一个植被双向反射模式的反演控制试验

利用地面遥感观测数据,对一个浑浊介质假定下的植被双向反射模式,增加了对太阳漫射辐射因素处理,在可见光波段上,进行了系列模式反演试验。这些试验有助于完善植被双向反射模式中物理过程的描述,了解模式反演过程的控制和选择合适遥感观测数据进行模式反演。分析试验结果发现：（１） 对 Ｌ Ａ Ｉ进行初值预估有利于获得较好的植被双向反射模式反演结果。（２） 加入植被对太阳漫射辐射的反射过程描述,可以使植被双向反射模式的反演结果更加合理。（３） 使用在太阳天顶角不太大（ ＜ ４５°） 和太阳方位角偏离１８０°不多（ ＜ ４５°） 观测条件下得到的遥感数据,可以使植被双向反射模式的反演结果较好。（４） 在３１°—６１°的太阳天顶角范围和１３６°—２５８°的太阳方位角范围内,多角度观测使太阳天顶角和方位角因素对 Ｌ Ａ Ｉ反演结果的影响不显著。（５） 当太阳漫射辐射的份额不大时,对 Ｌ Ａ Ｉ反演结果的影响不显著。如果只针对 Ｌ Ａ Ｉ,那么对反演植被双向反射模式所应用的地面遥感数据可以不进行大气校正处理,这样的结果虽然是从对地面遥感数据的处理中获得的,仍然对卫星遥感的观测时段选择和卫星遥感数据的选取和分析有一定的价值。     

辐射传输模型模拟与深度学习结合的高分一号卫星植被光合有效辐射吸收比例产品反演算法

植被光合有效辐射吸收比例FPAR (Fraction of absorbed Photosynthetically Active Radiation)是碳循环光能利用率模型中的关键参数之一。高分系列卫星的发射，为反演定量遥感产品提供了高时空分辨率的卫星遥感数据，基于高分数据的植被光合有效辐射吸收比例产品能够为生态系统碳循环的分析评估提供更加精细、精度更高的输入参数产品。本文发展了一种基于深度学习的光合有效辐射吸收比例反演方法。该方法利用SAIL(Scattering by Arbitrarily Inclined Leaves)模型模拟多种太阳入射角度、观测角度、大气条件下的植被冠层光合有效辐射吸收比例及冠层反射率，形成海量输入—输出模拟数据集，具有鲁棒性及更好的普适性；基于深度信念网络对数据集进行训练，得到高分一号（GF-1）卫星光合有效辐射吸收比例遥感反演模型。利用中国科学院怀来遥感综合试验站及黑河流域地表过程综合观测网FPAR地面站点连续观测数据对玉米作物、芦苇草地等下垫面反演的FPAR进行了对比验证，RMSE分别为0.15和0.17。本方法以辐射传输模型模拟的多维大气及地表输入...     

植被遥感辐射传输建模中的异质性研究进展

遥感辐射传输建模是在研究电磁波与地物相互作用机理的基础上,建立遥感观测信号与地物属性、地物结构和观测几何等参量之间定量关系的模型,是理解遥感观测信号和反演地表参量的理论基础。近年来空间异质性问题引起了定量遥感领域的高度关注,高分辨率卫星及激光雷达等数据的日益丰富给研究空间异质性提供了有力支撑。在异质性植被场景遥感辐射传输建模过程中,像元内部的组分比例、3维结构、空间格局以及端元边界处的阴影效应与散射过程等方面是需要重点考虑的因素。本文在总结非均质地表空间异质性描述的基础上,分别总结了植被二向性反射与热红外辐射方向性建模研究的发展历程,以及非均质地表植被遥感建模研究的最新进展,并指出了地表遥感建模中研究异质性问题的发展方向。     

一种获取野外实测目标物BRDF的方法

目标物的二向性反射特性,无论是在遥感模型还是在遥感反演中都扮演着重要的角色,因此,选用正确的方法获得自然条件下目标物的二向性反射特性是遥感定量分析的基石。长期以来,人们往往用在自然条件下（即太阳直射光和天空漫射光同时存在）测得的双向反射率因子（Bidirectional Reflectance Factor,BRF）作为对目标物反射特性的表述,但定义BRF时,对外来辐射环境（即入射辐射亮度的空间分布函数）没有做出明确的规定,事实上,这样测得的BRF值与辐射环境有关,用它来描述目标物的反射特性是不妥当的。本文通过野外测量证实了上述观点,还证明了双向反射率分布函数（Bidirectional Reflectance Distribution Function,BRDF）与辐射环境无关的事实。同时本文也为读者提供了一种获得野外实测目标物BRDF的方法。实验证明,使用该方法能较准确地获得目标物在自然条件下的BRDF。     

