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復(fù)雜的過程，因為難以測量的變量的微小變化可能會產(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)會加熱汽車內(nèi)部。反照率在不同的表面上會有很大的差異（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。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。

對反照率進(jìn)行更全面估計的嘗試有多種形式，并且有其自身的局限性。全國各地的固定塔允許對反照率隨時間的變化進(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)行測量的靈活性和可承受性。隨著這項技術(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)地面測量之間的折衷方案。最近對聯(lián)邦航空局法規(guī)的調(diào)整使無人機(jī)技術(shù)比以往任何時候都更容易獲得，現(xiàn)在它為反照率估計提供了一個可行的工具。

測量設(shè)備

短波寬帶反照率的測量是使用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)動框架調(diào)平，數(shù)據(jù)由另一個儀表記錄。

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的最終測量點(diǎn)約200m，由無人機(jī)固定在離地面120m的位置。反照率計算為兩臺總輻射表測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。

用無人機(jī)進(jìn)行的第一次試驗是有前途的

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)的反照率測量以前沒有成功進(jìn)行過；然而，它們提供了一個重要的機(jī)會，可以在廣闊的空間范圍內(nèi)進(jìn)行靈活的測量。

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，且僅限于單個地理點(diǎn)，無人機(jī)測量可能允許對各種地表類型的反照率進(jìn)行詳細(xì)表征，可用于驗證衛(wèi)星估計或表征衛(wèi)星估計無法充分捕捉的條件；例如，臨時樹冠積雪覆蓋，或生物質(zhì)作物林分的反照率差異。