中国地表积雪动态分布及反照率的变化

地表特征和下垫面物理性质在时分布上的差异,造成地表能量分布的不均。地表积寻由于其分布广、反照率高、高节性强等特点,对局地气修乃至全球气修变化都具有深远的影响。遥感动态监测地表特征的变化和反演大面积反照率是一种实际有效的技术手段,该文应用遥感技术、分析研究了我国地表积雪分布和反照率的动态变化。     

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。     

高分辨率地表反照率遥感估算研究进展

地表反照率是研究地表能量收支平衡、中长期天气预报和全球气候变化的一个重要参数。利用卫星数据估算地表反照率需要地表二向反射特征知识的支持，目前针对中低分辨率卫星数据的反照率反演算法相对成熟，且发布了不同分辨率和精度的全球产品。随着全球高分辨率对地观测技术的不断发展，特别是中国高分系列卫星的发展，为高分辨率地表反照率精确估算提供了丰富的数据源。然而高分辨率地表反照率遥感估算面临着观测角度数据不足、波段信息少等有效数据缺失的问题，国内外学者开展了一系列针对高分辨率地表反照率估算方法的研究。本文首先简述了地表反照率遥感估算的基本原理与目前存在的主要问题，总结并分析了近几年高分辨率反照率估算的相关算法，并对未来高分辨率反照率估算的进一步发展提出了展望和设想。论文研究可为高分辨率反照率算法研究和产品发展提供理论支持。     

北京地区地表反照率TM数据反演与分析

反照率是一个广泛应用于地表能量平衡、中长期天气预测和全球变化研究的重要参数。本文利用2010年的TM影像反演北京地区地表反照率,首先利用6S模型对影像进行大气校正,得到地表反射率,进而,利用TM的5个波段的反射率,根据经验公式,计算了北京地区的地表反照率;对北京市地表反照率的分布情况、不同下垫面的反照率、以及反照率与LST和NDVI的关系进行了分析,得出了结论。     

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。     

准噶尔盆地不同土地利用类型地表反照率研究

研究准噶尔盆地不同土地利用类型地表反照率特征,为揭示在区域尺度上不同土地利用类型对气候变化的生物地球物理机制提供科学依据。选取2000—2018年遥感反演地表反照率数据及2000年、2010年和2018年3期土地利用数据,运用统计学方法分析准噶尔盆地不同土地利用类型在短波(0.3～2.5μm)、近红外(0.76～3.0μm)、可见光(0.35～0.76μm)地表反照率的时空变化特征及其年际变化趋势。研究结果表明:不同土地利用类型在不同波段的地表反照率具有明显的差异特征,除了二级土地利用类型湖泊和水库坑塘外,其他一级和二级土地利用类型的地表反照率均满足近红外短波可见光这一特征; 2010—2018年3个波段的不同土地利用类型地表反照率年际变化趋势,在整体上稍显著于2000—2010年,且在2010—2018年间短波波段的一级土地利用类型均通过了0.05的显著性检验;准噶尔盆地18 a来土地利用类型地表反照率年际变化速率呈微弱的增长趋势,年际速率变化较小,整体保持稳定。研究结果将为研究区地表分光辐射及能量平衡研究奠定基础。     

闪电河流域水循环和能量平衡遥感综合试验

遥感试验是进行遥感原理的验证、遥感模型与反演方法的发展、遥感产品的真实性检验,推动卫星计划的论证实施及其观测在地球系统科学中应用的重要途径。闪电河流域水循环和能量平衡遥感综合试验以滦河上游闪电河流域为核心试验区,以地球表层系统的水循环过程和能量平衡为研究对象,旨在通过天—空—地一体化的观测手段,针对不同典型地表类型开展全波段主被动协同遥感观测,研究异质地表和山地条件下像元尺度遥感关键参量的观测方案,研究重要水热参量的遥感方法及其同陆面/水文过程模型的结合,支撑国家民用空间基础设施和空间科学先导专项相关卫星计划的论证实施。其中,航空飞行遥感试验搭载L波段主被动一体化微波载荷、双角度热红外相机、四波段多光谱相机和高光谱成像仪进行协同观测,实现了土壤水分、组分温度、植被含水量、叶面积指数等地表参数以及湖泊、水库、湿地等的遥感监测;地面同步观测试验利用车载微波辐射计、地基雷达和光谱仪进行了典型地物如裸土、植被、水体、人工目标等的遥感观测,并按照样区—样方—样点的多尺度嵌套方案进行了地表参数的同步采样,获取了该地区关键地表参数的短时期时空变化特征;同时配合卫星和机载观测,在闪电河流域完成了土壤温湿度、地表水热通量、地表辐射四分量、降水等气象要素的地面观测网络的建设,为验证地表辐射/散射遥感模型,发展、优化和验证水热参量遥感反演算法,研究地表水热参量尺度效应与尺度转化问题提供了重要平台,将促进陆表能量与水分交换过程的理解及其对全球变化的作用和反馈机制的研究。     