遥感植被双向反射光谱的理论研究与应用展望

本文首先分析了传统的垂直测量方法在定量遥感中的局限性及多角度倾斜光谱在估算地物三维空间结构等方面的优越性。通过总结近年来国际上在植被双向反射领域所取得的主要成果,对计算植被双向反射系数的四类物理模型进行了简要评述。然后,从模式的选取、地物方向谱的结构及最佳的多角度资料的获取、观测波段的选择和模式的数学反演等方面出发,详细地讨论了利用上述理论模型实现植被结构参数的定量估算、再生资源的定量遥感的主要过程,以及使多角度遥感的潜在优势得以真正实现的可能途径。     

贝叶斯网络支持的地表参数混合反演模式研究

基于贝叶斯网络理论，建立用于植被地表参数估计的混合反演模式，结合遥感物理模型实现了冬小麦叶片叶绿素含量（Cab）和冠层叶面积指数（LAI）的反演。用模型模拟数据以及2001年顺义遥感实验数据验证结果表明，LAI和Cab均有较好的反演精度。针对含噪声模拟数据反演结果中约有10％的噪声数据反演失败的情况，用不确定知识的处理方法有效地降低了失败点的比例。混合反演模式本质上是一个融合先验知识与观测数据的知识推理方案，本文实现了对反演过程中参数后验概率更新算法并引入热力学中的信息熵概念实现了参数后验信息动态定量计算，同时简单探讨了现阶段定量评价遥感反演过程中信息流控制存在的难点问题。     

几何光学冠层反射建模中的光谱分量特征的参数化(英文)

该文用几何光学与辐射传输混合模型研究不连续植被冠层的几何光学反射模型的四分量（承照树冠、承照地面、阴影树冠、阴影地面）的参数化。用一个修正的均匀介质层路径散射（反射与传输）参数的解析算法估计路径散射参数（反射与传输），其中也考虑了冠层间隙的影响。光谱分量特征是不连续植被冠层的传输与反射，背景反照率，以直射光通量与天空漫射光通量比例的函数。光谱分量特征的模型与在美国缅因州Ｈｏｌａｎｄ采集的针叶林数据吻合。基于ＬｉＳｔｒａｈｌｅｒ几何光学相互遮蔽模型，用参数化的光谱分量特征对老松林和老云杉林的方向反射进行估计，其结果与在不同太阳与观测方向上的ＰＡＲＡＢＯＬＡ测量值匹配得很好。     

岷江上游典型流域植被覆盖度的遥感模型及反演

本文在对岷江上游典型流域研究区实地踏勘和定位观测的基础上,综合利用Aster和ETM遥感数据、地面实测数据和常规观测数据等资料,研究了植被指数与植被覆盖度之间的相关性,确定了岷江上游典型流域植被覆盖度模型。以遥感图像中单个像元作为测算单位,对植被指数NDVI进行了计算,并对岷江上游毛儿盖地区植被覆盖度进行了反演。利用研究区实测数据、生态环境本底遥感调查数据和水文气象数据,对上述模型反演结果进行验证和精度分析。结果表明,模型反演结果精度较高,能较真实的反应研究区植被覆盖度实际状况。     

植被冠层立体结构与叶片倾角的偏振光效应

植被偏振特性研究对于植被监测与组分定量反演具有极其重要的作用。植被冠层的反射辐射具有偏振特性,这种特性与入射辐射和植被冠层结构相关。本文分析了偏振对光子—叶片—冠层之间细微相互作用及其变化的有效探测能力,并利用研究型扫描式偏振辐射仪RSP(Research Scanning Polarimeter)数据系统对比分析了偏振对不同叶倾角分布的估测。通过上述研究得出以下结论:(1)偏振观测能够对光线在冠层立体结构中的透射反射再出射过程给出精细刻画,若不用偏振手段对这一过程进行甄别并去除,则直接测算的植被散射系数会产生高达140%的误差;(2)利用偏振手段可以为高精度大倾角、多时相遥感观测提供可能,以此可改变目前光学遥感小角度、垂直观测的较严格约束;(3)偏振辐射呈现出随波长的稳定特性(相关系数0.96),使得利用偏振手段可以更好地研究冠层结构;(4)不同叶倾角分布对入射辐射存在不同的偏振反射,为利用多角度偏振信息进行遥感植被精细分类提供了新的途径。本文详细描述冠层结构和植被偏振特性的相互作用,通过对冠层立体结构与叶倾角的研究,刻画了植被定量遥感的方向性信息与高精度实现,为高分辨率遥感定量化的有效信息挖掘提供了新手段。     

