利用Landsat TM数据和地面观测数据验证GLASS反照率产品

Global LAnd Surface Satellite Products System(GLASS)反照率产品基于Angular Bin(AB)算法,仅使用单一观测角度的地表或大气层顶反射率数据就能较为准确地反演地表宽波段反照率,具有较高的时间分辨率,可以反映降雪、融雪、收割等状况下地表反照率的快速变化。遵循"一检两恰"的验证流程对这一反照率产品进行验证,首先使用FLUXNET站点验证数据对AB算法反演的Landsat Thematic Mapper(TM)高分辨地表反照率数据进行验证,再将TM高分辨反照率聚合到GLASS像元尺度对GLASS反照率产品进行验证。挑选FLUXNET的5个站点,筛选无云条件下的TM高分辨率影像,共获得103组有效验证数据。验证结果表明,GLASS反照率产品具有较高的精度,总体误差约为0.0163,可以满足大多数应用的精度需求。     

集合卡尔曼滤波方法的高时空分辨率山区地表反照率反演EI北大核心CSCD

高分辨率地表反照率遥感产品以其空间分辨率高的优点,目前正成为区域能量平衡和气候变化研究的重要数据源。现行的高分辨率地表反照率遥感反演算法及数据产品均假设地表平坦且均一,缺乏对地表异质性和地形复杂性的考虑,将适用于平坦地表的反演算法应用于山区将存在一定的误差。改进的直接算法将直接反演算法与山地辐射传输模型结合,为反演山区高分辨率地表反照率提供了可能,可以反演山区地表反照率产品。但该算法受到下垫面积雪、云污染等影响,反演的影像时域不连续,且存在着较多的缺失值,无法构建时空连续的地表反照率产品来支撑山区地表能量平衡相关研究。针对这一问题,本文以高分四号(GF-4)卫星数据为例,首先基于改进的直接反演算法反演山区高分辨率地表反照率,结合MODIS BRDF/Albedo产品构建先验知识背景场,采用集合卡尔曼滤波方法对反演的山区地表反照率进行时空填补,构建了时空连续的地表反照率反演方法,并生产了2016年—2017年的山区地表反照率产品。研究结果表明,反演的时空连续高分辨率地表反照率产品与地面站点观测数据的一致性较好。不同坡度地面站点的验证结果显示,反演的时空连续地表反照率产品在湿地、农田等平坦地表下RMSE小于0.01,坡度较大的站点下RMSE为0.0163。本文描述的山区地表反照率时空填补技术也可以应用到其他定量遥感产品,为这些产品在山区地表下的填补技术提供有效参考。     

格陵兰地区GLASS反照率产品质量评价及反照率变化趋势分析

冰雪反照率是影响和评估全球气候变化的重要因子。北极格陵兰岛拥有世界第二大冰盖,定量获取该地区反照率是研究北半球能量收支变化的关键。全球陆表卫星(global land surface satellite,GLASS) 产品系统生产的反照率产品是目前国际上时间序列最长（1981—2017年）的全球反照率产品。利用格陵兰气候观测网络(Greenland climate network, GC-Net)与格陵兰冰架监测计划(programme for monitoring of the Greenland ice sheet, PROMICE)网络观测的反照率数据,评估了格陵兰地区GLASS地表反照率产品的精度;并基于2000—2017年的GLASS地表反照率产品,分析了格陵兰地区7月份反照率的年际变化趋势与空间分布特征。结果表明:GLASS与GC-Net反照率的均方根误差(root mean squared error, RMSE)为0.077 8(决定系数R2=0.490 7),与PROMICE反照率差异的RMSE为0.078 6(R2=0.899 9),GLASS产品的反照率数值呈现一定的低估现象,但已满足格陵兰地区冰雪反照率研究的需要。基于2000—2017年7月份格陵兰地区的GLASS反照率变化分析可以看出,格陵兰地区的反照率在此期间整体呈现变小的趋势,平均速率约为0.000 6 /a,变小的地区约占格陵兰总面积的64%;其中,位于格陵兰西部海拔750~1 500 m之间的区域对气候变化最为敏感,反照率变小速率也最大,达到了0.026 /a。     

