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)。     

基于GF-1WFV数据的16 m分辨率反照率产品算法与验证

地表反照率在陆面气候和生物圈模型中起着至关重要的作用。为了更好地满足多领域研究的要求,拓宽定量遥感参数的应用,许多研究学者及团队正在利用不同的算法开发高分辨率地表反照率产品。本文提出的算法基于中国高分一号卫星WFV传感器数据和500 m分辨率的GLASS反照率产品生成高空间分辨率的反照率产品。算法思路首先用直接反演算法反演GF-1 WFV数据得到16 m分辨率初级反照率产品,再将500 m分辨率的GLASS反照率产品与16 m分辨率初级产品的纹理信息进行降尺度融合,最终得到16 m分辨率的融合反照率产品。以2016年—2017年黑河实验区的8个站点的地面观测值对算法结果进行验证,实测数据与反演融合数据的时间序列图表明融合后的16 m分辨率反照率与实测值一致性较好;同时,通过2016年—2017年所有站点散点图分析,融合反照率均方根误差为0.02439,初级反照率则为0.05135,融合反照率比初级反照率更接近实测值。16 m分辨率反照率产品在平均值与500 m分辨率的GLASS反照率产品一致的前提下丰富了空间纹理信息,能够更好地支持在区域尺度研究人类活动对环境的影响。     

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。     

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。     

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。     

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。     

MODIS V006和V005全球反照率产品精度对比分析

反照率作为一种非常重要的地表能量平衡、全球变化研究的参数,在众多研究领域中得到了广泛的应用,到目前为止已经有多种全球范围的反照率产品进行业务化生产和发布,针对不同反照率产品质量评价的研究也变得愈加重要。MODLAND团队在MODIS V005反照率产品反演算法的基础上通过改进16天周期内观测数据加权的方法生产出新版本的反照率产品MODIS V006。本文针对MODIS两个版本V005及V006的反照率产品,利用FLUXNET地面站点数据,比较验证两个版本反照率的总体精度以及在不同地表类型条件下的精度差异,同时通过交叉验证的方法分析二者的差异及稳定性。验证结果表明,MODIS V006反照率产品虽然在全反演高质量的数据比例上较V005有所下降,但是在同等条件下V006在提高时间分辨率的同时其精度也有所提高,在不同的地表类型条件下精度也优于V005,且在时间序列分布上具有稳定比例的高质量数据,可以满足大多数应用的精度需求。     

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。     

Landsat 9数据的地表温度反演算法优化

地表温度作为地表与大气之间能量交换的关键参数被广泛地用于众多领域。本文针对Landsat 9数据,优化了单窗算法模型和劈窗算法模型,实现了地表温度反演,并结合SURFRAD站点实测数据和地表温度产品进行了精度验证分析。结果表明：两种算法模型的确定系数均大于0.96,其中劈窗算法模型精度较高,误差(RMSE)值为1.45 K左右,单窗算法模型精度较低,误差(RMSE)值为1.61 K左右;劈窗算法模型相较于单窗算法模型对参数的敏感性较低,在高水汽含量范围内,劈窗算法模型的结果要优于单窗算法模型的结果;本文提出的地表温度反演方法结果与官方地表温度产品的误差(RMSE)值均在2.5 K以内,可满足热红外遥感数据生产地表温度产品的应用需求。     

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。     

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。     

A long-term Global LAnd Surface Satellite (GLASS) data-set for environmental studies

Recently, five Global LAnd Surface Satellite (GLASS) products have been released: leaf area index (LAI), shortwave broadband albedo, longwave broadband emissivity, incident short radiation, and photosynthetically active radiation (PAR). The first three products cover the years 1982–2012 (LAI) and 1981–2010 (albedo and emissivity) at 1–5 km and 8-day resolutions, and the last two radiation products span the period 2008–2010 at 5 km and 3-h resolutions. These products have been evaluated and validated, and the preliminary results indicate that they are of higher quality and accuracy than the existing products. In particular, the first three products have much longer time series, and are therefore highly suitable for various environmental studies. This paper outlines the algorithms, product characteristics, preliminary validation results, potential applications and some examples of initial analysis of these products.     

