机载WIDAS地表观测的BRDF原型反演算法验证

地表反照率表征地面对太阳辐射的反射能力,在地表能量平衡中起着重要的作用。2008年黑河的WATER实验中,针对机载红外广角双模式成像仪(WIDAS)观测角度小的特点,发展了一种基于MODIS二向性反射分布函数(BRDF)原型估算WIDAS反照率的算法。然而,在2012年黑河HiWATER实验中,WIDAS的观测角度范围由早期30°观测天顶角升级为最大观测天顶角52°,这一改造对数据预处理(辐射定标、大气校正和多角度配准)产生影响,使WIDAS数据出现明显的噪声,为WIDAS地表反照率的反演带来新挑战。针对新问题,采用新的地表观测数据,进一步验证了BRDF原型算法反演机载WIDAS反照率的能力。为了获取准实时BRDF先验知识,基于核驱动模型和各向异性平整指数(AFX)首先准实时提取了实验区5种MODIS的BRDF原型;然后,将其作为先验知识应用到黑河WIDAS机载数据的反照率反演中;最后,利用实验区的反照率实测数据进行算法验证。本研究比较了3个算法处理该问题的能力:(1)基于BRDF原型作为先验知识的算法;(2)完全基于核驱动的全反演算法;(3)基于朗伯假设的方法,通过算法对比分析,可更好地分析验证算法(1)的性能。结果表明:(1)BRDF原型算法反演精度最高且稳定,尤其是当观测数据位于垂直主平面时,全反演算法由于缺少大角度观测数据的约束,更容易出现异常值;BRDF原型算法的最大绝对误差为0.034,相对于全反演算法和朗伯假设方法精度分别提高了约18%和71%;(2)针对2012年黑河机载WIDAS观测噪声较大的新问题,BRDF原型反演算法表现出了良好的抗噪声性能。通过对WIDAS反照率反演和验证进一步表明,在多角度观测数据信息量不足以进行全反演,且观测受噪声影响较大时,BRDF原型作为先验知识,提供了一种有效解决该问题的手段,对提高反照率反演的精度、增强反演的稳定性有重要作用。     

基于BRDF原型反演地表反照率

先验知识在遥感反演中起到重要的作用,本文首先根据各向异性平整指数AFX和地表多角度观测数据集建立了BRDF二向性反射分布函数原型库,然后介绍了以BRDF原型作为先验知识的提取多角度数据地表反照率的原型反演算法,为验证算法的精度,将原型反演及全反演算法拟合验证数据子集得到的反照率与MODIS全反演算法拟合完整数据集得到的结果作比较。结果对比表明,观测天顶角在40°以内时,非垂直主平面的观测数据能够代表部分地表的各向异性反射特征,此时原型反演算法的最大平均绝对误差为0.036,相对精度比全反演算法高约5%—10%;当数据位于垂直主平面时,观测信息量严重不足,此时原型反演算法结果相对较稳定,而全反演算法的最大绝对误差高达0.18。 综上所述,原型反演算法能够在整个采样空间范围内对BRDF进行约束,对观测数据位置分布的依赖较小,抗噪声能力强,在反演观测信息不足的多角度数据时,结果精度优于全反演算法。     

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。     

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。     

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。     

MODIS二向反射模型方差函数的研究与应用

地表二向性反射分布函数(BRDF)是表征地物反射随太阳和观测方向变化的物理量。在统计意义上,BRDF表示均值统计量,BRVF(Bidirectional Reflectance Variance Function)表示方差统计量,它们对研究地表各向异性反射特征有着重要意义。本文首先采用误差传播理论,推导出基于MODIS BRDF模型的BRVF表达形式。研究结果表明,BRVF的空间分布模式主要由几何光学核Kgeo和体散射核Kvol的一次项和二次项权重和决定。然后利用EOS地面验证核心站点(EOS Land Validation Core Sites)的MODIS BRDF产品,对BRVF空间分布模式随地表类型、光谱波段和观测角度范围进行验证。验证结果表明,基于MODIS BRDF产品的验证与理论推导有较好的一致性。BRVF空间分布模式和地表类型有关,通常在热点处有一个峰值。在大观测天顶角(60°)下,BRVF随着角度的增大而增大。BRVF在近红外波段整体上大于红波段,表明其波段依赖性。最后,将上述理论成果初步应用于69组地表测量数据的模拟中。模拟结果表明,当大角度缺少观测数据时,模型外延所引起的方向反射方差显著增大,对地表反照率的反演精度和不确定性有较大影响。其中,红波段的白天空反照率的相对误差最大可达38.26%。本研究对利用小角度观测数据进行地表反照率反演的不确定性分析有指导意义;对大角度观测数据缺失情况下,先验知识在地表反照率的反演应用可提供有意义的理论支撑。     