3种反演算法的地表反照率遥感产品对比分析

地表反照率对于地表能量平衡和全球气候变化具有重要的影响。近年来,地表反照率产品已经取得了较为广泛的应用,但是仍存在时间分辨率低和数据缺失等问题。本文基于均匀站点观测数据与MODIS的MCD43B3产品验证了GLASS(Global LAnd Surface Satellite)地表反照率产品的3种算法及其对应的反照率产品:AB1(ABD01)、AB2(ABD03)和STF(ABD06)。并分析比较了GLASS反照率初级产品到最终产品的质量提升。结果表明:最终产品ABD06与地面观测数据符合最好,RMSE为0.050,R2为0.788;同时,ABD06与MCD43B3反照率产品一致性最好,RMSE优于0.03,R2达到0.9,且ABD06有效数据最多(ABD01为4290,ABD03为3296,ABD06为5507),比较适合生产长时间序列的反照率产品。大量数据的统计结果还表明:3种GLASS产品80%以上的数据与地面观测数据的偏差均能满足气候模式对反照率的精度要求(0.02—0.05)。     

利用BRDF原型和单方向反射率数据估算地表反照率

地表反照率是影响地表能量收支平衡的决定性参数之一,精确反演地表反照率需要考虑地表各向异性反射特征。本文尝试以双向反射分布函数BRDF原型为地表各向异性反射的先验知识,通过单方向反射率反演地表反照率。首先根据地面实测及MODIS多角度反射率数据对反演方法进行分析和精度评价,然后借助MODIS BRDF产品统计出研究区的主导BRDF原型,并联合环境一号卫星(HJ-1)单方向反射率数据反演30 m地表反照率,最终将结果与地表实测数据进行比较。结果表明:BRDF原型对BRDF的变化进行了约束,且能够适用于几十米尺度的遥感数据反照率的反演;不同级别的各向异性反射特征的分布是不均一的,借助于主导BRDF原型能够使大部分样本的地表反照率满足精度要求;利用研究区MODIS BRDF产品统计得到的主导BRDF原型为先验知识,通过HJ-1数据反演得到的地表反照率与地表实测反照率有较高的一致性,而朗伯假定条件下的反照率高于实测结果。本文算法简单高效,可为产生全国范围的中高分辨卫星反照率产品提供有价值的算法参考。     

机载WIDAS数据的Landsat卫星反照率初步验证

随着精细化监测的需求,中高空间分辨率的地表反照率产品逐渐成为气候模型的主要输入。目前,中高空间分辨率反照率产品的验证主要基于地表站点的通量塔观测数据,区域机载飞行数据的验证依然相对较少。因此,本文基于区域机载数据验证Landsat反照率产品。针对内蒙古自治区根河森林试验区所获取的机载红外广角双模式成像仪(WIDAS)多角度反射率数据,应用BRDF原型反演算法估算其反照率,分析了应用机载数据验证中高空间分辨率反照率产品的潜力。2016年内蒙古根河森林试验区机载WIDAS飞行多角度观测的可用多角度范围为25°,以前的研究表明BRDF原型反照率反演算法表现出对小观测角度的反照率反演结果的鲁棒性。因此,机载WIDAS反照率在一定程度可用于星载反照率的验证。首先,基于核驱动模型和各向异性平整指数(AFX)提取了试验区4种MODIS二向性反射分布函数(BRDF)原型;然后,将其作为先验知识应用到根河森林WIDAS机载数据的反照率反演中;最后,用WIDAS反照率和单个地面通量塔观测的反照率对Landsat卫星数据的反照率进行初步验证。验证结果表明Landsat反照率与WIDAS反照率结果较为一致,但略有低估,总体均方根误差(RMSE)约为0.02,偏差为0.0057。在多角度观测范围较小时,BRDF原型的反照率反演算法可为星载地表反照率的验证提供了一种有效的验证手段。     

