涡动相关仪观测数据的处理与质量评价研究

涡动相关仪能够较准确地直接测量地表—大气间的湍流交换,在世界范围内得到了广泛的应用。但它的使用是有条件限制的,如果不进行必要的修正,得到的通量就可能有较大的误差。以密云观测站一年的涡动相关仪观测数据为例进行分析。结果表明：野点值剔除、坐标旋转以及超声温度订正对地表感热、潜热等通量的测量结果影响均在±1%之内,但坐标旋转对动量通量影响较大,必须对潜热和CO2通量进行空气密度效应订正;湍流谱在惯性副区基本满足-2/3次方定律,协谱基本满足-4/3次方定律。经过对观测数据的筛选和处理后,约75%的观测数据质量较好,2%的数据需要剔除。通量贡献源区分析表明,全天和白天均有超过70%的通量源区落在感兴趣区域内,超过90%的通量贡献最大点落在感兴趣区域内。     

带先验约束的地表参数提取的有效反演方法

地球表面的各向异性特性可以用地表二向反射函数（BRDF）恰当地描述.BRDF的核心是利用线性核驱动模型,数学上表述为各向同性核、体散射核和几何光学核的线性组合.随着多角度遥感领域的发展,BRDF模型越来越被看作是可以反演重要的有关地表生物的或气候的参数,比如说叶面积指数和地表反照率.一个线性逼近的核驱动BRDF模型通常可以写成下述形式（Roujean等,1992）：fiso＋kvol（ti,tv,φ）fvol＋kgeo（ti,tv,φ）fgeo=r（ti,tv,φ）,其中r表示地表的二向反射;kvol和kgeo为通常所说的核函数,即为已知的入射和观测几何特性的函数,分别描述了体散射和几何散射（包括折射和反射）;ti是太阳方向天顶角,tv是观测方向天顶角;φ表示太阳-观测方向的相对方位角;fiso,fvol和fgeo为未知的待反演参数,可以用来拟合观测.计算过程的稳定性是由核矩阵的代数算子特征谱和观测噪音/误差来刻画的.因此为了计算地表反照率,成功反演模型参数是至关重要的环节.我们首先考虑了为计算BRDF模型反演的光滑解方法.业已知道,这是一个不适定的反问题.不适定性是由线性核驱动BRDF模型的欠定性表征的,比如说观测严重不足或观测方向范围有限,或者是观测数据高度线性相关以及噪音的污染等.例如,一次单角度观测可以导致一个欠定的系统（核算子的零空间含有非零向量）或者系统无解（系数矩阵的秩不等于增广矩阵的秩）.因此,光滑性或正则化技巧应当加以利用来压制不适定性.Li等（2001）应用先验知识把原始模型转换为一个超定的模型并求得最小二乘解.Pokrovsky等（2002）应用QR分解反演BRDF模型.Wang等（2007）考虑到了反演的正则化策略并提出了不适定地表参数反演的一个完整的正则化理论.在文中,强调从不同的空间添加先验信息于反演模型中.首先从数学物理的观点,第一次提出了?     

基于相关性的热红外温度与发射率分离算法

在分析地面测量大气下行辐射和地表发射率之间关系的基础上,给出了针对热红外高光谱数据温度与发射率分离过程中地表温度优化的相关性判据,提出了基于相关性的温度与发射率分离算法（the Correlation Based Temperature Emissivity Separation Algorithm,CBTES）。该算法利用大气下行辐射和地表发射率之间的相关性优化地表温度,进而获得地表发射率。基于模拟的热红外高光谱数据,对CBTES算法的精度进行分析,结果表明CBTES算法具有较高的温度与发射率反演精度;并与光谱迭代平滑温度发射率分离算法（ISSTES）进行比较,发现CBTES算法具有和ISSTES算法相当的精度。此外,CBTES算法具有一定的抗噪性,对测量过程中大气下行辐射的变化不敏感;对于非同温像元,当其发射率定义为r-emissivity时,其辐射温度是对波数缓慢变化的,假设在比较窄的光谱区间内辐射温度近似不变,可以用CBTES算法反演非同温像元在窄光谱区间内的等效温度,在714-1250cm^-1。光谱区间内多个窄光谱区间反演的等效温度可以较好的刻画非同温像元辐射温度的变化趋势。     

