通过航空POLDER数据估计地表二向性反射分布函数(英文)

研究中，通过选择目标区的ＰＯＬＤＥＲ图象数据来估计目标的二向性反射分布函数，其主要结果可简述如下：１）我们发展了一种大气纠正算法，它适用于源自ＰＯＬＤＥＲ传感器的图象数据格式。通过这种算法，将连续的不同视角的ＰＯＬＤＥＲ陆地图象转化为一系列表面反照率图象，该过程考虑了多次散射。２）然后，选定２１个目标区，包括河流、水塘、城市、道路、森林等，其光谱二向性反射分布函数通过连续的反照率图象来估计。研究发现，水表面的二向性反射分布函数５５０ｎｍ，６５０ｎｍ，８５０ｎｍ处呈现朗伯体特征，同时发现有植被覆盖地表的二向性反射分布函数在５５０ｎｍ和６５０ｎｍ处大致为各向同性，而在８５０ｎｍ处则表现为各向异性。该文给出了所有靶区按经验二向性反射分布函数的拟合参数值。     

评估MODIS的BRDF角度指数产品

应用地表观测的二向性反射数据集和多种MODIS数据产品,通过统计分析,对MODIS的二向性反射角度指数产品进行综合评估,结果表明:(1)MODIS角度指数包含了地表三维结构信息,有望用来反演地表的物理结构参数;(2)MODIS角度指数是内在的三维关系,各向异性因子(Anisotropic Factor:ANIF)和各向异性指数(Anisotropic Index:ANIX)高相关,建议去掉ANIF以精炼MODIS角度指数产品;(3)各向异性平整指数(Anisotropic FlatIndex:AFX)较好地指示了地表基本散射类型的变化,且具有较小的类内方差,对改善特定地表分类精度可能会更有用.     

地形对地表二向性反射测量的影响(英文)

该文重点研究不同空间分辨率下粗糙地表的表面二向性反射测量。这里将不同二向阴影函数和计算机模拟技术进行了对比，所用到的计算机模拟技术包含射线追踪和基于人造表面和３０ｍＤＥＭ数据的辐射通量法等。所有算法都显示出地形对辐射度量有显著影响，然而，它们同时揭示了诸多模型之间存在着很大的差异，如果想准确估计地形对二向性反射分布函数的影响，就必须做进一步的研究。     

双冠层反射率模型分析各向异性平整指数(AFX)对植被参数的敏感性

二向反射分布函数包含地表反射的方向性特征信息。研究二向反射分布函数BRDF(Bidirectional Reflectance Distribution Function)形状对植被结构参数的敏感性,有助于理解植被的二向性反射规律,进而反演植被参数。本文耦合双冠层反射率模型和核驱动的罗斯厚核-李氏稀疏互易核模型,利用EFAST全局敏感性分析方法,以各向异性平整指数为BRDF形状变化的衡量指标,研究了不同天空光比例(SKYL)下,各向异性平整指数AFX对植被参数敏感度的变化,以及SKYL=0.1时AFX的敏感性。结果表明:(1)在红波段,上、下层叶面积指数、上层叶绿素含量,以及上层叶倾角分布是AFX的敏感参数,在近红外波段,上、下层叶面积指数LAI是AFX的敏感参数。(2)冠层尺度上的参数敏感度总体大于叶片尺度。(3)晴天时(SKYL=0.1),红波段主敏感度较大的参数分别是上层LAI、上层叶倾角分布和下层叶片结构参数,近红外波段主敏感度较大的参数主要是上、下层LAI。     

利用MODIS BRDF估算中国东北森林背景反射率——以大兴安岭加格达奇地区为例

基于MODIS二向反射分布函数(BRDF)模型参数产品数据,利用4-scale模型建立查找表,以中国东北大兴安岭加格达奇地区为研究区,反演森林背景反射率,并分析不同森林类型二向反射与背景反射率特性及其季节变化。研究结果表明:(1)研究区针叶林和混交林二向反射特征较为相似,夏季阔叶林在红光波段的二向反射率值均低于针叶林和混交林,而在近红外波段则相反;不同森林类型二向反射率均存在明显的季节变化,其中阔叶林二向反射率季节变化最为明显;(2)研究区夏季森林背景反射率在红光波段较低,均在0.1以下,近红外波段背景反射率普遍高于0.3,且空间差异较大;(3)不同森林类型的背景反射率季节变化趋势大致相同,但变化幅度存在差异:阔叶林的背景反射率值季节差异最大,尤其在近红外波段。     

