多目标的卫星仪器宽动态非线性定标

传统的场地辐射定标方法由于定标样本少,难以覆盖遥感器动态范围,且不能发现仪器辐射响应是否存在非线性特性。针对这一问题,本文提出了基于多种亮暗等级的地球稳定目标(盐湖、沙漠和海洋)的卫星传感器宽动态非线性辐射定标方法。该方法以MODIS和NCEP数据产品作为稳定目标的地表特性、大气状况的先验知识库,利用大气辐射传输模型计算的多个稳定目标的大气层顶辐射值为定标基准,以二次多项式为定标方程,实现宽动态的非线性辐射定标,并以Aqua/MODIS观测值作为参考,对定标基准的精度进行评估。结果显示,对于反射太阳波段,辐射传输模型的计算值与MODIS观测值间的偏差均值在2%以内。最后,以气象卫星遥感器MERSI为例,基于2014年在稳定目标上空获取的大量定标样本,对其反射太阳通道的辐射响应特性进行研究,从而确定辐射定标方案和辐射定标方程的系数,然后采用敦煌试验场的同步实测数据对定标结果进行验证。结果表明,除了940 nm的水汽强吸收通道,其他通道的定标精度基本在5%以内。     

基于格尔木沙漠场景的MODIS传感器在轨辐射定标

高精度在轨辐射定标对于卫星遥感定量化产品生产至关重要。本文基于格尔木沙漠场景,通过星地同步实验,获取场地定标所需参数,在考虑地表双向反射特性后,结合6S辐射传输方程,完成对MODIS/Terra和MODIS/Aqua传感器的在轨辐射定标。结果表明,本文获得的蓝、绿、红和近红外波段定标结果与MODIS官方公布的星上定标结果具有较高的一致性,最大相对差异优于6.68%,这将为我国新建辐射定标场地提供重要信息支持。     

MISR和MODIS二向性反射数据产品的对比分析

利用4种地表类型共16个地面站点的MISR 9个角度反射率数据产品和MODIS反射率数据产品(MOD09A1), 对比两种传感器获取的地表方向反射观测数据和用BRDF模型参数产品计算的方向反射数据, 分析了这两种BRDF模型参数的外推能力。研究结果表明: (1) MISR和MODIS BRDF模型参数数据产品都具有一定的对观测数据以外方向反射的外推能力, 相比用MISR BRDF模型参数数据外推到相应MODIS观测角度方向反射的结果一致性较强。(2) 采用两种BRDF模型参数推算的方向反射率与观测数据的接近程度有随观测天顶角的增大而减弱的趋势, 在观测天顶角较小时一致性较好。(3) 所用数据处理结果显示, MODIS BRDF模型参数数据产品在近垂直主平面方向反射率推算结果相比近主平面方向的推算结果更接近观测数据。     

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。     

遥感影像不同校正模型对反射率的影响分析

采用飞马D200四旋翼无人机携带多光谱相机,获取了可见光波段的数据,地面同步测量了地表反射率和大气参数.结合实验数据,采用基于POS数据的严格成像模型和多项式模型对图像进行了几何校正,对比了2种模型的校正精度和不同重采样方式产生的差异.在几何校正的基础上进行了大气校正,获得地表反射率,选取典型地物水体、植被、裸土的实测结果进行验证.结果表明低空无人机遥感可以得到精度较高的地表反射率结果,但不同的几何校正模型对地表反射率影响较小,可以忽略.通过开展该实验证明了利用无人机开展定量化遥感研究的可行性.     