利用GPS-R遥感技术反演植被生物量

为了验证利用GPS-R遥感技术反演植被生物量的可行性,分析了GPS反射信号反演植被生物量的原理与方法,通过试验利用干涉复合场数据（ICF）计算出信号反射率,利用已有文献拟合出的信号反射率与植被生物量之间的关系求出生物量,并与遥感技术结果进行了对比。试验结果表明：利用GPS-R遥感技术反演植被生物量是可行的,但是精度还需依靠时间反演模型;GNSS-R反演植被生物量对分析调查区域植被生长和碳排放情况具有重要意义。     

北京城市下垫面大气CO2反演算法

大气温室气体监测仪GMI（Greenhouse gases Monitor Instrument）是高分五号（GF-5）卫星载荷之一,主要用于全球温室气体含量监测和碳循环研究。高精度反演是卫星大气CO₂遥感的基本需求。地表反射率影响卫星遥感辐射量及辐射传输过程中的地气耦合过程,严重制约着CO₂的反演精度,针对GMI开发高精度的大气CO₂反演算法,地表反射是一个需要重点考虑的因素。城市是CO₂重要的发射源,且城市下垫面存在明显的二向反射特性,加上城市大气条件不良,复杂的地气耦合效应存在这都考验反演算法的准确性和鲁棒性。本文针对北京城市地区,利用2011年—2016年共5年的MODIS（MODerate-resolution Imaging Spectroradiometer）地表二向反射分布函数BRDF（Bidirectional Reflectance Distribution Function）数据,构建了适合利用单次观测数据反演的BRDF模型,并提出一种同时反演地表BRDF参数和大气CO₂含量的算法。结果表明在550 nm波长处气溶胶光学厚度AOD（Aerosol Optical Depth）小于0.4时,大部分GMI模拟数据的反演误差控制在0.5%（~2 ppm）内。利用GOSAT （Greenhouse gases Observing SATellite）实测数据的反演结果与修正后的日本国立环境研究所NIES（National Institute for Environmental Studies）反演结果进行对比,其平均误差为1.25 ppm,相关性达到0.85。本算法满足GMI数据在北京城市区域高精度CO₂反演的需求,并使得反演高值气溶胶区域数据成为可能,增加了GMI观测数据的利用率。     

基于直射辐射遥感图象的地物双向反射特性研究(英文)

该文讨论了一种在ＧＩＳ支持下利用直射辐射遥感图象研究地物双向反射特性的原理和方法。其主要依据是象元地面的坡度和坡向的不同，同时改变了象元地面与太阳之间、象元地面与卫星传感器之间的相对位置，并且造成了同类象元太阳直射辐射遥感分量的差异。而正是这种差异体现了该类地物双向反射特性。在ＧＩＳ的支持下利用卫星直射辐射遥感数字图象，研究卫片象元同类地物的这种差异的规律以及它们与对应坡面上的太阳位置、卫星位置的关系，便可进行该类地物的双向反射特性研究。     

利用NPP/VIIRS微光数据反演夜间气溶胶光学厚度

大气气溶胶具有气候环境和健康效应,且具有明显的时空和昼夜变化特征。因此探测夜间气溶胶光学厚度（AOD）具有重要的意义。NPP/VIIRS上的昼夜通道DNB（Day Night Band）为夜间反演AOD提供了有效的数据。基于大气辐射传输理论对夜间AOD进行反演,首先,利用“背景合成法”获取夜间城市灯光真实辐射值;然后,利用改进的“消光法”反演夜间AOD。选取华北地区作为研究对象,获得了2016-03—2017-02新月日期的夜间城市灯光真实值,选择其中的2016年7月和10月的2次污染天气过程,反演了夜间AOD分布。通过北京、天津和郑州的太阳光度计地基观测结果和北京市环境质量监测站空气质量指数（AQI）对反演结果进行验证,结果表明反演结果和观测结果有较好的一致性,展示了卫星微光数据在夜间城市污染空间分布监测中的应用潜力。     