多尺度地理加权回归的地表温度降尺度研究

由于星载热红外传感器研发技术的局限性,单一传感器尚不能提供兼具高频次、高空间分辨率地表温度数据。协同其他遥感辅助数据,对低空间分辨率、高时间频次地表温度产品开展降尺度研究成为了解决这一难题的有效途径。然而由于现有地表温度降尺度方法未充分考虑不同地表状态参数对地表温度空间分异格局的尺度影响差异,降尺度后的地表温度数据在异质性景观区域存在精度较差和空间纹理不清晰的问题。鉴于此,本文以北京和张掖地区的8期MODIS地表温度产品为例,通过引入多尺度地理加权回归MGWR（Multiscale Geographically Weighted Regression）来分析归一化植被指数NDVI、数字高程模型DEM、坡度和经纬度对地表温度空间格局影响的尺度差异,提出一种针对MODIS地表温度产品的空间降尺度算法,并与TsHARP算法、多元线性回归算法、地理加权回归算法和随机森林回归算法进行定量对比。结果表明,基于MGWR模型的地表温度降尺度转换函数能够良好地揭示多种地表状态参数与地表温度间的不同作用关系,其中NDVI和坡度对地表温度分布具有全局影响,DEM和经纬度对地表温度呈现出了局域性作用。与4种代表性方法相比,基于MGWR算法降尺度后的100 m分辨率地表温度数据具有更好的空间纹理,在城镇和沙漠等温度异质性明显地区保障了清晰的景观纹理;另外,对于所选研究区的8期MODIS地表温度产品而言,利用MGWR算法降尺度后的地表温度均拥有更好的精度,在0—1 K误差级别下的面积占比均大于57%,均方根误差RMSE（Root-Mean-Square Error）均小于2.85 K,决定系数R²（coefficient of determination）均大于0.88。     

利用中国通量网和MODIS数据评估MISR地表反照率产品

地表反照率是反映地表能量平衡的重要参数。本文通过中国陆地生态系统通量观测研究网络的实测反照率和MODIS的地表反照率产品对MISR的短波反照率数据进行验证和分析:提取了中国通量网中的8个站点的数据和对应的MODIS、MISR的反照率产品用于验证。验证的结果显示,在多数站点,MISR短波反照率能与地面数据相吻合,大部分的反演误差都集中在0.04以内;MISR与MODIS短波反照率的吻合度更高,总体的误差为0.018,均方根误差在0.04左右。总的来说,MISR地表反照率产品具有较高的反演质量。     

Landsat 8地表温度反演及验证—以黑河流域为例

地表温度是区域和全球尺度地表物理过程的一个重要参数,目前已有的地表温度产品空间分辨率较低,缺乏高空间分辨率的地表温度产品。Landsat系列卫星提供了大量免费的高空间分辨率遥感数据,然而对应的高空间分辨率地表温度产品还未见到,为了获取长时间序列的高空间分辨率地表温度数据,针对Landsat 8 TIRS数据提出了一个物理单通道地表温度反演算法。该算法首先利用ASTER全球地表发射率产品(ASTER GED)结合Landsat 8地表反射率产品计算Landsat 8影像的地表发射率,然后利用快速辐射传输模型RTTOV结合MERRA大气廓线数据对热红外影像进行大气校正,最后利用物理单通道地表温度反演算法得到地表温度。利用黑河流域HiWATER试验2013年—2015年15个站点的实测地表温度数据对本文方法和普适性单通道算法进行了验证,同时对验证站点的空间异质性进行了分析。结果表明,本文方法和普适性单通道算法估算的地表温度整体精度均较高,能够获取高精度、高空间分辨率的地表温度数据,可以服务于城市热岛效应、地表蒸散发估算等相关研究。     

基于HJ-1A/B CCD地表反照率估算方法比较与验证

高空间分辨率地表反照率数据集对天气预报和气候变化研究具有重要意义。环境减灾小卫星(HJ-1A/B)上搭载的CCD传感器,可以提供大幅宽、短重访周期的30 m空间分辨率对地观测数据,适用于生成高空间分辨率的地表反照率数据集。但是,目前对基于HJ-1A/B CCD数据地表反照率估算方法的图像精细度和估算精度还缺乏系统性的评价和比较验证。因此从图像精细度和估算精度2个方面,评价了基于HJ-1A/B CCD数据的2种地表反照率估算方法:基于地表反射率的直接反演算法(direct estimation algorithm-surface reflectance,DEA-SUR)和基于MODIS核系数(MODIS kernel coefficients,MKC)的估算方法。在图像精细度评价中,采用目视判读和清晰度指数方法进行定性和定量评价,发现相比于MODIS反照率产品,DEA-SUR和MKC这2种估算方法获得的结果图像精细度均有明显提高,其中DEA-SUR方法显著改善了MKC方法存在的马赛克现象;在估算精度验证中,基于US-MMS、长岭、盈科和纳木错4个站点进行了验证和比较分析,结果表明,DEA-SUR和MKC算法估算精度相当,在无积雪覆盖时DEA-SUR和MKC算法的估算均方根误差为0. 015～0. 041,在积雪覆盖地表估算误差显著增大。     

