数据驱动的蒸散发遥感反演方法及产品研究进展

蒸散发是水圈、大气圈和生物圈中水分循环和能量交换的纽带。在全球尺度上,蒸散发约占陆地降水总量的60%;作为其能量表达形式,潜热通量约占地表净辐射的80%。随着通量观测技术的发展,全球长期持续的观测数据得以获取和共享,近年来基于数据驱动的蒸散发遥感反演方法取得了较好的研究进展。本文针对数据驱动的蒸散发遥感反演方法和产品,从经验回归、机器学习和数据融合3个方面展开,对现有的研究进展进行了梳理、归纳和总结,并从驱动数据、反演方法、已有产品等方面指出目前仍存在的问题和不足。未来仍需开展数据驱动的高时空分辨率的蒸散发遥感反演方法的研究,有效考虑地表温度和土壤水分等可以指示地表蒸散发短期变化的重要信息,同时加强基于过程驱动的物理模型与数据驱动的模型的结合,使两类模型能互为补充、各自发挥所长,共同推动蒸散发遥感反演研究水平的进步。     

遥感及其地球表面时空多变要素的区域尺度转换

阐明了遥感在获取时空多变要素中的作用和意义,同时利用遥感方法作出了空间变异较大的叶面积指数、地表温度和净辐射通量的区域分布。通过遥感方法与传统的区域表达方法的对比,讨论了传统的等值线方法及其区域要素计算和表达方法的不足,估算了利用空间差异较大的非均匀要素所作出的区域分布的可能误差。其步骤是： ①用遥感和生态网络观测数据相结合的方法作出几个要素的区域分布影像图; ②在影像图上标出单点生态站的观测数据; ③以图像处理的方法,作出不同范围的各种要素平均值和标准差; ④揭示单点站的观测数据和不同范围要素平均值的差异; ⑤分析用传统的等值线方法所作出的区域分布的可能误差。     

一种极干旱区水热通量遥感模型反演

针对极干旱的土壤水热通量遥感估算研究少和缺乏模型验证分析的不足,该文选取新疆塔克拉码干沙漠东南缘米兰绿洲,借助2010年8月7日TM影像数据,结合地面观测数据和土地覆盖类型解译,利用SEBAL模型反演了研究区地表通量。结果表明:该方法在极干旱区的模拟精度较高,研究区地表能量平衡各分量具有明显的时空分布特征。地表通量参数的遥感反演估算对极干旱区的生态保护、灾害监测和地区水资源管理具有重要现实意义。     

全球碳循环研究背景下的植被初级生产力遥感

总结了植被初级生产力遥感的理论和研究动态, 及其在全球碳循环研究中的重要意义。综述了利用遥感提取植被覆盖、生长状况和环境要素, 以及在此基础上建立植被净初级生产力估算的遥感过程模型的方法, 指出了模型全遥感化的方向。分析了数据同化/数据-模型融合方法在碳循环遥感研究中的作用, 强调了建立多尺度数据-模型融合系统可以使模型估算精度提高, 降低模型的不确定性。     

ETWatch中的参数标定方法

使用遥感手段估算区域范围的蒸散量一直是热红外定量遥感的研究热点。ETWatch是用于流域蒸散遥感监测、针对遥感应用而设计的集成框架。方法集成了具有不同应用优势的遥感蒸散模型,并以Penman-Monteith方法为基础建立时间扩展方法,利用气象数据与晴好日的通量遥感估算结果,获得逐日连续的蒸散分布图。所生成的从流域级到地块级的数据产品能动态反映区域蒸散发的时空变化规律。为深入了解遥感蒸散量估算中的不确定因素,本文将其通量计算过程分为地表参数获取(以地表温度为主)、日净辐射、蒸发比等环节与地面数据进行对比和逐项的标定。并分别采用地表阻抗扩展法和蒸发比不变法进行了时间插补的对比研究。利用站点地面观测资料对蒸散遥感监测产品的验证表明,在全年内模型蒸发比结果与实测的时段平均蒸发比的相关系数可达到0.7左右,在更长的时间尺度上(月、季、年)平均百分比误差可以减小到10％以下。     