顾及城区形态特征的太阳辐射传输模型及其遥感应用

准确量化地表太阳辐射量是反射率遥感反演之基础,开展城区表面辐射研究具有重要意义。本文选择天空视域因子（V）表征城区下垫面形态特征,并区分太阳直接辐射、天空漫辐射以及环境辐射的不同影响,构建了城区表面太阳辐射模型USSR（Urban Surface Solar Radiation）;然后,以Landsat 8可见光和近红外波段遥感数据为例,分析了USSR模型对于量化城区表面太阳辐射的应用前景。研究结论为：（1）USSR模型以天空视域因子为核心要素,清楚量化了城区表面各辐射分量,有效模拟了城区表面太阳辐射传输过程,能够较好地表达城区下垫面形态结构对入射辐射的影响;（2）将USSR模型应用于Landsat 8遥感数据可见光和近红外波段时,基于USSR模型估算得到的城区表面太阳辐射,与不考虑下垫面形态特征影响相比,前者可以较好地表达城区下垫面对入射辐射的“截留”作用;（3）USSR模型估算结果与TEB模型相比,二者具有较高的相关性,间接验证了USSR模型的可用性;（4）对USSR模型的V和下垫面反射率两变量进行敏感性分析,显示随着V值的增加,结果呈递增趋势;通常情况下的地表反射参数P设置值,相对于参数V的影响要弱,呈现不敏感性。本文提出的USSR模型可订正城区表面太阳辐射值,从而拓展城市遥感的应用深度和广度。     

基于机载MASTER数据的果园叶面积指数遥感反演

叶面积指数(leaf area index,LAI)是描述植被冠层结构的重要参数,准确获取果树的LAI对果树长势监测和果树估产均有重要作用。以美国加州中部的果园为研究区,基于沿太阳主平面飞行成像的机载MODIS/ASTER模拟传感器(MODIS/ASTER airborne simulator,MASTER)数据,利用实测LAI数据与归一化差值植被指数(normalized difference vegetation index,NDVI)、归一化差值红外指数(normalized difference infrared index,NDII)和归一化差值水体指数(normalized difference water index,NDWI)分别建立回归模型,并选取NDWI进行研究区LAI的反演。结果表明:由于地物的二向性反射,垂直太阳主平面飞行获取的遥感数据具有明显的亮度梯度现象,而沿太阳主平面飞行获取的遥感数据几乎不受亮度梯度的影响;NDVI在高植被覆盖区容易达到饱和,而NDWI比NDVI和NDII具有更高的拟合度和更小的均方根误差,更加适合研究区LAI的遥感反演;该研究结果可以丰富LAI反演理论,也可以为研究LAI尺度问题提供理论和数据支持。     

利用PRO4SAIL与支持向量机回归的组合模型反演植被等效水厚度

为监测路域植被生态环境,利用遥感影像和辐射传输模型物理基础实现了对植被冠层等效水厚度（EWT）的估测。提出了利用PRO4SAIL与支持向量机回归的组合模型对等效水厚度进行反演的方法。选取Landsat7 ETM+影像,结合实测数据探索验证了PRO4SAIL与支持向量机回归的组合模型的植被参数反演的实用性和准确性。研究表明,该组合模型具有较好的预测能力,反演得到的等效水厚度含量精度较高,为支持向量机模型应用于遥感影像反演植被参数提高了有力支撑。     

遥感辐射传输建模与反演研究进展

综述了地表二向反射特性和植被BRDF 模型、地表热辐射方向性机理与建模研究的国内外现状; 围绕遥感辐射传输建模研究的最新进展, 重点介绍了基于叶片正反面反射率不等现象的叶片波谱模型改进(EPROSPECT)及冠层辐射传输模型(SAILE)、行播作物二向性反射模型、冬小麦穗叶复合热红外辐射方向性模型、二向性反射特性计算机模拟模型(RGM)、热红外辐射方向性计算机模拟模型(TRGM); 选择典型地表参数介绍了定量遥感反演的最新研究进展, 包括植被指数方向性校正方法、叶面积指数遥感反演中的信息量度量及其不确定性分析、地表反照率遥感反演中的地形校正方法等, 在此基础上介绍了定量遥感反演软件系统(RSIS 1.0)。最后就地表参数多源遥感协同反演面临的关键科学问题和近期研究目标进行了展望。     