利用SARA结合高分一号数据反演气溶胶光学厚度

简化的气溶胶反演算法(simplified aerosol retrieval algorithm, SARA)摆脱了传统气溶胶光学厚度(aerosol optical depth, AOD)反演算法对查找表的依赖,在暗地表区域和亮地表区域均有较好的反演效果。由于中分辨率成像光谱仪(moderate resolution imaging spectroradiometer, MODIS)数据得到的AOD空间分辨率不足,因此在SARA的基础上结合更高空间分辨率的高分一号(GF-1)宽视场(wide field of view, WFV)数据开展了AOD反演研究。精度验证结果表明,反演结果与地基观测值具有较高的一致性,相关系数为0.962,均方根误差为0.073,平均绝对误差为0.051,预期误差为88.6%;反演结果与同期的MODIS气溶胶产品相比,空间上分布较为一致,且具有较高的空间覆盖度、分辨率和精度。针对高分数据的算法适用性研究表明,GF-1 WFV相机的观测几何和辐射定标误差引起的反演误差较小,绝对误差均在0.04以内,相对误差均在10%以内。     

FY-3D MERSI-II地表温度遥感反演与验证

地表温度是是决定地表辐射能量收支的重要变量,在岩石圈、水圈、生物圈和大气圈的能量平衡和水量平衡研究中起着重要作用。利用热红外遥感技术可实现区域和全球尺度地表温度的快速获取,其受到了研究者的广泛关注。目前,FY-3D是国内光谱分辨率最高的对地观测卫星,极大的提高了对地观测能力,其搭载的中分辨率光谱成像仪（MERSI-II）经过大幅升级改进,性能有了显著提升,热红外数据的空间分辨率达到了250 m。本文使用大气辐射传输模型MODTRAN 5模拟了MERSI-II传感器热红外通道星上观测数据。在此基础上,构建了通用劈窗地表温度反演模型,结合ASTER GED全球地表发射率产品以及MERSI-II自身大气水汽反演算法,发展了地表温度遥感反演方法。最后,利用2019-08内蒙古乌海沙漠地区及美国SURFRAD多个站点的实测地表温度数据对本文提出的方法进行了验证。研究结果表明,相较地表实测数据,构建的劈窗算法反演的地表温度RMSE在1.6—2.6 K,反演精度达到了预期目标,还具有较高的空间分辨率,可以用于业务化的地表温度的反演,同时也说明其辐射定标精度有了一定保证,有效满足了区域和全球尺度地表温度遥感监测应用需求。     

先验知识估算HJ-1 CCD数据地表反照率

以黑河实验区为例, 基于HJ-1 CCD数据和中分辨率成像光谱仪(MODIS) 二向性反射(BRDF)和反照率产品的备用算法(算法Ⅰ), 贝叶斯原理的反照率反演算法(算法Ⅱ)和地表朗伯假设的算法(算法Ⅲ)成功估算了地表短波反照率。对反演结果进行分析并与地表观测数据进行比较, 结果表明: (1) 高分辨率的HJ-1卫星地表反照率不仅能够提供下垫面主要的空间分布特征, 还能提供地表细部结构;(2) 两种基于先验知识的地表反照率和MODIS产品接近, 绝对误差为0.01, 相对误差为4%, 而算法Ⅲ的绝对误差为0.03, 相对误差为13%; 算法Ⅰ和Ⅱ对反照率的改善对地表类型的依赖不明显, 相对误差集中在2%-8%, 反演结果对时相变化依赖较为显著, 在植被最茂盛的季节反照率改善作用明显优于凋谢季;(3) 算法Ⅰ和算法Ⅱ的结果与地表观测结果更为吻合, 均方根误差在0.05以内, 相对误差小于23%, 而算法Ⅲ的均方根误差为0.069, 相对误差为36.3%;(4) 先验知识的作用可能依赖于太阳和观测几何的相对位置, 因此可能依赖于季节和纬度的变化, 以及传感器的成像方式。该研究对缺乏多角度观测的星载传感器的反照率反演有重要的参考价值。     