Sentinel-3卫星双角度热红外数据的流域尺度地表蒸散发估算与验证

双层能量平衡模型TSEB（Two Source Energy Balance）常用于地表蒸散发的估算研究,对于干旱半干旱流域的水资源调控以及利用有着十分重要的意义。本文在流域尺度上分别利用Sentinel-3双角度观测热红外和近红外数据反演的地表温度LST（Land Surfacer Temperature）和地表组分温度LSCT（Land Surface Component Temperatures）分别驱动TSEB模型,估算了黑河流域不同土地覆盖类型下的瞬时地表通量,并利用流域内上、中、下游通量塔地面观测数据验证了两种模型估算的地表通量。结果表明：两种模型都在一定程度上高估了净辐射和潜热通量,在植被稀疏的高寒草甸以及河岸林土地覆被类型下,TSEB-PT模型表现更好,随着植被覆盖度的上升,TSEB-2T模型的优势更加明显。研究结果为黑河流域水资源合理利用提供一定的保障以及为水资源管理者提供流域尺度上更加准确的植被水分利用的估计值,并且为后期模型的优化提供了理论基础。     

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。     

全球地表覆盖高分辨率遥感制图

全球地表覆盖分布及变化是气候变化研究、生态环境评估、地理国情监测、宏观调控分析等不可或缺的重要基础信息。国际上现有全球五套地表覆盖数据产品的空间分辨率为1km或300m,数据精度、分类体系、时空分辨率等均存在不足。为了满足全球变化研究与地球模式模拟的需求,应该研制具有较高时空分辨率、更符合全球变化需要、精度较好的全球地表覆盖数据产品。本文简要介绍了全球地表覆盖遥感制图的情况和数据产品的不足,讨论了对新一代地表覆盖数据产品的需求,介绍了我国研制全球30m地表覆盖数据产品的863重点项目。     

HJ-1卫星数据估算地表能量平衡

利用遥感数据估算和监测地表能量平衡的研究和应用一直以来都是学术探索的前沿和焦点,目前针对国际主流卫星数据(如MODIS,Landsat TM等)的算法研究有很多,且在不同的尺度上发展了一系列遥感技术和应用方法。本文以环境一号卫星(HJ-1)数据为主要数据源,研究和分析了地表能量平衡遥感估算方法。在下行短波和长波辐射,以及地表净辐射估算的基础上,重点研究了地表显热和潜热通量(蒸散)的估算方法,针对辐射温度代替空气动力学温度所引起的误差校正,对比分析了基于KB-1系数的热力学粗糙度长度,以及附加阻抗两种方法。使用2010年HJ-1B数据反演得到海河流域地表能量平衡各分量瞬时值,利用3个地面站点的测量数据对反演结果进行验证和误差分析。结果表明下行短波辐射的反演误差是地表净辐射反演误差的主要来源,地表温度的反演精度以及地表粗糙度的模拟精度是影响显热通量反演精度的主要因素。利用两种方法估算的显热通量趋势基本一致,但KB-1系数法的反演结果一般低于附加阻抗法。在下垫面较为复杂的区域,模型结果误差较大,需要更加精细的模型以刻画地表非均匀性的影响。     

针对Terra/MODIS数据的改进分裂窗地表温度反演算法

针对Terra/MODIS数据提出改进的分裂窗地表温度反演算法。充分考虑了传感器观测角度(VZA)的影响,并对地表和有效大气辐射按照不同的亮度温度区间分别进行Planck函数简化。利用TIGR3大气廓线库中的875条晴空大气廓线,ASTER波谱库中的106条地物发射率波谱,结合MODTRAN4大气辐射传输模型模拟得到分裂窗算法系数。利用MODTRAN4模拟数据对算法精度进行验证,结果表明本文的改进算法和原算法的均方根误差RMSE分别为0.34K和0.65K。敏感性分析表明,在中等湿润的大气条件下,算法对大气水汽含量并不敏感。该算法降低了传感器观测角度带来的地表温度反演误差。利用2009年6月美国SURFRAD辐射观测网6个站点的实测数据对改进算法、原算法以及MOD11_L2地表温度产品进行了对比验证,RMSE分别是0.93K、1.49K和1.0K,表明本文算法可以提高反演精度。     

