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。     

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。     

热红外遥感地表温度与发射率地面验证进展

地表温度与发射率是地表—大气系统长波辐射和潜热通量交换的直接驱动力,是描述区域和全球尺度上地表能量平衡与水平衡的重要参数,其时空变化信息在气象预测、气候变化、水循环、地质勘探、农林监测和城市热环境等诸多领域具有广泛的应用。热红外遥感作为当前获取区域或全球尺度上地表温度和发射率的最有效手段之一,相较于传统的地面点位测量方法,具有空间覆盖范围大和重复观测等优势。对热红外遥感定量反演的地表温度与发射率产品进行地表真实性验证,有利于发现遥感数据自身或其反演算法的缺陷,确定产品的精度与不确定度,便于遥感产品的应用与推广。本文首先回顾了地表温度和发射率的定义,阐述了热红外遥感可反演、地面可测量的地表温度和发射率的科学内涵,并对利用热红外遥感数据反演地表温度和发射率的理论和方法作了概述;对地表温度和发射率地面验证的框架体系、验证指标进行总结,建立了基于精度、精确度、不确定度、完整性和稳定性的验证评价指标体系;总结了地表温度和地表发射率的地面验证方法、地面测量方法、辅助数据的获取方法、地表温度地面测量的采样方法,以及在验证异质非同温地表时从点到像元尺度的地表温度尺度转换方法等,分析了地面验证过程的主要误差来源;归纳了目前地表温度和地表发射率主要验证站点、观测网络及其空间分布特征;最后,本文讨论了地表温度与发射率地面验证存在的若干问题,并对地表温度与发射率验证工作的发展前景和趋势进行了相关展望。     

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。     

遥感估算地表蒸散发真实性检验研究进展

地表蒸散发是连接土壤—植被—大气连续体的纽带，结合遥感技术估算地表蒸散发已成为获取区域乃至全球尺度时空连续地表蒸散发量的有效手段。由于遥感估算地表蒸散发容易受到地表空间异质性和近地层气象条件复杂性的影响，在模型机理与变量参数化方案、输入数据和时间尺度扩展等方面存在不确定性，影响了其准确度的提高和应用范围的拓展，因此需要开展真实性检验。本文综述了当前遥感估算地表蒸散发(包括植被蒸腾和土壤蒸发)真实性检验研究的相关成果，重点归纳并总结了应用于遥感估算地表蒸散发真实性检验的直接检验法和间接检法的主要原理、适用性和优缺点，在此基础上阐述了当前遥感估算地表蒸散发真实性检验研究所面临的挑战。分析表明：由于地表空间异质性的普遍存在，遥感估算地表蒸散发真实性检验研究在理论和方法方面还受到诸多挑战，今后应打破地表蒸散发遥感产品真实性检验局限在均匀地表的传统思路，发展非均匀地表遥感估算地表蒸散发真实性检验的理论框架，包括地表水热状况空间异质性的度量、非均匀地表验证场的优化布设、非均匀下垫面地表蒸散发的多尺度观测试验、卫星像元/区域尺度地表蒸散发相对真值的获取、验证过程中的不确定性分析以及遥感估算地表蒸散发的实证研究等，并构建一个多源、多尺度、多方法、多层次的真实性检验技术流程，以期把遥感估算地表蒸散发真实性检验作为突破口，提升相应遥感产品的应用水平，推动定量遥感科学的发展。     

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。     

利用Landsat TM数据和地面观测数据验证GLASS反照率产品

Global LAnd Surface Satellite Products System(GLASS)反照率产品基于Angular Bin(AB)算法,仅使用单一观测角度的地表或大气层顶反射率数据就能较为准确地反演地表宽波段反照率,具有较高的时间分辨率,可以反映降雪、融雪、收割等状况下地表反照率的快速变化。遵循"一检两恰"的验证流程对这一反照率产品进行验证,首先使用FLUXNET站点验证数据对AB算法反演的Landsat Thematic Mapper(TM)高分辨地表反照率数据进行验证,再将TM高分辨反照率聚合到GLASS像元尺度对GLASS反照率产品进行验证。挑选FLUXNET的5个站点,筛选无云条件下的TM高分辨率影像,共获得103组有效验证数据。验证结果表明,GLASS反照率产品具有较高的精度,总体误差约为0.0163,可以满足大多数应用的精度需求。     