基于Landsat TM的城市热岛效应与地表特征参数稳健关系模型

 首先,利用Landsat TM热红外影像结合地面气象观测资料反演地面温度,揭示了济南市夏季城市热岛效应| 然后,基于稳 健的LTS与最小二乘回归（LS）分析探讨了城乡地面热辐射与地表特征参数的线性变化趋势,认为植被指数（NDVI、SAVI和TCG）、 湿度指数（NDMI和TCW）以及近红外反照率与地表温度的变化趋势相反,亮度指数（NDBI和TCB）和可见光反照率与地表温度的变化 趋势一致,而短光波段反照率与地表温度不存在明显相关趋势。研究结果表明,NDMI能很好地解释地表温度变化,且最为稳健; 其次是NDVI、SAVI、TCG和NDBI,它们对地表温度的解释程度高且稳健性较强; 可见光反照率虽能较好解释地表温度,但其稳健性 较差; 近红外反照率、TCW和TCB对地表温度的解释程度和稳健性相对较低。     

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.     

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。     

Field validation of the GLASS land surface broadband emissivity database using pseudo-invariant sand dune sites in northern China

The land surface broadband emissivity (LSBE) is a key parameter for estimating surface radiation, and there have been many studies of the LSBE at global or local scales. However, few studies have validated the surface emissivity database with multi-point field measurement data using infrared radiometry, especially in China. In this study, we focus on the validation of the emissivity product of the global land surface satellite (GLASS) LSBE database for northern China for the period from 2006 to 2011. Specifically, we have employed an eight-day averaged, gridded emissivity product in the 8–13.5 µm spectral range produced at a spatial resolution of 1000 m from the Moderate Resolution Imaging Spectrometer albedo product using a new algorithm. The GLASS LSBE database was validated over bare surfaces with field measurement data from sand samples collected at many pseudo-invariant sand dune sites located in western and northwestern China. By comparing measured emissivity for different land surface types at different sites and different times, it was shown that the results were consistent and that the accuracy of the field measurements was reliable. The results of the validation of GLASS LSBE with these field emissivity data showed very good agreement.     

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。     

基于水体指数的密云水库面积提取及变化监测

密云水库作为北京市惟一的地表饮用水源地,监测其水面的变化可服务于政府的管理和决策。本文在分析地物光谱特征的基础上,利用TM影像的短波红外波段(TM5)和红光波段(TM3),构造了修订型归一化水体指数(RNDWI)来提取水库水面。RNDWI法能够削弱混合像元因素和山体阴影的影响,精确地提取出水陆边界,甚至可以提取出狭窄条状水体。比较RNDWI、改进归一化差异水体指数(MNDWI)及单波段法的水库水面面积提取精度,发现单波段法精度低,MNDWI法精度高,而RNDWI法精度最高。并基于RNDWI法利用TM影像监测了密云水库近二十年的水面面积动态变化,1996年时面积最大(152.306km2),近十年水库面积逐渐减少,2004年面积最小(56.632km2)。     

一种拓展的半物理时空融合算法及其初步应用

Landsat 5卫星较低的时间分辨率(16天)使得其很难获得大区域的、时相一致的清晰影像数据集。本文发展了一种基于半物理模型的时空融合算法-即乘性调制融合算法,并借助多时序的MODIS反射率数据来生成多时相的Landsat TM/ETM+反射率合成影像,经镶嵌后得到区域尺度的高时空分辨率地表反射率数据集(Landsat TM/ETM+)。本文利用吉林省2006年—2011年的Landsat 5 TM地表反射率数据以及500 m的MOD09A1反射率产品来生成3个时相的Landsat 5 TM反射率合成数据,从而获得研究区在上述时相下地表反射率数据的镶嵌图。初步分析表明,所生成的Landsat 5 TM反射率数据的光谱分布特征与MOD09A1反射率数据较为一致,且图像在整体上光谱特征的连续性较好。     

作物种植成数的遥感监测精度评价

以河南开封和山西太谷地区作为研究区域 ,选用LandsatTM作为农作物种植面积遥感监测的数据源。利用LandsatTM提取河南开封实验区 2 0 0 1年的夏季作物和山西太谷地区 2 0 0 3年秋季作物的作物种植成数。同时 ,利用IKONOS ,QuickBird高分辨率遥感影像 ,通过地面调查进行了地面作物填图和分类 ,同样得到实验区的农作物种植成数。最后通过两种结果对比 ,表明开封实验区夏季作物的监测精度达到 99%以上 ,太谷实验区秋季作物的监测精度达到 97%以上 ,由此推断 ,表明利用LandsatTM监测农作物种植成数的精度能够满足中国农情遥感监测的运行化要求