动态数据驱动模式下的湖泊流域降雨径流模拟

湖泊流域汇水径流过程的模拟预测是一种复杂系统中的时间序列分析问题。模型选择上,现有的机理模型法与辨识模型法各有利弊。同时,现有的模型多采用静态数据驱动模拟,不能有效利用传感网实时观测数据来改善模拟不确定性的问题。本文基于深度循环神经网络技术,提出一种适应动态数据驱动的模式,可融合遥感数据与原位传感器站点数据的DTSM(Dynamic Data Driven Time Series Model)时序模拟预测模型,并在观测值与数值模拟之间建立了一种能动态反馈、自适应调整的模拟框架,解决了传统辨识模型法对时序信息挖掘较弱导致模拟精度较低的问题。通过在鄱阳湖多个子流域入湖径流的案例中验证,显示静态数据驱动模式下,以不同数据源作为输入模拟时,本文DTSM模型的纳希效率系数Ens精度比机理模型提高10个百分点以上;相比静态模式,动态数据驱动模式的模拟精度有进一步提高,尤其是对于静态模式精度较低的流域,提高更为明显。     

WOFOST模型与遥感数据同化的土壤速效养分反演

土壤速效养分是作物生长的必要条件,合理控制土壤速效养分含量对粮食增产、农民增收以及环境保护都有重要意义。随着现代农业技术的发展,可以通过变量施肥将土壤速效养分含量控制在最佳状态,这也对土壤养分的获取精度提出了更高的要求。当前的主要土壤速效养分遥感监测方法在监测精度、稳定性、成本控制和可推广性依然存在一定不足,甚至限制对变量施肥的指导作用。本文针对传统土壤速效养分估算方法的不足,提出了利用作物模型与时间序列遥感数据相结合实现耕层土壤速效养分反演的新思路,该思路以养分缺失引起的作物长势参数的变化为切入点,在数据同化算法设计和养分模块优化改造的基础上,利用作物长势参数遥感监测结果与模型模拟结果的差异设计了土壤速效养分反演算法,实现速效养分含量信息的有效获取。设计地面观测实验并利用地面观测数据对反演精度进行评价,结果表明该方法可以对土壤中的速效养分进行实时、高精度的稳定反演,3种主要的速效养分速效氮、有效磷和速效钾的R2分别达到了0.68、0.74和0.52,平均相对误差分别为7.45%、6.17%和9.97%。     

M-估计法广义变分同化FY-3B/IRAS通道亮温

采用FY-3B/IRAS亮温资料进行广义变分同化研究。广义变分同化结合了经典变分同化和稳健M-估计两者的优点。区别于经典变分同化依赖于先前的质量控制并要求误差服从高斯分布,把M-估计法耦合到经典变分同化框架中,得到广义变分同化,其弱化了同化前的质量控制和误差服从高斯分布这两个条件。目标能量泛函包含M-估计以保证对离群值具有稳健性,从而能够得到较好的同化结果。对比变分同化前后的FNL资料湿度与GDAS湿度相关系数作为同化结果检验评价。具体操作过程在FNL作为背景场的基础上分别采用经典和M-估计不同的权重因子变分同化FY3B/IRAS资料,把得到的分析场与GDAS进行相关性比较,由于湿度具有较强的非高斯性,文中首先评估了安徽省13个站GPS/PWV和积分相关湿度廓线得到大气可降水量(即GDAS/PWV和FNL/PWV资料)的相关性,进一步基于信息熵自由度思想进行了近一个月IRAS 20个通道对分析场的影响贡献率诊断研究。     

