改善MODIS BRDF产品热点效应的方法研究

核驱动的Ross Thick-LiSparse Reciprocal(RTLSR)双向反射函数(BRDF)模型已广泛地应用于MODIS等星载传感器的业务化产品处理中。但是,对于多年MODIS二向反射产品历史数据,如何基于RTMLSR模型发展一种简单有效快速的方法,进行热点效应的校正是一个迫切需要解决的问题。本文提出了一种简单有效的方法,不需要对观测数据重新反演,直接在现有MODIS二向反射产品的基础上进行热点校正,方便用户对历史MODIS二向反射产品的使用。该方法应用POLDER-3/BRDF数据库和部分经MODIS业务化算法筛选的反射率数据进行验证,并与RTLSR模型和RTMLSR模型的结果进行比较,结果表明:(1)该方法比现有的MODIS业务化RTLSR算法,对热点反射率有明显改善,拟合相对误差平均降低了10.12%;(2)该方法相对于RTMLSR模型在热点反射率拟合效果上差别不大,相对误差相差2.10%;(3)该方法对热点和冷点归一化的植被指数(NDHD)的估算效果有一定程度的改善,相对于RTLSR模型降低了约4.99%,与RTMLSR模型的相对误差相差1.32%,该方法对直接应用现有MODIS BRDF产品,基于热点方向反射率反演植被结构参数(如植被聚集指数)的精度提高有现实应用价值。     

新几何光学核驱动BRDF模型反演地表反照率的算法

MODIS的反照率和二向反射产品由基于核驱动模型的AMBRALS程序提供。目前 AMBRALS算法系统中所用的描述几何光学散射的核为LiSparseR核。新提出的一个几何光学核－LiTransit核兼有LiSparse核向LiDense核过渡的优点，比LiSparseR核更符合几何光学模型的基本原理。验证结果表明：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。因此在下一代的AMBRALS算法系统中，将用新的LiTransit核取代LiSparseR核。目前AMBRALS算法系统为了快速处理每天大量的数据，用多项式拟合核的半球积分。因此，为了替换LiSparseR核时，同时又不影响整个算法的系统性，本文研究了LiTransit核的多项式拟合。结果表明：拟合的多项式与核半球积分的相关性很好。     

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。     

通过航空POLDER数据估计地表二向性反射分布函数(英文)

研究中，通过选择目标区的ＰＯＬＤＥＲ图象数据来估计目标的二向性反射分布函数，其主要结果可简述如下：１）我们发展了一种大气纠正算法，它适用于源自ＰＯＬＤＥＲ传感器的图象数据格式。通过这种算法，将连续的不同视角的ＰＯＬＤＥＲ陆地图象转化为一系列表面反照率图象，该过程考虑了多次散射。２）然后，选定２１个目标区，包括河流、水塘、城市、道路、森林等，其光谱二向性反射分布函数通过连续的反照率图象来估计。研究发现，水表面的二向性反射分布函数５５０ｎｍ，６５０ｎｍ，８５０ｎｍ处呈现朗伯体特征，同时发现有植被覆盖地表的二向性反射分布函数在５５０ｎｍ和６５０ｎｍ处大致为各向同性，而在８５０ｎｍ处则表现为各向异性。该文给出了所有靶区按经验二向性反射分布函数的拟合参数值。     

应用二向性反射分布函数进行反照率的精确计算和邻近象元效应校正(英文)

该文讨论二向性反射分布函数（ＢＲＤＦ）在遥感领域中两方面的应用：（１）晴天大气层顶部的反照率的确定，（２）二向性反射分布函数对邻近象元点扩散函数和大气订正的影响。大气层顶部的光谱反照率是从多角度成象光谱辐射计（ＭＩＳＲ）提取的重要参数，其精度主要取决于我们对不同情况表面建立更好的ＢＲＤＦ模型。该文论述一种与９个ＭＩＳＲ二向性反射观测值相匹配的半经验函数的算法，并可进而通过数值积分产生４个光谱波段的晴天大气层顶部的光谱反照率。结果显示反照率的绝对精度对可见光波段可高于１％，对近红外波段可高于２％。采用一种简化的辐射通量模型，我们的工作显示邻近象元点扩散函数（ＰＳＦ）的形状取决于下垫面表面的ＢＲＤＦ。在给定与中心象元的偏移（ｘ，ｙ）的条件下邻近象元的点扩散函数，由和沿观察方向的散射相函数的传输加权的乘积的积分给定。     