双集合卡尔曼滤波估算时间序列LAI

遥感估算叶面积指数(LAI)时空动态变化对全球气候变化研究具有重要的意义,为了提高遥感估算时间序列叶面积指数的精度,需要耦合遥感观测数据与LAI动态过程模型。本文提出一种基于双集合卡尔曼滤波(Dual EnKF)的时间序列LAI反演方法,同时更新LAI估计值和LAI动态过程模型中的敏感性参数,得到LAI和动态过程模型敏感参数的最优估计值来优化动态过程模型。一方面使得动态过程模型可以更好地描述LAI随时间的变化过程,降低模型预测误差,从而提高LAI动态过程模型的预测能力;另一方面通过耦合动态过程模型和辐射传输模型,集成遥感观测数据与动态过程模型的预测值,进而得到优化的LAI估计值。为检验算法,分别选取作物、草地和林地等典型植被验证站点进行Dual EnKF LAI时间序列估算,并分别与MODIS LAI产品及其SG滤波曲线、集合卡尔曼滤波方法反演LAI、未优化的动态过程模型模拟LAI结果进行比较,并配以一些站点地面实测点数据作为参考。结果表明,采用Dual EnKF方法得到的LAI不但保持了时间上的连续性,而且通过改善动态过程模型的预测能力,即使在缺乏高质量遥感观测数据时,也能够获得符合LAI发展趋势的估算值,没有出现跳跃、波动现象,时间序列曲线较稳定,更符合植被LAI变化规律,表明基于Dual EnKF的时间序列LAI遥感估算方法是提取LAI时间廓线的一种有效途径。     

两种BRDF室外测量方法的RGM模拟对比与误差分析

目标物的反射特性,无论是在遥感模型还是在遥感反演中都扮演着重要的角色,因此选用正确的自然条件下目标物反射特性的测量方法是遥感定量分析的基础.长期以来在自然条件下(即太阳直射光和天空漫射光同时存在)测量目标物的反射特性时,可以获得BRF(Bidirectional Reflectance Factor)作为目标反射特性的描述,但这样获得的BRF与辐射环境有关.为了消除辐射环境的影响,获得真正能够反映目标物的反射特性的BRDF(Bidirectional Reflectance.Distribution Function),前人提出了一些野外测量的方法.本文在此基础上,利用计算机模拟的辐射度(Radiosity)模型在真实场景基础上模拟BRF值,分析测量方法中存在的系统误差受观测条件影响的大小,比较了测量方法的优劣,提出了野外测量时选择测量方法的基本原则.     

城市区域几何效应的辐射校正及其温度遥感反演

开展适用于城市地区热红外遥感图像几何效应的辐射校正物理模型研究,对提升城区下垫面温度反演精度具有重要作用。本文利用天空视域系数SVF（Sky View Factor,V）量化城区下垫面几何特征,并考虑几何特征对地物目标辐射传输的影响机理。将遥感传感器入瞳处的辐射亮度分解为地物目标发射辐射、地物目标反射辐射以及大气上行路径辐射3部分,并分析了各部分辐射在“城区—大气”界面的辐射传输过程,构建适用于城市下垫面的热辐射传输UTRT（Urban Thermal Radiation Transfer）模型,可应用于城区热红外遥感图像的几何效应辐射校正。基于Landsat 8 TIRS（Thermal Infrared Sensor）数据,将UTRT模型应用于北京市典型城区地表温度的反演,并对UTRT模型和不考虑下垫面几何特征反演结果进行对比分析,结果显示：（1）研究区内UTRT模型反演结果数值上整体低于不考虑下垫面几何特征的反演结果,差值范围为0—1.57 K,均值为0.44 K;（2）通过对不同地表覆被类型的分析对比,模型结果差值较大的区域为建筑和裸地,其空间分布明显受V值的影响,在一定范围内,V值越大反演结果数值越低;（3）对UTRT模型天空视域系数和环境温度两个参数进行敏感性分析,在地表发射率较小的场景中V参数敏感性较强,由于环境温度与目标地物温度较为接近,其参数的敏感性较低。结论为：UTRT模型可为城市下垫面遥感图像几何效应的辐射校正提供解决方案,对比不考虑下垫面几何特征的模型,前者可以更好地应用于城区地表温度遥感反演。该研究对推进城市高分辨率热红外定量遥感具有发展潜力和应用前景。