基于遥感技术的区域地表蒸散研究进展

遥感技术的发展为大面积的区域地表蒸散(evapotranspiration,ET)反演和估算提供了一种新的手段,国内外学者围绕该领域在理论和技术方法上开展了大量研究。能量平衡原理是遥感估算地表ET的理论基础,由此发展出多种遥感ET模型与算法。在分析几种常见ET模型算法的基本原理及优缺点的基础上,阐述了不同方法的适应性及相关研究进展情况,提出了目前遥感ET研究所存在的问题,展望了遥感ET的发展趋势。     

FY-3C积雪产品在同化中对微波资料质量控制的影响分析

T639-GSI全球系统同化AMSU-A资料的过程中,目前使用的月平均积雪产品并不能反映中高纬度大陆上快速地降雪/融雪过程,而FY-3C日积雪产品在时间精度上要高于GSI月平均积雪覆盖数据。由于同化系统对AMSU-A较低通道辐射率资料的质量控制需要依据更准确的地表积雪信息,所以本文结合冬春季节的FY-3C日积雪产品和NCEP再分析资料,研究了北半球中高纬度地区不同积雪覆盖率初值对分析场不同高度层温度场的影响,以及在同化过程中对预报结果的影响。结果表明,在对AMSU-A辐射率资料的质量控制中,月平均积雪数据和日积雪产品对温度场影响较大的区域与两者积雪覆盖差异区域有明显的对应;冬春季节,使用FY-3C日积雪产品代替GSI月平均积雪数据作为背景场中积雪下垫面数据,对进入同化系统的AMSU-A辐射率资料质量控制时,120 h之内1000—600 h Pa的中低层温度场的预报效果得到改善。     

Spectrodirectional remote sensing: From pixels to processes

This paper discusses the historical evolution of imaging spectroscopy in Earth observation as well as directional (or multiangular) research leading to current achievements in spectrodirectional remote sensing. It elaborates on the evolution from two separate research areas into a common approach to quantify the interaction of light with the Earth surface. The contribution of spectrodirectional remote sensing towards an improved understanding of the Earth System is given by discussing the benefits of converging from individual pixel analysis to process models in the land-biosphere domain. The paper concludes with an outlook of research focus and upcoming areas of interest emphasizing towards multidisciplinary approaches using integrated system solutions based on remote and in situ sensing, data assimilation, and state space estimation algorithms.     

非均匀地表蒸散遥感研究综述

本文评述了目前常用的遥感估算地表蒸散方法,包括地表能量平衡模型、Penman-Monteith类模型、温度—植被指数特征空间方法、Priestley-Taylor类模型和其他方法。然而使用这些方法估算地表蒸散时会面临严重的尺度效应,而产生尺度效应的根本原因之一是地表异质性,在分析了非均匀下垫面对水热通量遥感反演造成的影响后,介绍了面积加权、校正因子补偿与温度降尺度3种尺度误差纠正方法;并从地面观测实验的角度简述了非均匀下垫面水热通量真实性检验的研究;最后探讨了将来建立更具时空代表性的非均匀下垫面地表蒸散遥感估算模型可能会面临的一些挑战。     

风云三号C星微波成像仪升降轨偏差问题分析及订正

风云三号(FY-3)的微波成像仪(MWRI)能够全天候获取全球大气水汽含量、云雨参数及海面温度等的空间分布,并可为数值天气预报提供初始场信息进而提高天气预报的准确性。但FY-3C MWRI O-B(O是卫星观测亮温,B是数值天气预报模式模拟亮温)偏差结果存在较大升降轨差异,严重制约了遥感信息的正确提取以及在数值天气预报模式中的业务同化应用。本文通过分析定标方程各参数:定标黑体物理温度、热反射镜背瓣亮温、热反射镜物理温度、冷空反射镜物理温度、接收通道温度、黑体观测计数值、冷空观测计数值、定标斜率、定标截距,并对定标方程各项进行敏感性分析,找出了引起MWRI升降轨偏差的主要原因是热反射镜的发射率异常增大引起的。经过不断调整MWRI的热反射镜发射率,使升轨O-B与降轨O-B的概率分布逐渐重合,初步估算了热反射镜发射率。本文的订正方法可指导未来仪器的发展,并为直接同化MWRI辐射数据提供了条件。     

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。