基于NOAA/AVHRR数据的北极反照率反演及其变化研究

极地海冰反照率直接影响极区的热收支,反照率的变化对地气系统热量收支平衡及气候变化等的研究具有重要意义。本文采用由美国国家海洋与大气管理局NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration)发射的NOAA卫星携带的先进的甚高分辨率辐射仪AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer) Level-1B (L1B) 数据,经宽带反射率转换、各向异性校正、大气订正、云检测等处理,得到4 km宽带晴空地表反照率产品。将AVHRR反照率与北冰洋地表热收支SHEBA (Surface Heat Budget of the Arctic Ocean)实验数据进行印证,印证结果显示在冰雪冻结期二者平均偏差为-0.07,标准偏差为0.05。本文处理了2008年—2010年的AVHRR数据,结合第4次北极科学考察现场观测数据研究了北极冰面月平均反照率的变化,从降雪和冰脊两个方面分析了反照率的变化,结果显示反照率在冰雪融化过程中变化约为0.3,变化较大且较为迅速,表面粗糙的多年冰海域和较为平滑的一年冰海域的反照率在雪融化时期变化约为0.2且变化相对缓慢。研究结果表明,由冰雪融化引起的反照率变化较为快速且幅度较大,是引起北极反照率变化的主导因素。     

格陵兰地区GLASS反照率产品质量评价及反照率变化趋势分析

冰雪反照率是影响和评估全球气候变化的重要因子。北极格陵兰岛拥有世界第二大冰盖,定量获取该地区反照率是研究北半球能量收支变化的关键。全球陆表卫星(global land surface satellite,GLASS)产品系统生产的反照率产品是目前国际上时间序列最长（1981—2017年）的全球反照率产品。利用格陵兰气候观测网络(Greenland climate network, GC-Net)与格陵兰冰架监测计划(programme for monitoring of the Greenland ice sheet, PROMICE)网络观测的反照率数据,评估了格陵兰地区GLASS地表反照率产品的精度;并基于2000—2017年的GLASS地表反照率产品,分析了格陵兰地区7月份反照率的年际变化趋势与空间分布特征。结果表明：GLASS与GC-Net反照率的均方根误差(root mean squared error, RMSE)为0.077 8(决定系数R2=0.490 7),与PROMICE反照率差异的RMSE为0.078 6(R2=0.899 9),GLASS产品的反照率数值呈现一定...     

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。     

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。     

机载WIDAS数据的Landsat卫星反照率初步验证

随着精细化监测的需求,中高空间分辨率的地表反照率产品逐渐成为气候模型的主要输入。目前,中高空间分辨率反照率产品的验证主要基于地表站点的通量塔观测数据,区域机载飞行数据的验证依然相对较少。因此,本文基于区域机载数据验证Landsat反照率产品。针对内蒙古自治区根河森林试验区所获取的机载红外广角双模式成像仪(WIDAS)多角度反射率数据,应用BRDF原型反演算法估算其反照率,分析了应用机载数据验证中高空间分辨率反照率产品的潜力。2016年内蒙古根河森林试验区机载WIDAS飞行多角度观测的可用多角度范围为25°,以前的研究表明BRDF原型反照率反演算法表现出对小观测角度的反照率反演结果的鲁棒性。因此,机载WIDAS反照率在一定程度可用于星载反照率的验证。首先,基于核驱动模型和各向异性平整指数(AFX)提取了试验区4种MODIS二向性反射分布函数(BRDF)原型;然后,将其作为先验知识应用到根河森林WIDAS机载数据的反照率反演中;最后,用WIDAS反照率和单个地面通量塔观测的反照率对Landsat卫星数据的反照率进行初步验证。验证结果表明Landsat反照率与WIDAS反照率结果较为一致,但略有低估,总体均方根误差(RMSE)约为0.02,偏差为0.0057。在多角度观测范围较小时,BRDF原型的反照率反演算法可为星载地表反照率的验证提供了一种有效的验证手段。     

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.     

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。     

喀斯特山区地表反照率时空变化及其驱动因子

为了解全球气候变暖背景下湿润喀斯特山区地表反照率的气候效应,本文以贵州省为例,利用MODIS地表反照率产品,结合植被、土地利用、地质岩性等数据,基于Theil-Sen Median斜率计算及Mann-Kendall统计检验等方法,分析贵州省近20年地表反照率的时空变化特征;利用地理探测器分析影响贵州地表反照率的主导驱动因子。结果表明：(1)贵州省2001—2020年的地表反照率均值为0.111 0,并以每年平均0.16×10^-3的速率在缓慢波动下降,下降区域面积占总面积的58.17%。(2)多年季节平均反照率为夏(0.118 6)>秋(0.113 7)>春(0.105 0)>冬(0.103 0),年平均增长速率为夏(0.48×10^-3)>秋(-0.13×10^-3)>春(-0.31×10^-3)>冬(-0.51×10^-3)。(3)地表反照率年内变化呈“倒U”形,表现出显著的季节性特征。(4)植被、土地利用、岩组是贵州地表反照率时空异质的主导驱动因...     