耦合MOD16和SMAP的微波土壤湿度降尺度研究

局域尺度上的水文或农业应用亟需较高空间分辨率的土壤湿度(SM)数据,微波土壤湿度空间降尺度是实现这一需求的重要途径。其中"光学/热红外与微波数据融合"的降尺度方法展现出了较大的应用潜力,然而这类方法依赖于遥感地表温度LST (Land Surface Temperature)或由LST分解得到的SM指数,受限于LST"云污染"、LST与SM解耦效应和LST分解不确定性等问题。为规避上述问题,本文通过构建3种地表蒸散效率LEE(Land surface Evapotranspiration Efficiency)与SM的降尺度函数关系(指数、余弦、余弦平方),利用MODIS地表蒸散数据(MOD16A2)计算得到的LEE (空间分辨率500 m)实现了SMAP土壤湿度产品(空间分辨率36 km)的空间降尺度。研究从动态范围、能量守恒、SM地面稀疏验证站、SM地面核心验证站等角度对降尺度算法进行评价分析。结果表明,本算法有效增加了原SM产品的空间细节特征、保持了原SM产品的动态范围并且降尺度前后能量守恒;与地面验证数据的对比分析表明,降尺度结果有效保持了原SM与地面实测数据的良好一致性;敏感性分析表明,余弦平方函数对MOD16A2产品误差的敏感性相对最小。     

高分五号全谱段光谱成像仪地表温度与发射率反演

地表温度在全球能量平衡和气候变化研究中具有重要意义。中国新一代高分辨率卫星高分五号卫星(GF-5)搭载的全谱段成像光谱仪有4个40 m空间分辨率的热红外波段,可以提供高空间分辨率的地表温度信息。本文提出了适用于全谱段成像光谱仪的温度与发射率分离TES(Temperature and Emissivity Separation)算法同时反演地表温度和发射率,为了提高大气校正精度,算法加入了水汽缩放WVS(Water Vapor Scaling)大气校正方法。首先利用Seebor V5.0全球大气廓线库构建模拟数据对算法精度进行了评价;然后利用张掖地区11景ASTER影像作为替代数据和同步的地面实测数据对算法精度进行了验证。模拟数据结果表明加入WVS方法后TES算法反演地表温度的RMSE由2.59 K降低到1.54 K,4个波段地表发射率的RMSE分别从0.122、0.12、0.102和0.037降低到0.042、0.04、0.028和0.026;地表验证结果表明本文算法反演的地表温度与站点实测值具有更好的一致性,平均Bias由1.08 K降低到0.47 K,RMSE由2.17 K降低到1.7 K;反演的各波段地表发射率与地面实测结果误差均小于1%。因此,本文提出的温度与发射率分离算法具有较高精度,可以利用GF-5数据获取高精度高空间分辨率的地表温度和发射率数据,服务于其他相关研究。     

地面和机载多角度观测数据的反照率反演及对MODIS反照率产品的初步验证

MODIS的反照率产品采用半经验的二向性反射核驱动模型算法(AMBRALS),对16天累积观测的多角度遥感数据进行反演。产品的应用需要相关研究的地面观测数据进行验证。主要研究基于地面气象台站用反照率表观测的反照率数据、地面和机载多角度遥感数据通过AMBRALS算法反演得到的反照率,与MODIS相应的地面反照率产品做比较的降尺度验证方法,并提供对MODIS反照率产品的初步验证结果。     

