基于不同土地覆盖类型NDSI阈值优化下的青藏高原积雪判别

美国国家雪冰数据中心（NSIDC）发布的MODIS第6版本逐日积雪范围产品（V6）仅提供了归一化积雪指数（NDSI）,而用户往往关心的是积雪范围或积雪覆盖率。NSIDC推荐全球积雪范围最佳的NDSI阈值为0.4,但是青藏高原地形复杂,积雪斑块化特征明显,单一的NDSI阈值并不能精确地判识不同下垫面上的积雪。不同的土地覆盖类型可能影响积雪判别的NDSI阈值。以青藏高原为研究对象,基于高分辨率卫星Landsat-5 TM数据,获取了青藏高原不同土地覆盖类型下判识积雪的最优NDSI阈值。结果表明,在草地和稀疏植被地表类型下,最优NDSI阈值分别为0.33和0.40;在其他下垫面类型下,最优NDSI阈值为0.47。以Landsat 8 OLI数据为"真值"对该NDSI阈值确定的积雪范围进行了精度检验。结果表明,采用新的NDSI阈值获取的MOD10A1 V6积雪范围产品的总体精度OA、错分误差OE和漏分误差UE分别为87.88%、5.20%和6.87%。而采用传统的0.4阈值时,其OA、OE和UE分别为87.36%、3.98%和8.60%。这表明考虑不同土地覆盖类型下的NDSI阈值优化可以有效地提高青藏高原积雪判别精度,特别是对占比面积较大的草地区域,通过NDSI阈值优化可以更加准确地识别积雪范围。     

MODIS逐日积雪产品去云算法研究

由于积雪和云的反射特性, 使用光学遥感监测积雪受到天气的严重干扰, 对研究区云量的分析表明, 无论是MOD10A1还是MYD10A1, 云都是影响该产品对研究区积雪进行实时监测的最大影响因素. 综合不同去云方法, 利用MODIS逐日积雪产品和被动微波数据AMSR-E雪水当量产品, 生成了MODIS逐日无云积雪图像, 并利用研究区85个地面气象观测台站提供的雪深数据对合成的单日无云积雪产品进行验证. 结果表明: 当积雪深度>3 cm时, 新产品的积雪分类精度达到91.7%, 该产品对实时监测青藏高原积雪动态变化具有重要的使用价值.     

青藏高原不同土地覆盖类型下积雪面积判别算法优化北大核心CSCD

MODIS V006版本数据仅提供了归一化积雪指数(NDSI),而用户往往关心的是直观的积雪分类,包括积雪范围或积雪覆盖率。美国国家冰雪数据中心推荐全球积雪范围最佳的NDSI阈值为0.4,但是青藏高原地形复杂多样,积雪斑块化特征明显,单一阈值并不能精确地判识不同下垫面上的积雪。青藏高原被称为地球的第三极,是中国三大稳定积雪区之一,蕴藏了大量的淡水资源。随着全球气候变暖,青藏高原地区积雪融化时间提前,冰川融水增加,影响河流水量,造成洪涝灾害,进而影响人类正常生产生活,因此通过确定不同下垫面阈值,改善传统阈值的积雪高估低估现象,提高积雪识别精度,进而更准确地探究青藏高原积雪状况,显得尤为迫切。本文以青藏高原为研究对象,首先生成MODIS逐日无云NDSI序列并进行验证;其次对应站点雪深数据与NDSI序列,证实在下垫面为林地和非林地的区域,去云NDSI序列与站点雪深均有良好的对应关系,确定不同下垫面最优阈值范围;最后在最优阈值范围内通过混淆矩阵确定最优阈值。计算得出,林地NDSI=0.03时,总体精度最高为94.02%,在该NDSI之下,高估误差OE和低估误差UE分别为1.21%和4.60%;非林地NDSI=0.26时,总体精度OA最高为94.27%,在该NDSI之下,高估误差OE和低估误差UE分别为0.51%和5.03%。因此选取优化后林地阈值为NDSI=0.03,非林地阈值为NDSI=0.26。为避免地面常规观测资料尺度上的局限性,本文采用高精度的Landsat 8 OLI卫星数据识别结果,作为“真值”对优化后阈值的判别结果进行“像元—像元”级别的验证。在定量验证中,优化后NDSI阈值对MOD10A1 V006积雪判别结果的总体精度OA为84.21%,高估误差OE为5.33%,低估误差UE为10.46%;传统阈值对MOD10A1 V006积雪判别结果的总体精度OA为82.86%,高估误差OE为1.48%,低估误差UE为15.66%。可以看出在定量验证中,优化后阈值的积雪判别精度更高。同时在定性验证中,积雪大面积集中的区域,新的阈值与传统阈值提取效果均相对较好;积雪相对分散破碎的区域,优化后阈值能提取出大量积雪,传统阈值则不能。这表明考虑不同土地覆盖类型下的NDSI阈值优化可以有效地提高青藏高原积雪判别精度,为NDSI在积雪识别中的应用提供有力的支撑,有助于更准确地了解该地区积雪分布状况。     