多角度NOAA卫星数据地面BRDF反射率的大气校正

本文利用连续数天的NOAA卫星数据，采用Rahman地表二向反射模型和基于地面BRDF反射率的大气校正方法反复迭代提取出多个角度大气校正后的图像，并对结果进行了分析。实验结果表明了在多角度遥感定量研究中BRDF大气校正的重要性，大气校正结果与地面实测结果相近，且迭代收敛迅速。     

利用EDS／MODIS交叉定标FY1D／VIRR可见光-近红外通道

以EOS/MODIS的星上定标结果为标准,采用交叉定标方法标定FY1D/VIRR的可见光-近红外通道。先获得两个传感器的配对通道,然后利用6S模式计算出他们的匹配因子,根据EOS/MODIS的观测敦煌辐射校正场扫描计数值和星上定标结果以及它和FY1D/VIRR的匹配因子计算出FY1D/VIRR同时观测敦煌辐射校正场时的表观辐亮度和表观反射率,最后将得到的表观辐亮度和表观反射率与FY1D/VIRR观测敦煌辐射校正场的计数值进行比较,就得到了FY1D/VIRR通道的绝对定标系数。将本次定标结果与敦煌场地定标试验的定标结果比较,定标结果一致性较好,并可用于对发射前定标偏差进行校正。     

“天绘一号”卫星在轨辐射定标方法

在轨辐射定标包括相对辐射定标和绝对辐射定标, 它是提高遥感数据定量化精度的关键步骤和重要方法。本文阐述了基于均匀场地分区综合的相对辐射定标方法、基于反照率的绝对辐射定标方法及其基本原理, 并首次将其应用于“天绘一号”卫星上的高分辨、多光谱和三线阵相机的辐射定标中。研究结果表明, 相对辐射定标过程去除了卫星图像的条带噪声, 且保存了图像细节;然后, 使用反照率基法, 通过在敦煌场地铺设灰阶靶标, 测量卫星过顶时的地物目标反射率光谱和大气信息, 对“天绘一号”卫星传感器进行了绝对辐射定标;最后, 使用辐射定标结果来反演地物反射率, 与实测的地物反射率相比误差小于5%, 验证了在轨辐射定标系数的有效性。     

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。     

地面和机载多角度观测数据的反照率反演及对MODIS反照率产品的初步验证

MODIS的反照率产品采用半经验的二向性反射核驱动模型算法(AMBRALS),对16天累积观测的多角度遥感数据进行反演。产品的应用需要相关研究的地面观测数据进行验证。主要研究基于地面气象台站用反照率表观测的反照率数据、地面和机载多角度遥感数据通过AMBRALS算法反演得到的反照率,与MODIS相应的地面反照率产品做比较的降尺度验证方法,并提供对MODIS反照率产品的初步验证结果。     

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.     

敦煌辐射校正场方向反射特性测量与评价

和为中国遥感卫星辐射校正场项目的前期准备工作，于１９９４年６月和１９９６年９月，利用自知研制的智能型野外双向反射特征性面测量系统－－ＶＦ９２１对敦煌辐射校正场地面方向反射特性（ＢＲＯＦ）进行了测量。通过对这两次测量数据的处理和分析，对场地地ＢＲＯＦ特性进行了分析和评价。同时，对于整个测量系统和数据获取与处理中还存在的问题进行了讨论。     

针叶林冠层热点及多角度无人机遥感观测及特征分析

多角度遥感观测是研究植被冠层BRDF (Bidirectional Reflectance Distribution Function)特性的重要手段,但目前对森林冠层进行连续间隔采样的多角度遥感观测及数据较少,热点方向的观测尤为缺乏。本研究基于无人机多角度高光谱成像系统,在主平面上对针叶林冠层以等角度连续间隔采样进行多角度观测,获取了主平面上多角度(包括热点和暗点)高光谱影像,并将观测结果与四尺度几何光学模型模拟结果进行对比分析。多角度观测获取的植被冠层反射率呈现出典型的植被方向反射特征,后向大部分角度观测的冠层反射率高于前向,在热点处出现峰值,在暗点附近方向出现最低值,观测天顶角VZA (View Zenith Angle)较大时表现出明显的"碗边效应"。结果表明:(1)观测的针叶林冠层反射率及BRDF特性与四尺度模型模拟基本一致,但红光波段模拟的热点反射率稍低于观测,前向观测VZA较大时模拟与观测结果差异稍大;(2)冠层结构及叶片光学特性的差异会导致观测到的BRDF特征不同;(3)观测的针叶林冠层BRDF呈现明显的光谱效应,不同波段呈现的各向异性特性不同,红光波段各向异性最强,近红外波段最弱;(4) BRDF的光谱效应差异导致观测到的植被指数也表现出各向异性,NDVI (Normalized Difference Vegetation Index)、PRI (Photochemical Reflectance Index)和MTCI(MERIS Terrestrial Chlorophyll Index)在热点方向最低,EVI (Enhanced Vegetation Index)在热点方向最高。本研究中无人机多角度成像观测提供的角度和高光谱信息,尤其是热点和暗点信息,在地物识别及分类、植被冠层结构反演及碳循环关键参数获取等研究方面具有较好的应用前景,在其它地物反射或热辐射等方向性特性研究中也具有较大的潜力。     