不连续植被二向性反射的几何光学与辐射传输一体化综合模型初探

本文论述作者对不连续植被冠层与辐射间相互作用机理研究的最新进展,提出了建立不连续植被二向性反射分布函数的几何光学与辐射传输一体化综合模型的设想和基本理论。该综合模型的建立以Li-Strahler间隙概率模型为基础,在大尺度上用纯几何光学模型反映植被的结构特征,在适于辐射传输模型的尺度上则以冠层内的间隙概率处理叶丛的截获辐射与散射。本文详细说明了冠层内任意高度的间隙率模型,也介绍了多次散射的建模方法。     

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。     

耦合地表方向反射特性的城市地区气溶胶光学厚度遥感反演

地气分离是气溶胶光学厚度AOD (Aerosol Optical Depth)卫星遥感反演中的难点之一,当前大多反演算法一般将地表假定为朗伯体,这使得反演结果在城市等高异质地区具有较大的不确定性。本文利用长时间序列MODIS BRDF/Abledo产品,通过离散余弦变换的惩罚最小二乘估计时空滤波算法构建了地表BRDF形状因子先验数据集。通过耦合考虑地表各向异性反射特性的辐射传输前向模型及半经验核驱动模型,以先验数据集为驱动进行地表参数估算,实现考虑地表BRDF效应的气溶胶遥感反演。基于该算法,以北京为研究区开展了Landsat 8 OLI传感器反演实验,并使用AERONET地基观测数据及与朗伯假设和地表反射率数据库支持反演进行交叉对比,结果表明,新算法在城市/植被地区的反演点对在期望误差线内比重为84.6%/86.0%,可以有效改善朗伯假设对AOD的高估。通过与MODIS气溶胶产品（MOD04/MCD19A2）对比,新算法获取的AOD与AERONET观测值具有更高的一致性,城市站点反演结果在误差线内占比较DT、DB、DTDB及MAIAC产品分别提高了46.8%、13.9%、14.7%及...     

水面溢油的多角度偏振与二向性反射定量关系研究

水面溢油是最常见的水体污染源之一,在反射、散射和透射电磁辐射的过程中,将表现与它们自身性质有关的偏振特性。因此,对水面溢油的多角度偏振信息探测成为水体定量遥感的一种新手段。偏振反射是伴随目标的二向性反射而产生的,在探测目标地物的二向性反射的同时,可以通过起偏器获得目标地物偏振态的三维空间分布。本文从多角度偏振遥感机理的角度出发,研究了水面溢油的多角度偏振反射与二向性反射之间存在的定量关系,并从实验上验证了其二向性反射、45°偏振、偏振均值三者在2π空间的相应方位角、天顶角、探测角以及通道上的反射比均相等。     

离散植被冠层的解析混合BRDF模型——MGeoSAIL

根据适合于垂直单角度观测的GeoSAIL模型,改进得到适合于各种角度观测的MGeoSAIL模型。它是几何光学模型和辐射传输模型的结合。具备两种模型的优点使MGeoSAIL模型更具准确性和实用性。其中几何光学模型用来计算场景内不同情况下阴影和光照成分的比例,辐射传输模型(SAIL)考虑冠层内的辐射传输计算得到树冠的反射率和投射率,将其权重加和生成场景反射率。模拟结果表明该模型简单实用,在可见光与近红外波段均能反映出"热点"效应,在近红外波段能描述出"碗边"效应,且更适合于低密度、大个体、不连续稀疏林分冠层的BRDF模拟。     