基于AVHRR影像的北半球积雪识别算法

针对2000年前北半球较高时空分辨率和高精度的历史积雪范围数据缺失问题,利用NOAA-AVHRR地表反射率数据,以Landsat-5 TM生成的积雪范围影像作为参考真值,优化基于多指标的多级决策树积雪识别算法的阈值,并结合云雪混淆区分技术,生成了北半球AVHRR 1981—1999年L1级逐日积雪范围数据集。此外,针对AVHRR在高纬度地区数据完全缺失和低纬度地区数据部分缺失问题,利用微波雪深数据集进行填充,生成了北半球L2级逐日积雪范围数据集。最后,利用北半球1981—1999年间2 546个气象台站记录的雪深数据和939景Landsat-5 TM参考积雪范围影像作为验证数据,对AVHRR积雪范围数据集进行了精度验证。结果表明：L1级和L2级数据集的总体精度分别为81.8%和82.2%,用户精度分别为83.7%和83.8%,生产者精度分别为81.7%和84.2%,说明算法精度较高,错分误差和漏分误差均比较均衡。进一步利用Landsat-5 TM参考积雪范围影像对L2级数据集进行面上精度评估,发现L2级数据集的总体精度为90.3%,用户精度为90.2%,生产者精度为99.1%,L2级数据集精度较高。生成的北半球历史数据集可为全球积雪变化研究提供有效数据补充。     

基于MODIS积雪覆盖度数据的青藏高原两套被动微波雪深产品降尺度对比研究

积雪深度(雪深)是流域水量平衡、融雪径流模拟等模型的重要输入参数,被动微波雪深遥感产品被广泛用于雪深监测。然而,由于山区积雪时空异质性强,这些空间分辨率较粗的雪深产品受到极大限制。本研究基于MODIS积雪覆盖度数据,根据经验融合规则以及积雪衰退曲线对“中国雪深长时间序列数据集”的两套雪深产品(由SMMR、SSMI和SSMI/S反演的称为Che＿SSMI/S产品;由AMSR-2反演称为Che＿AMSR2产品)进行空间降尺度,最终获得青藏高原500 m降尺度雪深数据(Che＿SSMI/S＿NSD和Che＿AMSR2＿NSD)。利用6景Landsat-8影像对两套降尺度雪深数据进行对比分析,结果发现两套降尺度数据与Landsat-8影像积雪空间分布吻合度均较高。与29个气象站点雪深数据相比,Che＿AMSR2＿NSD与实测雪深更为接近,相关系数(R)达到0.72,均方根误差(RMSE)为3.21 cm;而Che＿SSMI/S＿NSD精度较低(R=0.67,RMSE=4.44 cm),可能是由于采用不同传感器亮温数据的两套原始雪深产品精度不同所致。除此之外,实验表明被动微波雪深产品降尺度精度还...     

东北地区MODIS和AMSR-E积雪产品验证及对比

通过2002-2008年6个积雪季节的Terra-Aqua/MODIS积雪产品(MOD10A2、MOD10C2)和Aqua/AMSR-E雪水当量产品,分析了东北地区积雪覆盖面积的变化特征,以研究区气象站点观测的积雪数据为真实值来验证两种产品积雪信息的精度,探讨了云覆盖、土地利用类型和雪深对积雪覆盖精度的影响.结果表明:云的存在对微波数据积雪识别的影响较小,在积雪量较多的12月至次年的2月随云量百分比的变化,MOD10A2积雪覆盖面积比例大体出现负变化.因此,在有云情况下AMSR-E数据反演积雪精度最好.对比草地、耕地、林地和居民地4种土地覆盖类型对监测积雪覆盖精度的影响,发现林地对其影响最大,在林区3种积雪产品的积雪识别精度分别为55.8%、81.2%、85.4%;雪深对AMSR-E积雪产品识别精度影响较小,总体精度为97.8%;积雪深度对MOD10A2积雪产品识别精度影响较大,总体精度为57.3%.MOD10A2、MOD10C2和AMSR-E 3种积雪产品的总体反演精度分别为69.3%、76.6%、76.3%.有必要开发适用于东北地区的积雪覆盖算法,提高估算精度,为能量平衡估算、气候模型、农业生产、土壤墒情监测服务.     