基于MODIS产品影像及陆面能量平衡系统(SEBS)的河北平原区域蒸散估算

地表蒸散是区域水文循环的重要组成部分之一,传统的地表蒸散估算一般基于点上的气象观测数据,当用于区域地表蒸散评价时,具有一定的局限性.随着遥感技术的发展,利用遥感影像能够对大区域进行观测的优势进行区域地表蒸散估算已成为可能.地表能量平衡系统(SEBS)是根据地表能量平衡估算地表蒸散量的一种方法,该方法由于提出了地表能量传输过程中关键制约因素热传导粗糙度的估算模型而在遥感蒸散计算方面具有较高的精度.本文在SEBS模型的基础上,以河北平原为例,采取中分辨率成像光谱辐射仪(MODIS)产品影像,根据研究区下垫面的实际情况进行了参数估算,进行了区域实际蒸发蒸腾量计算及模型精确度评价,并在SEBS模型的基础上,提出了新的"标准化温度差-反照率"特征空间分析方法,对研究区内地表土壤水分现状进行了评价;最后,对河北平原地表蒸散时空分布进行了分析.计算结果表明,在所选取的晴空乌云条件下,根据SEBS模型计算所得的地表蒸散与研究区内利用大型承重式蒸渗仪所测量的地表实际蒸散量具有很好的一致性,说明SEBS模型在遥感蒸散计算方面据有较高的可信度.然而,由于地表蒸散的遥感估算是以所获取的遥感影像单元为基础,计算误差不可避免,尤其是使用低分辨率遥感影像的时候,每个影像单元所反映的地表蒸散为单元内各种地表覆盖的综合反映,当与只反映一种地表覆盖蒸散的大型承重式蒸渗仪测量结果进行比较时,误差是显而易见的,因此,若着重考虑模型精度验证,尚需在以后的研究中考虑使用高分辨率的遥感影像.地表土壤水分或湿度状况是地表能量交换及蒸散发生的主要控制因素.利用地表温度与植被指数的关系对区域地表湿度状况进行监测在实践中被广泛利用,然而,由于不用地区地表属性的千差万别,当利用这种方法进行区域地表湿度评价时,"地表温度-植被指数"特征空间的边界很难确定.本文在SEBS模型的基础上,提出新的"标准化温度差-反照率"特征空间分析方法,对研究区内地表土壤水分现状进行评价,结果显示,由于在SEBS模型中考虑了干限和湿限两种极端情况下的能量平衡,"标准化温度差.反照率"特征空间的边界问题很容易被确定,利用修正的特征空间,可以对区域土壤水分或湿度状况进行客观的评价.下垫面的几何特征参数的精确反演是进行地表能量平衡模拟的基础,目前多根据有关经验公式利用遥感影像进行下垫面几何特征参数估算,由于已有的经验公式多基于不同研究区域获得,当应用到新的研究区时,其具体参数需要进一步调整,以获得对下垫面的几何特征的精确描述.由于缺乏相关实测资料,本研究中利用经验公式进行下垫面几何特征参数,误差不可避免,需要在以后的研究中进行深入探索.另外,地表蒸散的计算只是进行区域水资源评价、农业节水措施评价以及全球变化等研究的一个中间环节,需要在以后的研究中根据具体研究目的进行进一步研究.     