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。     

基于各向异性协方差函数的自适应拟合推估

随机信号协方差函数的拟合和确定是拟合推估的关键。在常规协方差函数拟合时,通常假定随机信号为具有各向同性的随机过程,而事实上各向异性更具有普遍性。结合方差在不同方向的误差分量表达式,给出了各向异性协方差函数的拟合方法,利用由方差分量估计构建的自适应因子调节观测随机误差与信号对模型参数估计的贡献,以减弱观测误差和随机信号先验模型不确定而带来的影响,并将其应用于InSAR监测缺失数据填补中。计算结果表明,拟合推估具有较好的缺失数据填补能力,应用基于各向异性协方差函数的自适应拟合推估,其填补精度得到进一步的改善。     

应用二向性反射分布函数进行反照率的精确计算和邻近象元效应校正(英文)

该文讨论二向性反射分布函数（ＢＲＤＦ）在遥感领域中两方面的应用：（１）晴天大气层顶部的反照率的确定，（２）二向性反射分布函数对邻近象元点扩散函数和大气订正的影响。大气层顶部的光谱反照率是从多角度成象光谱辐射计（ＭＩＳＲ）提取的重要参数，其精度主要取决于我们对不同情况表面建立更好的ＢＲＤＦ模型。该文论述一种与９个ＭＩＳＲ二向性反射观测值相匹配的半经验函数的算法，并可进而通过数值积分产生４个光谱波段的晴天大气层顶部的光谱反照率。结果显示反照率的绝对精度对可见光波段可高于１％，对近红外波段可高于２％。采用一种简化的辐射通量模型，我们的工作显示邻近象元点扩散函数（ＰＳＦ）的形状取决于下垫面表面的ＢＲＤＦ。在给定与中心象元的偏移（ｘ，ｙ）的条件下邻近象元的点扩散函数，由和沿观察方向的散射相函数的传输加权的乘积的积分给定。     

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。     

一种改进的MODIS影像BRDF辐射校正方法

针时二向性造成的辐射失真，在核驱动模型的基础上提出了一种改进的二向性反射分布模型，并通过时MODIS影像的试验，得到了减弱辐射差异的较好效果，并对试验结果进行了分析和评价。     

地物二向性反射几何光学模型和观测的进展

本文介绍了地物的二向性反射分布函数(BRDF)及共数学模型,讨论了BRDF的某种特定子集与地物结构的某些重要特征之间的关系,即地物结构的方向描述BRDF的方向谱,作者选择并定义了信息量最为丰富的两个子集。即主平面子集和主锥面子集。还介绍了观测上的最新进展。     

雪盖方向反射的多角度测量(英文)

雪域和表面反照率的精确测量对于推进人们认识全球气候系统非常重要。这是因为大面积雪盖的高反射特性（北半球的冬季，雪可覆盖到４０％的陆地表面）。雪的反射随太阳光线入射角度和观测角度的变化而变化。我们已采用具有不同空间分辨率的可见光传感器来获得雪的参数。目前，从卫星观测器能获得的只是天底观测方向反射数据，因此需要用多角度进行观测来获得雪域的半球反射率。我们建议用包括不同观测角信息和多极化信息的ＰＯＬＤＥＲ数据来研究雪域的方向反射。载于ＡＤＥＯＳ１卫星上的ＰＯＬＤＥＲ已于１９９６年８月成功发射。但目前仍不具备ＰＯＬＤＥＲ数据，我们研究采用的是从可定向的机载分光辐射谱仪获得的ＡＳＡＳ数据。从Ｍｏｎｔａｔａ冰河国家公园采集的数据显示出很强的角度依赖性。初步的结果证实了雪反射的各向异性。对雪盖ＢＲＤＦ认识是以后的发展真实反照率模型的关键。     

水面溢油的多角度偏振与二向性反射定量关系研究

水面溢油是最常见的水体污染源之一,在反射、散射和透射电磁辐射的过程中,将表现与它们自身性质有关的偏振特性。因此,对水面溢油的多角度偏振信息探测成为水体定量遥感的一种新手段。偏振反射是伴随目标的二向性反射而产生的,在探测目标地物的二向性反射的同时,可以通过起偏器获得目标地物偏振态的三维空间分布。本文从多角度偏振遥感机理的角度出发,研究了水面溢油的多角度偏振反射与二向性反射之间存在的定量关系,并从实验上验证了其二向性反射、45°偏振、偏振均值三者在2π空间的相应方位角、天顶角、探测角以及通道上的反射比均相等。     