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。     

2000—2015年北极夏季反照率变化及其与海冰密集度的关系

作为影响极区热平衡的关键因素,北极反照率会对北极气候与环境变化产生重要影响。采用CLARA-A2-SAL(The CM SAF Cloud,Albedo and Radiation)反照率产品分析2000—2015年北极夏季反照率月尺度和年尺度的时空变化,并探索北极反照率与海冰密集度的关系。结果表明,近15年间北极夏季反照率降幅达到12.20%,8月反照率下降趋势最显著,每10年减少0.040;随着海冰的融化,北极夏季反照率发生由高到低的变化;北极中央密集冰区与周边海域的反照率变化呈现出显著的空间差异性;北极反照率与海冰密集度呈稳定的正相关。研究北极反照率的时空变化及其影响因素可为解释海冰变化成因、预测北极海冰变化趋势提供参考。     

陆地表层覆盖变化对地表反照率影响的四国对比

陆表覆盖变化影响地表特征从而改变地表能量平衡是理解人类活动对全球气候变化影响的关键环节。选择国际气候谈判主要国家的美国、印度和巴西作为中国的对比国,对比分析不同国别、不同气候带典型陆表覆盖类型的地表反照率时空差异,进而模拟开垦和城市化等陆表覆盖变化对反照率的影响差异。结果表明：(1) 2000年—2015年,中国、美国的地表反照率年际变化存在明显的气候带空间分异特征,中国干旱半干旱区和美国中低纬湿润区表现出降低趋势,而中国亚热带湿润和美国高纬与中部干旱区则表现出明显的升高趋势,印度的地表反照率年际变化呈微弱下降趋势,而巴西为微弱上升趋势。(2)无雪覆盖时,耕地、林地、草地和人造地表反照率具有夏高、冬低的时间变化特征,干旱半干旱区反照率明显高于湿润区。4种类型的国别差异体现在,中国亚热带湿润区地表反照率均以上升为主,干旱半干旱区则相反;美国除耕地在干旱区呈较强的升高趋势外,其余类型基本为降低趋势;印度均表现为降低趋势;巴西则表现为略微升高趋势。(3)与无雪覆盖相比,有雪覆盖时不同陆表覆盖类型地表反照率均有所提高,林地提高幅度最小,约0.06—0.26,耕地提高最大,约为0.17—0.38,且中国林地反照率提高幅度略高于美国。(4)原陆表覆盖为林地时,开垦和城镇化均导致地表反照率升高,且干旱区升高幅度高于湿润区,湿润区的升高幅度随纬度降低而减弱;为草地时,开垦主要在巴西、印度和中、美亚热带湿润区引起地表反照率升高。而城镇化引起的反照率变化则受到原有地表覆盖、季节和气候背景影响存在较复杂的国别和气候带差异。     

基于DEM的ETM+图像辐射校正及汉江流域反照率的计算

对Gilabert[1]大气校正方法进行改进,提出了一种简单易行的辐射校正方法。该方法只需从ETM⁺图像上获取两个不同海拔高程的暗像元,再依据DEM进行大气校正,反演出各个高程上的大气及辐射参数,并在此基础上进行地形校正,进而获取LandsatETM⁺1～5和7波段的地表反射率,通过对各窄波段地表反射率的线性组合获取反照率。结果表明,该方法可行,精度较高。     

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.     

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。     

卫星海洋水色遥感信息特征量的研究

首先从卫星海洋水色遥感机理出发,提出了水色遥感信息的两个特征量──归一化反照率（Ａｌｂｅｄｏ）和辐射信噪比（ＳＮＲ）。其次,针对中国“九五”期间计划发射的海洋水色卫星的轨道参数和安装在卫星上的水色扫描仪（ＣＯＣＴＳ）水色通道为对象,上中国海区为遥感目标,通过两个特征量的模拟计算结果,进行了大洋和沿岸两类不同水体信息特征量的比较。最后,研究了信息特征量的时间和空间响应。研究的结果为中国计划发射的海洋水色卫星图像质量预测和应用潜力的评估提供了一定的科学依据。     

利用云下阴影实现陆地上空气溶胶和地表反射率的同时反演—理论方法和模拟

卫星探测信号包含大气中分子和粒子的散射贡献以及地表反射的贡献,在陆地上空二者的贡献相当,并且陆地地表反射率在时间和空间上极度不均一,因此,很难区分二者的各自贡献从而定量提取大气气溶胶和地表反射率,陆地上空气溶胶的反演也一直是一个极具挑战性的课题.而高分辨率卫星资料如TM5的可见光通道能够很好地区分云和云下阴影,如果云是不透光的,在阴影上空,卫星信号仅包含大气散射贡献和地表漫反射贡献,而在邻近的非阴影区上空,卫星探测信号还包含地表直接反射的贡献,根据这个原理,利用辐射传输模式分析了阴影区和非阴影区上空卫星探测的辐射量差别与地表反射率和大气气溶胶的关系,提出一种利用云下阴影来同时提取阴影上空大气气溶胶和地表反射率的单波长反演方案,并对气溶胶单次散射反照率,散射相函数,测量精度以及地表反射率的不均一性进行了敏感性分析.     

用模型和车载微波辐射仪研究多频率多角度下玉米的散射和衰减特性

在使用被动微波技术反演土壤水分的过程中,为去除植被的影响,通常采用适用于低频的τ-ω模型。为准确评估较高频率下植被的散射和衰减特性,以玉米为例,采用基于光线跟踪原理的双矩阵(Matrix-Doubling)微波辐射模型,研究不同高度的作物在C(6.925GHz)、X(10.65GHz)和Ku(18.7GHz)波段下的单散射反照率和传输率。模型模拟的亮度温度跟车载微波辐射仪的野外实测数据接近。为验证模拟的玉米自身微波辐射,在玉米地上铺设了一层铝箔屏蔽地表的辐射。通过给验证后的模型输入不同的参数,建立一个亮度温度数据库,以模拟自然状态下不同高度玉米的亮度温度。然后把模型模拟的结果,跟相同环境下τ-ω模型得到的结果按最小二乘法进行匹配,从而获得不同高度的玉米在C、X和Ku波段上等效的单散射反照率和传输率。     

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。