地面站点观测数据代表性评价方法研究进展

在遥感产品真实性检验中,地面站点网络的连续观测数据是进行算法及产品验证的重要数据来源。通常站点观测的空间范围有限,测量数据直接与产品像元值比较会存在尺度误差。因此,分析与评价站点观测在多大尺度上具有代表性,对有效利用观测数据进行算法与产品精度评价具有重要意义。目前全球地面观测站点类型繁多,虽有一定的代表性评价方法,但各类方法的优缺点及适用参数、适用条件各异。因此,为使站点观测代表性评价方法广泛的应用于地面站点观测,进而开展更加有效的遥感产品真实性检验,有必要对当前站点代表性评价方法进行系统的综述及梳理。本文首先阐述遥感产品真实性检验对站点连续观测数据的需求以及站点观测代表性评价的必要性。其次,分析站点观测代表性的评价指标特征,包含点面特征比较以及空间异质性两种评价指标。基于不同评价指标,综述了各种研究方法在站点观测数据代表性评价中的应用,即对点面特征比较评价的物理模型法、站点与区域分布图统计评价法和多站点多时相联合评价法,以及对空间异质性进行评价的一阶统计法和半方差函数法,总结不同代表性评价方法的原理及优缺点。然后,介绍了目前站点数据及代表性评价方法在蒸散、反照率和地表温度等遥感产品真实性检验中的应用,并且以黑河中游农田区观测LAI为例,分析了基于不同评价指标的不同评价方法的特点。最后,针对当前观测代表性评价方法面临的问题提出了下一步的研究方向。     

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。     

Upscaling in situ albedo for validation of coarse scale albedo product over heterogeneous surfaces

ABSTRACT

One of the essential steps for satellite albedo validation is upscaling in situ measurements to corresponding pixel scale over relatively heterogeneous land surfaces. Although the multi-scale validation strategy is applicable for heterogeneous surfaces, the calibration of the high-resolution imagery during upscaling process is never perfect, and thus the upscaling results suffer from errors. The regression-kriging (RK) technique can compensate the calibration part by applying kriging to upscale residuals and produce more accurate upscaling results. In this paper, in situ measurements and high spatial resolution albedo imagery combined with RK technique was proposed. This method is illustrated by upscaling surface albedo from in situ measurements scale to the coarse pixel scale in the core experimental area of HiWATER, where 17 WSN nodes were deployed at heterogeneous area. The upscaling results of this method were compared with the upscaling results from multi-scale strategy. The results show that the upscaling method based on in situ measurements and high-resolution imagery combined with RK technique can capture the spatial characteristics of surface albedo better. Further, an attempt was made to expand this method in time series. Finally, a preliminary validation of the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer albedo product was performed as the tentative application.     

Forward a spatio-temporal trend surface for long-term ground-measured albedo upscaling over heterogeneous land surface

Upscaling ground albedo is challenged by the serious discrepancy between the heterogeneity of land surfaces and the small number of ground-based measurements. Conventional ground-based measurements cannot provide sufficient information on the characteristics of surface albedo at the scale of coarse pixels over heterogeneous land surfaces. One method of overcoming this problem is to introduce high-resolution albedo imagery as ancillary information for upscaling. However, due to the low frequency of updating of high-resolution albedo maps, upscaling time series of ground-based albedo measurements is difficult. This paper proposes a method that is based on the idea of conceptual universal scaling methodology for establishing a spatiotemporal trend surface using very few high-resolution images and time series of ground-based measurements for spatial-temporal upscaling of albedo. The construction of the spatiotemporal trend surface incorporates the spatial information provided by auxiliary remote sensing images and the temporal information provided by long time series of ground observations. This approach was illustrated by upscaling ground-based fine-scale albedo measurements to a coarse scale over the core study area in HiWATER. The results indicate that this method can characterize the spatiotemporal variations in surface albedo well, and the overall correlation coefficient was 0.702 during the study period.     

关键陆表参数遥感产品真实性检验方法研究进展

遥感产品真实性检验是定量遥感基础研究的重要环节,是客观评价遥感产品精度、稳定性和一致性的重要手段,对于提高遥感定量化水平、推动和扩展遥感产品的深化应用具有重要的意义。本文基于当前陆表参数遥感产品真实性检验研究的相关成果,归纳总结了陆表参数遥感产品真实性检验方法,并就其中的5种真实性检验方法,即基于地面单点测量检验、基于地面多点采样检验、基于高分辨率数据的检验、交叉检验和间接检验,阐述了各方法的特点、局限性、适用条件。文章在最后探讨了陆表关键参数遥感产品真实性检验评价指标和验证中影响精度评价的关键因素。本文对于遥感产品真实性检验工作的开展和真实性检验系统研发具有重要的指导意义。     

黑河遥感试验中尺度上推研究的进展与前瞻

尺度问题是遥感科学研究的一个关键科学问题,但其理论和方法的发展严重受限于稀缺的多尺度观测数据。黑河生态水文遥感试验(Hi WATER)的核心目标之一是开展多尺度观测以支持尺度转换研究。本文综述了Hi WATER中定点观测的尺度上推研究进展,内容包括:(1)尝试严格定义了空间平均、空间尺度上推、观测足迹、代表性误差、观测真值等概念;(2)介绍了Hi WATER获取的多尺度(单点—像元—区域—流域)生态水文观测数据;(3)发展了基于地统计理论的多尺度采样方法,改进了基于时间稳定性的采样方法;(4)定量评估了辐射、碳通量、土壤水分、地表温度单点观测的代表性误差,实证了异质性地表遥感产品真实性检验的不确定性主要来源于观测的时空代表性;(5)发展了定点观测的尺度上推方法,将克里格方法推广至回归克里格、面到面、不等精度观测等情形,发展了贝叶斯框架下的非线性尺度上推方法,实证了引入遥感观测作为协同信息可显著提高尺度上推的精度。总之,Hi WATER初步形成了从采样设计、多尺度观测、代表性误差的度量、尺度上推新方法到真实性检验的研究框架。     