利用AB算法进行高分四号卫星数据反照率反演

地表反照率(Albedo)是地表能量收支平衡的重要地表参数。作为新近发射的地球同步轨道卫星,高分四号(GF-4)卫星拥有优于同类卫星的高时间高空间分辨率,然而由于其观测角度单一,基于双向反射分布函数(bidirectional reflectance distribution function,BRDF)的传统反演方法难以实现地表反照率的精确快速反演,因此采用基于单一观测角度的角度格网法(angular bin,AB1)。首先,利用先验的多角度地球反射极化和方向测量仪(POLarization and Directionality of the Earth’s Reflectances,POLDER)卫星观测数据,建立反照率与某一方向反射率之间的经验关系;然后,利用POLDER卫星和GF-4卫星的光谱响应函数与光谱库数据,将该经验关系转换为基于GF-4卫星的反照率与反射率经验关系(即查找表);通过输入单一角度的GF-4卫星反射率数据,得到GF-4卫星反照率结果;最后,利用中分辨率成像光谱仪(Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer,MODIS)与Landsat 8地表反照率结果对反演结果进行交叉验证。结果表明,MODIS反照率与GF-4反照率的均方根误差(root mean square error,RMSE)为0.027 3,Landsat 8反照率与GF-4反照率的RMSE为0.017 6,说明基于AB1算法的反照率反演结果精度可靠,这对于GF-4卫星的反照率产品生产具有一定的应用意义。     

正则化滤波在反演地表光谱反照率中的应用

利用有限的卫星观测数据,通过反演地物二向性反射分布函数(BRDF)模型提取复杂地表的真实信息,是一个不适定的地球科学反演问题。为了克服离散不适定性带来的困难,在分析引起模型解不稳定的原因和数据误差传递机制的基础上,使用构建滤波函数的方法实现BRDF模型的正则化约束反演。实验结果表明,正则化滤波算法与MODIS AMBRALS算法精度相当,完全适用于具有充足观测和稀疏观测情况下的地物参数反演。     

MISR和MODIS二向性反射数据产品的对比分析

利用4种地表类型共16个地面站点的MISR 9个角度反射率数据产品和MODIS反射率数据产品(MOD09A1), 对比两种传感器获取的地表方向反射观测数据和用BRDF模型参数产品计算的方向反射数据, 分析了这两种BRDF模型参数的外推能力。研究结果表明: (1) MISR和MODIS BRDF模型参数数据产品都具有一定的对观测数据以外方向反射的外推能力, 相比用MISR BRDF模型参数数据外推到相应MODIS观测角度方向反射的结果一致性较强。(2) 采用两种BRDF模型参数推算的方向反射率与观测数据的接近程度有随观测天顶角的增大而减弱的趋势, 在观测天顶角较小时一致性较好。(3) 所用数据处理结果显示, MODIS BRDF模型参数数据产品在近垂直主平面方向反射率推算结果相比近主平面方向的推算结果更接近观测数据。     