高分四号静止卫星数据的地表反照率反演

地表反照率(Albedo)是描述地表辐射能量平衡的重要参数,为了获得高分四号(GF-4)静止卫星的地表反照率产品,构建了一种基于核驱动双向反射率分布(BRDF)模型的反照率反演方法。首先,探索核驱动BRDF模型对GF-4卫星数据的适用性,加入地表分类信息,为核系数赋初值,并引入鲍威尔迭代算法优化模型结果。然后,对BRDF模型进行角度积分获得各个波段的地表窄波段反照率。在此基础上,结合GF-4卫星光谱响应函数与光谱库,首次建立了将窄波段反照率到宽波段反照率的转换系数,并反演得到0.4—0.7μm和0.3—3.0μm的宽波段反照率。最后,利用Landsat 8卫星数据和MODIS地表反照率产品对基于GF-4卫星数据的地表反照率反演结果进行交叉验证。Landsat 8与GF-4的反照率结果对比表明,GF-4卫星可见光范围内的反照率反演结果精度为85.6%,短波范围内的反照率反演结果精度为93.4%;MODIS与GF-4的反照率结果对比表明,可见光范围的地表反照率精度达到87.7%,短波范围的地表反照率精度达到85.9%。这说明GF-4卫星地表反照率反演结果具有较高精度,GF-4卫星反照率产品具有一定应用潜力。     

融合Landsat ETM+和MODIS数据估算高时空分辨率地表短波反照率

提出一种通过融合高空间低时间分辨率、低空间高时间分辨率地表短波反照率,来估算高时空分辨率地表短波反照率的方法。首先,利用Landsat ETM+数据,通过窄波段到宽波段的转换得到一景或多景空间分辨率较高的ETM+蓝天空短波反照率;然后,在MODIS短波反照率产品基础上,以天空光比例因子为权重,得到空间分辨率较低的MODIS蓝天空短波反照率;最后,利用STARFM(Spatial and Temporal Adaptive Reflectance Fusion Model)模型融合ETM+短波反照率的空间变化信息和MODIS短波反照率的时间变化信息,得到高时空分辨率的地表短波反照率。针对STARFM模型在异质性区域估算精度降低的问题,通过以MODIS反照率影像各像元的端元(各地类)反照率取代MODIS像元反照率来提取时空变化等信息参与STARFM模型的融合过程,达到提高异质性区域估算精度的目的。结果显示,直接利用STARFM模型估算得到的高空间分辨率地表短波反照率处在合理的精度范围内(RMSE0.02),用改进后的STARFM模型估算得到的异质性区域短波反照率和真实ETM+短波反照率间的相关系数增大。     

尺度效应的叶面积指数产品真实性检验方法

真实性检验是评价遥感反演产品质量和验证遥感应用产品是否准确、真实地反映实际情况的重要途径。叶面积指数(LAI)是表征陆地植被结构和长势的关键参数,全面准确评价和验证LAI产品是产品用于陆面过程模型的前提。本文以MODIS LAI与GLASS LAI产品为研究对象,在尺度效应和尺度转换的基础上,建立了针对非均匀像元的低分辨率LAI产品真实性检验方法。在考虑空间异质性和植被长势差异的情况下,借助中分辨率的遥感影像,分别利用1 km像元平均叶面积指数和反演表观叶面积指数实现了对LAI算法和产品的真实性检验。为了比较作物长势差异和地表非均匀度对产品的影响,本文选择有代表性的河南鹤壁和甘肃张掖两个地区进行两种LAI产品真实性检验研究。研究结果表明,GLASS LAI和MODIS LAI产品均存在明显的低估现象。这并不是产品算法的问题,而是由于地表异质性和非均匀度的影响。在异质性更显著的张掖盈科灌区,低估现象更明显。GLASS LAI产品是多种LAI产品的融合,它的平均LAI比MODIS更接近真实情况,但是LAI的动态范围比MODIS窄。     

GLASS叶面积指数产品验证

在国家高技术研究发展计划(863计划)重点项目的支持下,已利用MODIS和AVHRR地表反射率数据生成了1981年—2012年的GLASS(Global LAnd Surface Satellite)叶面积指数(LAI)产品。本文从两个方面对GLASS LAI产品的质量进行分析和评价:(1)与现有的全球LAI产品进行比较,分析GLASS LAI产品的时空变化特征;(2)利用LAI的地面测量数据,对GLASS LAI的精度进行评价。研究结果表明:GLASS LAI与CCRS LAI在高纬度和赤道附近区域的差异较大;相对而言,GLASS LAI与MODIS(主算法反演)和CYCLOPES LAI在空间分布上具有更好的一致性;GLASS和CYCLOPES LAI的时间序列曲线连续平滑,MODIS LAI在一些区域的植被生长季节存在剧烈的跳跃;与LAI的地面测量数据进行比较,GLASS LAI产品的R2为0.76,RMSE为0.51,结果明显优于MODIS和C YCLOPES LAI产品。