中国稳定积雪区IMS雪冰产品精度评价

IMS雪冰产品由多种光学与微波传感器数据融合而成,提供北半球每日无云的积雪范围,在积雪遥感研究中具有广阔的前景. 以气象站实测雪深数据为真值,检验了2009-2010年IMS雪冰产品在中国三大稳定积雪区北疆、东北、青藏高原地区每月、积雪季以及全年的误判率、漏判率和总体准确率,并分析了IMS雪冰产品的准确率与雪深之间的关系. 结果显示：IMS雪冰产品的年总体准确率在三大积雪区均超过了92%,积雪季总体准确率均超过了88%,利用IMS雪冰产品监测积雪范围是可靠的. 然而,IMS雪冰产品精度具有区域差异性,北疆地区在1月和2月误判率偏高,青藏高原地区积雪季有严重的漏判现象. IMS雪冰产品的准确率在东北地区和北疆地区随着雪深的增加而升高,当东北地区雪深超过6 cm,北疆地区超过13 cm时,准确率接近100%,但是,青藏高原地区两者基本没有关系. 通过在青藏高原地区与同时相的4景MODIS积雪产品对比分析发现,实际上IMS雪冰产品相对地高估了积雪面积,青藏高原地区漏判率高其原因是IMS对零碎积雪的识别能力不足并且气象站分布不均匀.     

NOAA IMS雪冰产品在青藏高原积雪监测中的适用性分析

在系统评估青藏高原积雪观测典型气象站历史定位坐标精度基础上,利用站点雪深资料对NOAA IMS 4 km和1 km分辨率雪冰产品在青藏高原的精度和适用性进行了验证和评估,定量分析了IMS 4 km到1 km空间分辨率提高和气象站历史定位与GPS定位坐标之间的差异对青藏高原IMS积雪监测精度的影响。结果表明：青藏高原个别气象站历史坐标与当前GPS接收机定位之间存在较大的差异,如安多气象站经度偏小0.6°,纬度偏大0.08°。IMS 4 km雪冰产品在青藏高原的总精度介于76.4%~83.2%,平均为80.1%,积雪分类精度介于35.8%~60.7%,平均为47.2%,平均误判率为17.1%,平均漏判率为45.5%,总体上呈现地面观测的积雪日数越多、平均雪深越大,其总体监测精度越低,而积雪分类精度越高的特点。IMS分辨率从4 km到1 km总体精度平均提高了2.9%,积雪分类精度平均提高了0.9%,主要是由于个别站点的精度提升较大引起的,对高原多数台站积雪监测精度的改进和提升很小。除个别台站外,目前气象站历史坐标和GPS定位坐标之间的差异,对IMS 4 km积雪监测精度验证结果没有影响。然而,今后随着卫星遥感技术的发展,更高时空分辨率的遥感积雪产品将用于积雪监测和研究,精确的地面观测站坐标信息是对这些遥感数据开展精度验证与实际应用的前提。     

基于MODIS和AMSR-E资料的青海省旬合成雪被图像精度评价

利用2002年10月1日至2008年3月31日青海省MODIS/Terra-Aqua每日雪被产品(MOD10A1、MYD10A1)和AMSR-E/Aqua每日雪水当量产品,研究了MODIS和AMSR-E旬数据的融合算法,合成了AMSR-E旬积雪分类图像(AE_10D)、MODIS旬积雪分类图像(MOYD_10D)及二者...     

针对MODIS数据的地表温度反演算法检验——以黑河流域上游为例

地表温度遥感反演算法的榆验与评价是确保算法能够有效应用的前提.选取2008年3月覆盖我国西北黑河流域上游地区的Tcrra/Aqua MODIS影像,利用卫星过境时地面样方的实测地表温度数据对MOD/MYD11A1产品及4种常用的分裂窗算法进行了验证.同时,利用典型大气探空数据构建了用十算法检验的模拟数据集.利用实测地表温度数据的验证结果表明,MOD/MYD11A1产品及Mao等提出的实用性分裂窗算法精度较高,均方根误差分别为1.1 K、0.9 K.基丁地表温度的模拟数据集验让结果表明,在黑河上游寒旱环境下,Mao 2005算法的均方根误差控制在0.8 K以内.由于研究区大人气水汽含量较低,传感器观测天顶角对于地表温度反演精度影响较小.     