热红外遥感反演近地层气温的研究进展

近地层气温是生态环境的重要因子,是描述地表与大气能量交换与水分循环的关键变量.气象站点观测能够提供点尺度上的准确气温资料,但是大多数地球系统模型需要空间连续的参数来模拟物理过程.遥感提供了比地表气象观测数据更理想的空间异质度信息,为快速获取大尺度的气温时空信息提供了新的途径.主要介绍了目前常用的几种遥感气温估算方法,包...     

基于能量的地表反照率遥感反演方法研究

从能量传输方程入手，推导出地表入射辐射通量密度的简便计算公式； 根据反照率定义，提出基于能量的地表反照率反演新方法。用鄱阳湖地区TM遥感数据试验，其误差为4.91%。该方法不但简便易行，所需野外数据较少，物理意义明确，而且省去了窄波段反照率的计算过程，是一种遥感反演区域反照率的好方法。     

基于地球静止气象卫星的地表参数遥感研究进展

地表参数定量遥感反演是遥感科学研究的重要环节.21世纪以来,地球静止气象卫星数据在地表参数遥感反演中受到越来越多的重视.本文对利用地球静止气象卫星进行地表参数遥感反演研究的进展进行了综述.文章首先简单介绍了当前正在运行的欧盟Meteosat、美国GOES-R、日本葵花和中国风云静止卫星系统,随后详细总结了不同卫星系统估...     

Regional scale evapotranspiration estimation using satellite derived albedo and surface temperature

In the studies reteted to surface energy balance, satellite data provides important inputs for estimating regional surface albedo and evapotranspiration. The paper describes the use of satellite data in determining the surface emissivity over heterogeneous a’reas by taking Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) as modulating parameter at pixel resolution. The estimated emissivity values have been used to find the surface temperature at the pixel scale. Landsat-TM-visible, NIR, TIR bands data and some ground meteorological data have been used in an energy balance model for estimating surface albedo and evapotranspiration. The ET values derived from the model are in good agreement with the values obtained with. ‘CENTURY MODEL’ and ground observations over the area, suggesting the possible use of this approach fot regional scale studies on evapotranspiration.     

Water Balance Study for a Basin Integrating Remote Sensing Data and GIS

Water balance of a basin involves estimation of input precipitation, runoff, infiltration and evapotranspiration (ET). Although ET may have large variations over a big basin, it is commonly estimated using a few point measurements and this makes the estimation error prone. Satellite based remote sensing data provides few parameters for estimation of energy fluxes, at the land surface and atmosphere interaction in a distributed manner using the meteorological parameters. These parameters through surface energy balance equation have been used for the estimation of ET in this study. Various spatially distributed variables required for ET estimation; viz. NDVI, surface albedo, surface temperature etc. have been derived using remote sensing and ancillary data for Tapi basin located in western India. Beside this field data such as rainfall, air temperature, relative humidity, sunshine hours etc. have been used. For computation of runoff, Soil Conservation Services (SCS) approach has been considered. Tapi basin up to Ukai dam has been selected as the study area. Satellite data from National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), Polar Orbiting Environmental Satellite, which carries the Advanced Very High Resolution Radiometer (AVHRR), have been used for preparation of various maps required for runoff and ET analysis. The results of runoff and ET have been compared with observed data for 2 years, 2002–2003 and the results have been found in good agreement with observed data.     

Functional relation of land surface albedo with climatological variables: a review on remote sensing techniques and recent research developments

Surface albedo has been documented as one of the Essential Climate Variables (ECV) of the Global Climate Observing System (GCOS) that governs the Earth's Radiation Budget. The availability of surface albedo data is necessary for a comprehensive environmental modelling study. Thus, both temporal and spatial scale issues need to be rectified. This study reports about the availability of surface albedo data through in-situ and remote sensing satellite observations. In this paper, we reviewed the existing models for surface albedo derivation and various initiatives taken by related environmental agencies in order to understand the issues of climate with respect to surface albedo. This investigation evaluated the major activities on albedo-related research specifically for the retrieval methods used to derive the albedo values. Two main existing albedo measurement methods are derived through in-situ measurement and remotely sensed observations. In-situ measurement supported with number of instruments and techniques such aspyrheliometers, pyranometers and Baseline Surface Radiation Network (BSRN) and remotely sensed observations using angularly integrated Bi-directional Reflectance Distribution Function (BRDF) by both geostationary and polar orbit satellites. The investigation results reveals that the temporal and spatial scaling is the major issues when the albedo values are needed for microclimatic study, i.e. high-resolution time-series analyses and at heterogeneity and impervious surface. Thus, an improved technique of albedo retrieval at better spatial and temporal scale is required to fulfil the need for such kind of studies. Amongst many others, there are two downscaling methods that have been identified to be used in resolving the spatial scaling biased issues: Smoothing Filter-based Intensity Modulation (SFIM) and Pixel Block Intensity Modulation (PBIM). The temporal issues can be resolved using the multiple regression techniques of land surface temperature, selected air quality parameters, aerosol and daily skylight.     

