底部，由機(jī)動(dòng)框架調(diào)平，數(shù)據(jù)由另一個(gè)儀表記錄。

將固定向上CMP6總輻射表的桅桿放置在起飛位置，距離向下CMP3的最終測(cè)量點(diǎn)約200m，由無人機(jī)固定在離地面120m的位置。反照率計(jì)算為兩臺(tái)總輻射表測(cè)量的入射和反射輻射的第三十二次平均值之間的比率。

該地點(diǎn)是紐約州立大學(xué)海貝紀(jì)念森林附近的一個(gè)研究地點(diǎn)，位于塔利鎮(zhèn)附近。該無人機(jī)于2016年7月27日進(jìn)行了多次飛行，飛行時(shí)間約為12分鐘。在太陽正午（13:11）前后的五次飛行中，無人駕駛飛機(jī)在指定的緯度和經(jīng)度以及指定的120米高度處飛行。根據(jù)本地觀測(cè)和總?cè)肷涮栞椛渲档陀谶x定閾值750W/m2的情況，消除了干擾云層的觀測(cè)。

用無人機(jī)進(jìn)行的第一次試驗(yàn)是有前途的

飛行證明，無人機(jī)安裝的總輻射表能夠?qū)Ψ瓷涞奶栞椛溥M(jìn)行一致的測(cè)量，得到的反照率值與類似林分的文獻(xiàn)一致。據(jù)我們所知，無人機(jī)的反照率測(cè)量以前沒有成功進(jìn)行過；然而，它們提供了一個(gè)重要的機(jī)會(huì)，可以在廣闊的空間范圍內(nèi)進(jìn)行靈活的測(cè)量。

雖然塔樓的最大可視區(qū)域有限，需要廣泛的基礎(chǔ)設(shè)施，且僅限于單個(gè)地理點(diǎn)，無人機(jī)測(cè)量可能允許對(duì)各種地表類型的反照率進(jìn)行詳細(xì)表征，可用于驗(yàn)證衛(wèi)星估計(jì)或表征衛(wèi)星估計(jì)無法充分捕捉的條件；例如，臨時(shí)樹冠積雪覆蓋，或生物質(zhì)作物林分的反照率差異。