Accuracy verification of MODIS daily cloud-free snow cover products over the Tibetan Plateau北大核心CSCD

Snow cover is of great hydrological,ecological,and climatic significance in the Tibetan Plateau. MODIS snow products are widely used at present but are seriously affected by clouds. Scholars at home and abroad have developed a variety of cloud removal products for raw MODIS daily snow products,but the accuracy of these products in the Tibetan Plateau has not been evaluated comprehensively. Therefore,this paper uses Landsat-8 data with high resolution as the reference value to conduct systematic verification of three datasets of cloud-free snow products released on a daily basis. The results show that compared with the two sets of products （M*D10A1GL06 and MODIS_Dysno_Cloudfree）,which are produced based on raw MODIS daily snow cover product realized by NSIDC（National Snow and Ice Data Center）,the MODIS CGF SCE product produced based on MODIS surface reflectance data,has a great advantage in snow identification accuracy. The MODIS CGF SCE product optimized the NDSI threshold for different land cover types. Although the accuracy of snow identification was significantly improved,the problem of large snow identification error in forest areas was still not effectively resolved,and there was a high underestimate error. © 2022 Science Press (China).     

北疆牧区MODIS积雪产品MOD10A1和MOD10A2的精度分析与评价

以北疆为研究区,结合气象台站记录的雪情数据,利用地理信息系统方法分析了2004年12月1日至2005年2月28日期间北疆地区90个时相的MODIS每日积雪产品MOD10A1和8日合成产品MOD10A2的积雪分类精度.研究表明:1)当积雪深度≤3 cm时,MOD10A1对积雪的识别率非常低,仅为7.5%;积雪深度为4~6 cm时,积雪识别率达到29.3%;积雪深度为15~20 cm,平均积雪识别率达到45.6%.当积雪深度>20 cm时,平均积雪识别率为32.2%;2)MOD10A1产品的积雪分类精度受天气状况的严重影响.在晴空状况下,该产品的最大积雪识别率达到58.2%;但是在多云或阴天时,平均积雪识别率仅为17.8%;3)下垫面对MOD10A1的分类结果也会造成影响,在荒漠区MOD10A1的积雪识别率为39.8%,在草原和稀树草原区的积雪识别率为37.2%,农业用地的积雪识别率最低,为29.1%;4)MOD10A2产品可较好的消除云层对地表积雪分类精度的影响,平均积雪识别率达87.5%,可较好的反映地表积雪的分布状况.     

祁连山区MODIS积雪反照率产品的精度验证及云下积雪反照率估算研究

积雪反照率在全球气候和能量收支平衡模型中起着重要的作用. 利用祁连山地区大冬树垭口站点反照率实测数据对由TM/ETM+得到的反照率数据进行标定, 然后将TM/ETM+反照率数据通过升尺度对MODIS逐日积雪反照率(SAD)产品在晴空条件下的精度进行了验证. 同时, 发展了一个基于MODIS SAD与AMSR-E SWE数据融合并结合Noah积雪反照率参数化方案估算MODIS SAD数据云下积雪反照率的算法, 通过统计分析纠正了云对积雪反照率的影响, 对云下积雪反照率进行了验证分析. 结果表明:MODIS SAD产品在祁连山地区的精度要低于大面积积雪覆盖的平坦地区(如格陵兰岛), 其平均绝对误差及均方根误差分别为0.0548和0.0727; 云下积雪反照率估算方法可以有效地获取云覆盖下积雪像元的反照率值, 纠正后的无云MODIS SAD数据与地面观测值有较好的一致性, 其平均绝对误差为0.078.     

基于MODIS数据的东北地区积雪覆盖率估算

东北地区是我国三大积雪区之一,森林覆盖面积占总面积的40%左右。受森林冠层的影响,当前的MODIS雪盖产品（V6）提供的积雪覆盖率标准模型对东北地区积雪覆盖率估算结果存在明显的低估现象。基于此,采用分区建模的方式：在森林地区,计算归一化差值林地积雪指数（NDFSI）,建立像元积雪覆盖率（FSC）与NDFSI及NDVI之间的线性关系;在非森林地区,采用MOD10A1 V6提供的归一化差值积雪指数（NDSI）,建立像元积雪覆盖率（FSC）与NDSI及NDVI之间的线性关系。采用Landsat 8 OLI数据提取的积雪覆盖率（FSC）对分区建模的估算结果与标准模型的估算结果进行对比,发现进行估算的过程中均方根误差和平均绝对误差这两项指标的数值相对于标准模型有了大幅下降,这一结果在林区有更显著的表现。计算得到的决定系数R²,在本文模型也有提高。以T1林区影像为例,本文模型的均方根误差和平均绝对误差分别为0.246、0.055,而标准模型的两项指标则分别为0.420、0.348。本文模型和标准模型的决定系数分别为0.675、0.641。     