考虑开放度的树冠层辐射传输模型及实验验证

基于树冠层的结构特征,从方向间隙率定义了冠层中不同空间位置对天空散射入照的开放度及其在冠层中的分布,建立了入射辐射在冠层中的衰减与传输模型。应用对冠层结构、总入射辐射、辐射在冠层中衰减等的野外观测数据,对模型进行了验证。模型成功地解释了光在树冠层中辐射传输的变化规律。     

用多角度POLDER数据验证互易原理在遥感像元尺度的适用性

利用ＡＤＥＯＳ－ＰＯＬＤＥＲ多角度遥感数据,从统计意义出发,对光照与观测角度互易的观察对进行考察,发现在ＰＯＬＤＥＲ数据中存在不可忽略的不互易现象,以文中定义的不开易度来衡量,可见光波段不互易度可达１．０,红外波段不互易度可达０．３。两个方向上计算ＮＤＶＩ的偏差可达０．２。分析了不互易度与ＮＤＶＩ和海拔的相关性,发现不互易性与地表的复杂程度有一定的相关性,并提出地物光谱反射弱的数据不互易度大的假设     

地物的二向性反射和方向谱特征

本文简要介绍了地物二向性反射的概念及其与地物三维空间结构之间的关系。本文建议在建立高分辨率地物波谱数据库的同时,开展不同类型地物BRDF模型的研究。否则耗资巨大的数据库仍不能有效地应用于结构千变万化的环境遥感。     

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.     

基于BRDF原型反演地表反照率

先验知识在遥感反演中起到重要的作用,本文首先根据各向异性平整指数AFX和地表多角度观测数据集建立了BRDF二向性反射分布函数原型库,然后介绍了以BRDF原型作为先验知识的提取多角度数据地表反照率的原型反演算法,为验证算法的精度,将原型反演及全反演算法拟合验证数据子集得到的反照率与MODIS全反演算法拟合完整数据集得到的结果作比较。结果对比表明,观测天顶角在40°以内时,非垂直主平面的观测数据能够代表部分地表的各向异性反射特征,此时原型反演算法的最大平均绝对误差为0.036,相对精度比全反演算法高约5%—10%;当数据位于垂直主平面时,观测信息量严重不足,此时原型反演算法结果相对较稳定,而全反演算法的最大绝对误差高达0.18。 综上所述,原型反演算法能够在整个采样空间范围内对BRDF进行约束,对观测数据位置分布的依赖较小,抗噪声能力强,在反演观测信息不足的多角度数据时,结果精度优于全反演算法。     

基于改进的地表温度-植被覆盖特征空间估算地表蒸散

地表温度-植被指数特征空间被广泛应用与地表蒸散估算和土壤湿度监测,而利用散点图直接拟合干边会造成很大的不确定性。本研究采用改进的地表温度-植被覆盖特征空间进行地表通量的计算。该方法是基于能量平衡公式进行干边定位,从而减少干边确定过程中的不确定性。我们选取的17天的MODIS数据以及相应气象数据进行地表蒸散计算,并采用郑州的LAS观测站验证显热通量计算值,估算结果均方根误差（RMSE）、偏差（Bias）和相关系数平方（R^2）分别为44.06Wm^-2、36.99Wm^-2和0.71。总体来讲,通过能量平衡公式确定的理论干边相比通过散点图拟合的实测干边更合理。     

新几何光学核的验证以及用核驱动模型反演地表反照率(之二)

基于核驱动模型的AMBRALS程序将用于提供MODIS的反照率和二向反射产品;该文提出一个新的几何光学核-LiTransit核,用以取代目前AMBRALS运行程序中的LiSparseR核。当植被及阴蔚总面积在视场中比例接近于;时,新核由LiSparseR核向LiDens。核自然诫。因而新核兼有公Sparse·核面LiDense核的优点,比LiSparseR核更符合几何光学模型的基本原理。对于29组地面观测数据的反演试验表明;LiTrarisit核有与LiSparse核相当的数据拟合能力,,外推到大的天顶角时有.ense核的稳定性;与LiSparseR核比较,RossThick-LiTransit的核组合更能反映直入扇出反照率随太阳天顶角变化的趋势。用NOAA AVHRR多时相数据反演的结果,也表明RossThick-LiTransit组合在反演甲更为稳定。