业务化MODIS BRDF模型对冰雪BRDF/反照率的反演能力评估

全球MODIS冰雪反照率产品在定量遥感中有着广泛应用,但由于该产品的业务化算法是建立在表征植被—土壤系统基础上的罗斯表层(RT)李氏稀疏互易核(LSR)的二向性反射分布函数(BRDF)模型(简称为RTLSR),因此该模型对冰雪的二向性反射及反照率的反演能力有待评估。本文基于地球反射极化和方向测量仪(POLDER)的多角度冰雪反射率数据,综合评估了RTLSR模型在表征冰雪二向反射及反演反照率等方面的能力。为量化评估结果,本研究基于渐进辐射传输(ART)模型,从POLDER冰雪数据中筛选出高质量数据,使用ART模型拟合的高质量结果作为参考,比较结果表明:(1)在表征冰雪方向性散射方面,RTLSR模型整体拟合精度较低。在1020 nm波段,其均方根误差(RMSE)最大可达到0.0498,相较于ART模型的拟合结果偏高了约53.70%;(2)在反演冰雪反照率方面,RTLSR模型与ART模型反演结果也存在差别,其决定系数为0.529,均方根误差为0.0333,偏差为-0.0274,基于RTLSR模型的反演结果低估了ART模型的反演结果。为了使核驱动模型能更准确地表征冰雪BRDF特征和反演反照率,该模型需要针对冰雪散射特点进行进一步的发展。     

The impact of size variations in the ground instantaneous field of view of pixels on MODIS BRDF modelling

Bidirectional reflectance distribution functions (BRDF) seek to represent surface reflectance anisotropy resulting from surface physical structure and changes in a satellite sensor’s view and solar illumination angles. NASA’s MODerate resolution imaging spectroradiometer (MODIS) is a wide field of view sensor that generates observations over a large range of view angles. Based on MODIS observations, a BRDF product and several sub-products have been developed by MODIS science teams, i.e. the MCD43 product suite. Variations in pixels’ ground instantaneous field of view (GIFOV), i.e. the size of a pixel’s footprint on the ground, is a well known effect associated with wide field of view sensors such as MODIS, but is not specifically considered in the MODIS BRDF algorithm nor has research been undertaken into its effects on MODIS BRDF modelling. This paper introduces two metrics to examine the relationship between reflectance variations associated with changes in MODIS pixels’ GIFOV and the MODIS BRDF (MCD43) product. These metrics are applied to four different study areas and epochs across the Australian continent. The two metrics are shown to be well correlated (mean correlation coefficient of 0.81 for the four study areas); suggesting that variations in pixels’ GIFOV are a consistent, non-random source of variance in MODIS BRDF modelling. The results contained in this paper suggest that all downstream products which include MODIS BRDF processing in their derivation and results directly based on MODIS BRDF processing may need to be reassessed.     

Linear unmixing of MODIS albedo composites to infer subpixel land cover type albedos

We use a linear unmixing approach to test how land use and forestry maps, in combination with the MODIS BRDF/albedo product, can be used to estimate land cover type albedos in boreal regions. Operational land use maps from three test areas in Finland and Canada were used to test the method. The resulting endmember albedo estimates had low standard errors of the mean and were realistic for the main land cover types. The estimated albedos were fairly consistent with albedo measurements conducted with a telescope mast and pure pixel albedos. Problems with the method are the possible errors in the land cover maps, lack of good quality winter MODIS albedo composites and the mismatch between the MODIS pixels and the true observation area. The results emphasize the role of tree species as determinant of forest albedo. Comprehensive spatial and temporal measurements of land cover albedo are usually not possible with in situ mast measurements, and the spatial resolution of MODIS albedo product is often too low to allow direct comparison of pixel albedos and land cover types in areas with heterogeneous vegetation. Hence, and since local forestry maps exist for most temperate and boreal regions, we believe that the proposed method will be useful in estimating average regional land cover type albedos as well as in tracking changes in them.     

改善MODIS BRDF产品热点效应的方法研究

核驱动的Ross Thick-LiSparse Reciprocal(RTLSR)双向反射函数(BRDF)模型已广泛地应用于MODIS等星载传感器的业务化产品处理中。但是,对于多年MODIS二向反射产品历史数据,如何基于RTMLSR模型发展一种简单有效快速的方法,进行热点效应的校正是一个迫切需要解决的问题。本文提出了一种简单有效的方法,不需要对观测数据重新反演,直接在现有MODIS二向反射产品的基础上进行热点校正,方便用户对历史MODIS二向反射产品的使用。该方法应用POLDER-3/BRDF数据库和部分经MODIS业务化算法筛选的反射率数据进行验证,并与RTLSR模型和RTMLSR模型的结果进行比较,结果表明:(1)该方法比现有的MODIS业务化RTLSR算法,对热点反射率有明显改善,拟合相对误差平均降低了10.12%;(2)该方法相对于RTMLSR模型在热点反射率拟合效果上差别不大,相对误差相差2.10%;(3)该方法对热点和冷点归一化的植被指数(NDHD)的估算效果有一定程度的改善,相对于RTLSR模型降低了约4.99%,与RTMLSR模型的相对误差相差1.32%,该方法对直接应用现有MODIS BRDF产品,基于热点方向反射率反演植被结构参数(如植被聚集指数)的精度提高有现实应用价值。     