基于MODIS积雪产品的天山年积雪日数空间分布特征研究

山区积雪是干旱区气候变化的重要指标因子,积雪日数与积雪分布之间有着密切关系。为了研究天山山区积雪日数空间分布特征,以MODIS8d积雪产品MOD10A2（Terra）和MYD10A2（Aqua）为数据源,首先对数据进行最大化合成,获取新疆天山500m×500m分辨率的年积雪日数,然后分析了2002-2014年13a积雪日的年际变化,并结合DEM数据分析了13a天山多年平均积雪日随高程和坡度的变化特征。结果表明：天山积雪日数分布极为不均,最大年平均积雪日数为193d,13a内天山绝大部分地区年积雪日变化趋势较为稳定,稳定区约占天山总面积的83.92%;在研究时段内天山总积雪日数主要集中在30d以内,其比例约为天山总面积的48%;各个高程带积雪日面积分布差异明显,但总体上积雪日数随着高程的增加而增加;从积雪日数随坡向分布来看,北坡、东北坡、东坡、西坡、西北坡所占面积比例（>30d）相对高于其他坡向。该研究结果对干旱区水资源估算具有参考意义。     

A technique for improving MODIS standard snow products for snow cover monitoring over Eastern Turkey

Daily snow cover maps at 500 m resolution are available from the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) sensors on NASA's Terra and Aqua satellites. However, information of the ground can only be obtained during clear sky conditions. In addition, the spectral similarity between clouds and snow in the visible part of the spectrum causes some ambiguities in separation of them. The dynamic behavior of clouds with their tendency to move faster often enables discrimination between cloud and snow, since snow remains relatively stationary. In this study, a daily merging methodology to combine Terra and Aqua based snow maps are proposed, and the benefits of this combination are evaluated. The methodology was tested for Eastern Turkey covering the period from December 2002 to March 2003. Merged maps derived from the standard daily snow maps from Terra (MOD10A1) and Aqua (MYD10A1) reduce the cloud cover present in any one image alone, provide better representation of the surface snow cover, and indicate better agreement with ground snow measurements than when either one is used alone. For “on the ground data date” analyses yielded 31% match ratios for MOD10A1 and MYD10A1, whereas combined images enabled 38%. One- to 2-day temporal window shifting enabled further 7% and 5% improvements in match ratios, respectively. The maximum improvement of 25% was achieved in January of 2003. The proposed methodology provides an easy and effective way to improve snow cover maps with little effort and provides fewer cloud-contaminated images for snow monitoring, for hydrology, and water resource management.     

亚洲中部干旱区积雪时空变异遥感分析

亚洲中部干旱区的大尺度遥感积雪信息研究,可在跨界河流水资源分配利用方面提供数据支持,对国家重大战略的生态安全保障有重要作用。采用数据融合方法,将MOD10A2和MYD10A2数据进行融合去云处理,结合气象站点积雪数据评估去云后的积雪识别精度;提取积雪覆盖率(SCP)与积雪日数(SCD)信息,分析SCP与SCD年际、年内变化差异;结合数字高程模型,分析不同高程带下SCP的时空变化规律。结果表明:(1)MOD10A2与MYD10A2融合去云处理,可有效去除云的干扰,准确提取亚洲中部干旱区积雪变化信息。(2)年内SCP最大值范围为55.7%~77.4%,最小值范围为1.6%~2.9%,融雪期SCP下降速率具有明显地域差异,总体SCP呈缓慢增加趋势。(3)总体SCD呈略微下降趋势,32.2%的区域呈下降趋势,30.9%的区域呈增加趋势,36.9%的区域保持稳定不变。(4)海拔1 000 m以下,SCP年内随季节变化呈U型,年际变化显著;1 000~4 000 m区域,SCP年内均随季节的变化呈现出V型,年际变化呈现出稳定性波动;6 000 m以上为永久性积雪,季节、时空变化差异性均不明显。