遥感数据产品真实性检验不确定性分析研究进展

不确定性分析是遥感产品真实性检验最重要的部分,本文以叶面积指数LAI为例,从测量、模型以及蕴含在测量和模型中的尺度效应3个方面分析产品真实性检验过程的不确定性来源,并针对问题提出减小其不确定性的办法。对于相对均一的地表,地面测量的空间代表性比较好,可不考虑地表空间代表性引起的尺度效应和蕴含在模型中的尺度效应引起的不确定性。针对异质性地表,分为两种情况:若模型是线性的,蕴含在模型中的尺度效应可以忽略,只需要考虑测量的不确定性、模型本身的不确定性、以及地面测量的空间代表性引起的尺度效应;若模型是非线性的,则测量、模型和蕴含在测量和模型中的尺度效应引起的不确定性都需要考虑。     

基于葵花-8卫星大气产品的地表下行短波辐射计算

地表下行短波辐射DSSR(Downward Surface Shortwave Radiation)的准确估算在气候变化研究和地表太阳能估算等领域具有重要作用。新一代静止气象卫星葵花-8(Himawari-8)具有高达10 min的对地观测能力,为DSSR近实时估算提供了新机遇。然而,日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)对外公开的葵花-8辐射产品中,没有将其反演的云、气溶胶产品作为DSSR的输入参数,从而没有形成一整套的DSSR估算算法流程,缺乏产品输出的一致性。大气中的云、气溶胶是DSSR的重要影响因子,本文重点考虑云、气溶胶对太阳辐射的影响,基于大气辐射传输模式RSTAR构建了DSSR查找表,开发了DSSR的快速计算方法,进而将JAXA葵花-8二级云、气溶胶产品(光学厚度,粒子有效半径等)作为快速化计算方法的输入参量,计算得到了DSSR。通过与JAXA葵花-8二级DSSR产品(JAXA DSSR)对比,发现两者具有很好的空间一致性。为了进一步评价本文的DSSR计算精度,分别选取了陆地(Yonsei)和海洋(0n_165e)的观测数据验证了2016年4、7、10和12月本文计算的DSSR和同时期的JAXA DSSR产品,验证结果显示两者的DSSR在两个观测站点均具有非常高的相关性(全天空、晴空和云天条件下的相关系数R均大于0.88)。在两个站点云天条件下的验证结果中,考虑了云相态并在冰云模型中使用了非球形冰晶粒子(六棱柱)来计算DSSR,获得了比JAXA DSSR更小的偏差。本文提出的快速化计算方法能快速准确地计算DSSR,可为计算地表辐射收支等研究提供重要数据支撑。     

Horizontal accuracy assessment of very high resolution Google Earth images in the city of Rome,Italy

Google Earth (GE) has recently become the focus of increasing interest and popularity among available online virtual globes used in scientific research projects, due to the free and easily accessed satellite imagery provided with global coverage. Nevertheless, the uses of this service raises several research questions on the quality and uncertainty of spatial data (e.g. positional accuracy, precision, consistency), with implications for potential uses like data collection and validation. This paper aims to analyze the horizontal accuracy of very high resolution (VHR) GE images in the city of Rome (Italy) for the years 2007, 2011, and 2013. The evaluation was conducted by using both Global Positioning System ground truth data and cadastral photogrammetric vertex as independent check points. The validation process includes the comparison of histograms, graph plots, tests of normality, azimuthal direction errors, and the calculation of standard statistical parameters. The results show that GE VHR imageries of Rome have an overall positional accuracy close to 1 m, sufficient for deriving ground truth samples, measurements, and large-scale planimetric maps.     

Demonstration of uncertainty resulting from MODerate resolution Imaging Spectroradiometer-like geometries: an albedo case study

This research examines uncertainty in MODerate resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) observations, and demonstrates the direct influence of geometric distortions resulting from the standard practice of geolocating swath observations. MODIS observations vary dependent on the ground sample distance, which varies dependent on the view zenith angle that changes with every orbit. MODIS Level 2G (L2G) land products are generated by applying a geolocation algorithm that resamples the variable observation geometries to a consistent grid of fixed pixel size and location, a process which itself introduces variability associated with the changing observational footprint. For this study, broadband albedo was simulated for five validation sites, representing five distinct land cover types, exhibiting quantifiable variability, with additional seasonal variability exhibited in some sites. All site simulations exhibit compounded uncertainty attributable to the geometric distortion sufficient to influence climate models (i.e. ranges from 0.01 to 0.045 albedo). These results indicate there is a minimum level of uncertainty associated with the variable geometry that should be factored into L2G-based products, particularly for nominal 250?m band data. Aggregating the data to coarser resolutions and smoothing the data through average resampling can mitigate the uncertainty.