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。     

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。     

业务化MODIS BRDF模型对冰雪BRDF/反照率的反演能力评估

全球MODIS冰雪反照率产品在定量遥感中有着广泛应用,但由于该产品的业务化算法是建立在表征植被—土壤系统基础上的罗斯表层(RT)李氏稀疏互易核(LSR)的二向性反射分布函数(BRDF)模型(简称为RTLSR),因此该模型对冰雪的二向性反射及反照率的反演能力有待评估。本文基于地球反射极化和方向测量仪(POLDER)的多角度冰雪反射率数据,综合评估了RTLSR模型在表征冰雪二向反射及反演反照率等方面的能力。为量化评估结果,本研究基于渐进辐射传输(ART)模型,从POLDER冰雪数据中筛选出高质量数据,使用ART模型拟合的高质量结果作为参考,比较结果表明:(1)在表征冰雪方向性散射方面,RTLSR模型整体拟合精度较低。在1020 nm波段,其均方根误差(RMSE)最大可达到0.0498,相较于ART模型的拟合结果偏高了约53.70%;(2)在反演冰雪反照率方面,RTLSR模型与ART模型反演结果也存在差别,其决定系数为0.529,均方根误差为0.0333,偏差为-0.0274,基于RTLSR模型的反演结果低估了ART模型的反演结果。为了使核驱动模型能更准确地表征冰雪BRDF特征和反演反照率,该模型需要针对冰雪散射特点进行进一步的发展。     

利用POLDER数据验证MODIS BRDF模型参数产品及Ross-Li模型

将MODIS BRDF模型参数产品(MCD43A1)模拟的近红外波段反射率与从POLDER-3/PARASOL BRDF全球数据集中筛选的9961个像元的BRDF观测数据进行对比,验证了MCD43A1所采用的RossThick-LiSparseR BRDF 模型(Ross-Li模型)拟合二向反射的能力。结果表明,Ross-Li模型总体上可以有效地模拟地物的二向反射,所有像元的近红外波段反射率模拟值与POLDER-3观测数据之间的R²达到0.943,RMSE为0.016,模拟反射率比POLDER-3数据总体偏低5.2%。但Ross-Li模型明显低估了热点反射率,热点模拟结果比POLDER-3数据平均偏低14%,模拟值的R2为0.824,RMSE为0.07。热点反射率模拟误差与地表覆盖类型有关,针叶林热点反射率模拟值偏低最严重,其次是阔叶林、草地与农田,灌木与裸地热点反射率模拟值偏低相对较小。通过修正Ross-Li模型中的体散射核,可以明显改善热点反射率的模拟效果(R²＝0.839,RMSE＝0.043)。Ross-Li模型对天底、暗点等特征方向反射率的模拟较为准确。Ross-Li模型的模拟精度随太阳天顶角和观测天顶角的增大而降低。对于农田与草地而言,Ross-Li模型的模拟精度随NDVI的增加而降低;但在森林与灌木覆盖条件下,当NDVI约为0.5时,Ross-Li模型的模拟效果最差。     

利用MODIS BRDF估算中国东北森林背景反射率——以大兴安岭加格达奇地区为例

基于MODIS二向反射分布函数(BRDF)模型参数产品数据,利用4-scale模型建立查找表,以中国东北大兴安岭加格达奇地区为研究区,反演森林背景反射率,并分析不同森林类型二向反射与背景反射率特性及其季节变化。研究结果表明:(1)研究区针叶林和混交林二向反射特征较为相似,夏季阔叶林在红光波段的二向反射率值均低于针叶林和混交林,而在近红外波段则相反;不同森林类型二向反射率均存在明显的季节变化,其中阔叶林二向反射率季节变化最为明显;(2)研究区夏季森林背景反射率在红光波段较低,均在0.1以下,近红外波段背景反射率普遍高于0.3,且空间差异较大;(3)不同森林类型的背景反射率季节变化趋势大致相同,但变化幅度存在差异:阔叶林的背景反射率值季节差异最大,尤其在近红外波段。     

正规矩阵选取半参数灰色模型改进的预测建模

正规矩阵是对模型误差补偿性的直接表达,时间序列法用一阶差分方程和二阶差分方程计算得到不同的正规矩阵。针对传统GM(1,1)模型没有考虑模型误差,而数据处理过程中所建立的数学模型与客观现实并不一致的问题,该文提出建立顾及模型误差的半参数模型的GM(1,1)模型。对由传统半参数模型得到的正规矩阵采取一阶差分法进行改进,并通过算例证实了改进正规矩阵的半参数模型的GM(1,1)预测精度更高。     

AR模型中AO类异常值探测及其在GPS卫星钟差预报中的应用

基于EM算法,提出一种AR模型中AO类异常值(additive outlier)探测的算法。该算法可同时进行AR模型拟合与AO类异常值探测,并可有效地解决成片AO类异常值探测时所产生的掩盖和淹没问题。最后,将本文算法应用于GPS卫星钟差预报之中。本文算法可以准确探测出钟差历史观测序列中的AO类异常值,并可对卫星钟差进行精确预报。