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。     

WorldView-2纹理的森林地上生物量反演

使用高空间分辨率卫星WorldView-2的多光谱遥感影像,构建植被指数和纹理因子等遥感因子与森林地上生物量的关系方程,并计算模型估测精度和均方根误差,探索高分辨率数据的光谱与纹理信息在温带森林地上生物量估测应用中的潜力。以黑龙江省凉水自然保护区温带天然林及天然次生林为研究对象,通过灰度共生矩阵(GLCM)、灰度差分向量(GLDV)及和差直方图(SADH)对高分辨率遥感影像进行纹理信息提取,并利用外业调查的74个样地地上生物量与遥感因子建立参数估计模型。提取的遥感因子包括6种植被指数(比值植被指数RVI、差值植被指数DVI、规一化植被指数NDVI、增强植被指数EVI、土壤调节植被指数SAVI和修正的土壤调节植被指数MSAVI)以及3类纹理因子(GLCM、GLDV和SADH)。为避免特征变量个数较多对估测模型造成过拟合,利用随机森林算法对提取的遥感因子进行特征选择,将最优的特征变量输入模型参与建模估测。采用支持向量回归(SVR)进行生物量建模及验证,结果显示选入模型的和差直方图均值(sadh_mean)、灰度共生矩阵方差(glcm_var)和差值植被指数(DVI)等遥感因子对森林地上生物量有较好的解释效果;植被指数+纹理因子组合的模型获得较精确的AGB估算结果(R2=0.85,RMSE=42.30 t/ha),单独使用植被指数的模型精度则较低(R~2=0.69,RMSE=61.13 t/ha)。     

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。     

质量负荷引起地表形变的格林函数和球谐函数方法对比研究

固体地球对地表质量负荷响应,一般采用格林函数或球谐函数方法来计算。两者在数学上是等价的,在实际计算中存在差异。应用地表流体质量负荷变化数据,定量分析了二者在计算地表位移时的精度。结果表明,同一负荷作用下对单点地表位移的计算,两者的精度在误差水平上是一致的,其计算效率也是一致的;但在计算全球1°规则网格站点时,球谐函数方法要比格林函数方法在计算效率上快近100倍。对地表流体质量变化而言,2°空间网格的分辨率一般可满足改正GPS位移数据的精度,且地表流体引起的站点垂直位移变化可解释超过50%的GPS观测方差。     

Ross-Li核驱动模型热点参数化及其校正—以POLDER数据为例

半经验、核驱动二向性反射分布函数(BRDF)模型是多角度遥感领域的一个重要模型,其热点效应在应用BRDF反演其它地表参数时有重要作用。本研究针对树冠内部叶片的间隙对热点的影响,对几何光学核的重叠函数进行热点效应的改进,并利用POLDER多角度观测数据集,对改进热点效应后的不同核函数组合模型的最优热点参数进行了确定。通过最小均方根误差(RMSE)筛选出最优热点参数,进一步分析不同模型对热点参数的敏感性和RMSE随热点参数的变化情况。结果表明:(1)该热点参数化方法可用于Ross-Li核驱动模型不同核函数组合的情况,热点校正后的模型相对于原模型很好地改善了对热点反射率的拟合能力;(2)热点参数最优值在几何光学核为LSRC (LiSparseRChen)与LDRC (LiDenseRChen)组成的模型中出现明显差别,C1在LDRC模型中的值远小于LSRC模型,主要是因为LDRC核函数自身较好考虑了树冠尺度下的热点效应,所以该热点参数改进方法起到的补偿作用较小;(3)总体上,同一模型的C1参数比C2参数对热点的变化更敏感。本研究为Ross-Li核驱动模型的热点效应进一步校正及热点参数的取值范围提供了依据,对Ross-Li模型的推广有重要意义,改进热点效应后的模型可用于未来国产多角度卫星的数据处理流程中,以获取加精确的地物热点反射率信息。     

天宫二号近天底角交轨干涉SAR的海洋涡旋探测

海洋涡旋是海洋科学研究的一个重要分支，在海洋热循环中起着重要的作用。传统的卫星高度计通常能够探测到水平尺度超过100 km的中尺度涡旋，但是由于其分辨率较为粗糙，对于1—100 km的亚中、小尺度涡旋难以探测。天宫二号搭载的三维成像微波高度计（InIRA）是国际上第1个可以用于进行海面高度测量的Ku波段干涉SAR，为观测和研究海洋亚中、小尺度涡旋提供了数据来源。InIRA不仅可以获取海洋涡旋2维SAR图像，同时通过两个天线获取复图像间的干涉相位，能够获取涡旋海表面高度异常，为海洋涡旋的探测研究提供了新的可能。本文基于天宫二号InIRA数据，开展了海洋涡旋探测的研究，提出一种通过计算涡旋海面相对高度变化实现海洋涡旋探测的方法。通过对InIRA涡旋数据的处理与分析，发现该方法能够实现海洋涡旋的探测，并利用MODIS叶绿素浓度数据和海表温度数据对海洋涡旋探测结果进行了验证。