全球气候数据集生成及气候变化应用研究

科技部在"十三五"期间部署的国家重点研发计划"全球变化及应对"专项资助了"全球气候数据集生成及气候变化关键过程和要素监测"研究项目。项目围绕由全球气候观测系统提出的基本气候变量,完善地空天基观测体系,生成中国首套以遥感数据为主体的涵盖大气、海洋和陆表长时间序列、高精度、高时空一致性的产品,即气候数据集,动态监测全球变化关键过程和要素。     

土壤蒸发和植被蒸腾遥感估算与验证

地表蒸散发是土壤—植被—大气系统中能量和水循环的重要环节,它包括土壤、水体和植被表面的蒸发,以及植被蒸腾。随着地表参数多源遥感产品的快速发展,利用不同地表参数遥感产品估算地表蒸散发以及其组分土壤蒸发和植被蒸腾成为日常监测越来越便利,监测尺度已从单站扩展到田块、区域乃至全球。目前地表蒸散发双层遥感估算模型按照建模机理的不同可分为:系列模型、平行模型、基于特征空间的模型、结合传统方法的模型以及数据同化方法。本文从模型构建物理机制、模型驱动数据以及模型输出结果验证等方面总结了上述模型的发展历史和现状,并指出在模型结构与参数化方案的优化、高分辨率模型驱动数据的发展、土壤蒸发和植被蒸腾像元尺度"地面真值"的获取等方面都仍需进一步完善。     

雪地上的森林冠层混合反照率模型

反照率通常定义为出射与入射的能量之比，是地表能量平衡中的关键因子。气候变化对反照率也很敏感。典型的气候变化预测是通过GCM与地表模型的结合进行的。目前在地表模型(如BATS模型)中，是通过空气动力学粗糙度Z0与降雪深度d两个参数来估计雪地上树冠的反照率的。在他们的工作基础上，重点考虑对于不同的太阳天顶角，直入一扇出反照率的方向性及其与叶面积指数(LAI)的关系。同时，为了保持BATS模型所需反照率模型的基本特征，主要在几何光学-辐射传输混合模型(GORT)的基础上做了一些近似来达到此目的。最后，以针叶林为例，用MODIS的反照率数据和BOREAS地面观测数据做了初步的模型验证。结果显示模型较符合实际情况。     

First order approximation of Broadband Directional Albedo with High Resolution Quickbird Imagery: a case study for arid urban areas

Albedo is a key forcing parameter controlling the planetary radiative energy budget and its partitioning between the surface and the atmosphere. Characterizing and developing high resolution albedo for an urban environment in arid regions is important because of the high urbanization rate in these regions and because of the high land-cover heterogeneity within urban settings. Using a Monte Carlo simulation of a multi-variable regression, we (a) correlate directional solar reflectance (albedo) ground measurements from Phoenix, AZ, with four narrowband reflectance data from QuickBird, and (b) developed a new set of coefficients for converting QuickBird narrowband reflectances to albedo. The albedo models were then applied to a second image over Las Vegas, NV, to assess their feasibility and accuracy. Two wavebands, visible-near infrared (VNIR) and total shortwave albedo, were evaluated for two reflectance models: surface and top-of-atmosphere. Results show that it is possible to accurately estimate directional albedo from high resolution imagery, specifically QuickBird, with the most accurate result from an atmospherically corrected VNIR model. The methodology presented in this paper could thus be applied in other urban areas to obtain a first order estimation of albedo. The new set of coefficients can be applied as first order albedo estimate by researchers, urban planners, developers and city managers interested in the influence of high-resolution albedo on a myriad of urban ecosystem processes.