Monitoring land surface albedo and vegetation dynamics using high spatial and temporal resolution synthetic time series from Landsat and the MODIS BRDF/NBAR/albedo product

Seasonal vegetation phenology can significantly alter surface albedo which in turn affects the global energy balance and the albedo warming/cooling feedbacks that impact climate change. To monitor and quantify the surface dynamics of heterogeneous landscapes, high temporal and spatial resolution synthetic time series of albedo and the enhanced vegetation index (EVI) were generated from the 500 m Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) operational Collection V006 daily BRDF/NBAR/albedo products and 30 m Landsat 5 albedo and near-nadir reflectance data through the use of the Spatial and Temporal Adaptive Reflectance Fusion Model (STARFM). The traditional Landsat Albedo (Shuai et al., 2011) makes use of the MODIS BRDF/Albedo products (MCD43) by assigning appropriate BRDFs from coincident MODIS products to each Landsat image to generate a 30 m Landsat albedo product for that acquisition date. The available cloud free Landsat 5 albedos (due to clouds, generated every 16 days at best) were used in conjunction with the daily MODIS albedos to determine the appropriate 30 m albedos for the intervening daily time steps in this study. These enhanced daily 30 m spatial resolution synthetic time series were then used to track albedo and vegetation phenology dynamics over three Ameriflux tower sites (Harvard Forest in 2007, Santa Rita in 2011 and Walker Branch in 2005). These Ameriflux sites were chosen as they are all quite nearby new towers coming on line for the National Ecological Observatory Network (NEON), and thus represent locations which will be served by spatially paired albedo measures in the near future. The availability of data from the NEON towers will greatly expand the sources of tower albedometer data available for evaluation of satellite products. At these three Ameriflux tower sites the synthetic time series of broadband shortwave albedos were evaluated using the tower albedo measurements with a Root Mean Square Error (RMSE) less than 0.013 and a bias within the range of ±0.006. These synthetic time series provide much greater spatial detail than the 500 m gridded MODIS data, especially over more heterogeneous surfaces, which improves the efforts to characterize and monitor the spatial variation across species and communities. The mean of the difference between maximum and minimum synthetic time series of albedo within the MODIS pixels over a subset of satellite data of Harvard Forest (16 km by 14 km) was as high as 0.2 during the snow-covered period and reduced to around 0.1 during the snow-free period. Similarly, we have used STARFM to also couple MODIS Nadir BRDF Adjusted Reflectances (NBAR) values with Landsat 5 reflectances to generate daily synthetic times series of NBAR and thus Enhanced Vegetation Index (NBAR-EVI) at a 30 m resolution. While normally STARFM is used with directional reflectances, the use of the view angle corrected daily MODIS NBAR values will provide more consistent time series. These synthetic times series of EVI are shown to capture seasonal vegetation dynamics with finer spatial and temporal details, especially over heterogeneous land surfaces.     

新几何光学核驱动BRDF模型反演地表反照率的算法

MODIS的反照率和二向反射产品由基于核驱动模型的AMBRALS程序提供。目前 AMBRALS算法系统中所用的描述几何光学散射的核为LiSparseR核。新提出的一个几何光学核－LiTransit核兼有LiSparse核向LiDense核过渡的优点，比LiSparseR核更符合几何光学模型的基本原理。验证结果表明：与LiSparseR核比较，RossThick-LiTransit的核组合更能反映直入扇出反照率随太阳天顶角变化的趋势。因此在下一代的AMBRALS算法系统中，将用新的LiTransit核取代LiSparseR核。目前AMBRALS算法系统为了快速处理每天大量的数据，用多项式拟合核的半球积分。因此，为了替换LiSparseR核时，同时又不影响整个算法的系统性，本文研究了LiTransit核的多项式拟合。结果表明：拟合的多项式与核半球积分的相关性很好。