The impact of size variations in the ground instantaneous field of view of pixels on MODIS BRDF modelling

Bidirectional reflectance distribution functions (BRDF) seek to represent surface reflectance anisotropy resulting from surface physical structure and changes in a satellite sensor’s view and solar illumination angles. NASA’s MODerate resolution imaging spectroradiometer (MODIS) is a wide field of view sensor that generates observations over a large range of view angles. Based on MODIS observations, a BRDF product and several sub-products have been developed by MODIS science teams, i.e. the MCD43 product suite. Variations in pixels’ ground instantaneous field of view (GIFOV), i.e. the size of a pixel’s footprint on the ground, is a well known effect associated with wide field of view sensors such as MODIS, but is not specifically considered in the MODIS BRDF algorithm nor has research been undertaken into its effects on MODIS BRDF modelling. This paper introduces two metrics to examine the relationship between reflectance variations associated with changes in MODIS pixels’ GIFOV and the MODIS BRDF (MCD43) product. These metrics are applied to four different study areas and epochs across the Australian continent. The two metrics are shown to be well correlated (mean correlation coefficient of 0.81 for the four study areas); suggesting that variations in pixels’ GIFOV are a consistent, non-random source of variance in MODIS BRDF modelling. The results contained in this paper suggest that all downstream products which include MODIS BRDF processing in their derivation and results directly based on MODIS BRDF processing may need to be reassessed.     

卫星遥感大气订正的参数化模式及其模拟应用

发展了一个用于卫星大气订正的参数化模式,包括一个新的程辐射亮度模式和一个参数化的朗伯地表一大气辐射耦合引起的亮度增量模式.应用最小二乘法,程辐射亮度被参数化为大气总光学厚度、一次散射反照率、太阳天顶角、视天顶角、方位角、大气不对称因子的函数.应用这一参数化的亮度模式进行大气订正应用的数值模拟,即进行卫星遥感地表光谱反照率的模拟试验.数值检验结果表明对于865 nm,670nm,550nm和412nm 4个MODIS通道,在0°-70°的太阳天顶角、0°-60°视观测角以及0.05-0.8的地表反照率条件下,参数化的向上辐射亮度的标准差小于4%,由该参数化亮度模式引起的地表反照率解的标准差小于0.03.     

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。     

MODIS大气校正精度评价及其对表层雪密度提取影响

以古尔班通古特沙漠为研究区,以中分辨率成像光谱仪（MODIS）为遥感数据源,结合ASD FieldSpec准同步实测积雪反射光谱数据对FLAASH大气校正能力进行了评价。研究表明： ①校正后的MODIS各波段积雪反射率与准同步实测积雪反射率波形相似, 在第1～7波段整体相关系数达0.82,表明FLAASH大气校正能极大地提高MODIS地物识别能力; ②校正后的MODIS 第6波段反射率和归一化差值积雪指数（NDSI）与实测雪密度呈线性相关,可用回归拟合构建MODIS雪密度遥感计算模式。     

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。     

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。