天宫一号数据地表温度反演及其在城市热岛效应中的应用

针对天宫一号高光谱成像仪红外波段数据提出了一个单通道地表温度反演算法,算法的输入参数为大气水汽含量和地表发射率.利用模拟数据和黑河流域生态—水文过程综合遥感观测联合试验的地面实测数据对算法进行了精度评价,结果表明算法的均方根误差为2.72 K,能够满足大多数应用研究的需求.以北京市二环以内为研究区域,采用4个时相的天宫一号高光谱红外波段数据进行了城市热岛效应研究,结果表明天宫一号高光谱红外波段数据适合用来进行街区尺度的城市热岛效应研究,具有很大的应用潜力.     

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。     

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。     

Landsat 8地表温度反演及验证—以黑河流域为例

地表温度是区域和全球尺度地表物理过程的一个重要参数,目前已有的地表温度产品空间分辨率较低,缺乏高空间分辨率的地表温度产品。Landsat系列卫星提供了大量免费的高空间分辨率遥感数据,然而对应的高空间分辨率地表温度产品还未见到,为了获取长时间序列的高空间分辨率地表温度数据,针对Landsat 8 TIRS数据提出了一个物理单通道地表温度反演算法。该算法首先利用ASTER全球地表发射率产品(ASTER GED)结合Landsat 8地表反射率产品计算Landsat 8影像的地表发射率,然后利用快速辐射传输模型RTTOV结合MERRA大气廓线数据对热红外影像进行大气校正,最后利用物理单通道地表温度反演算法得到地表温度。利用黑河流域HiWATER试验2013年—2015年15个站点的实测地表温度数据对本文方法和普适性单通道算法进行了验证,同时对验证站点的空间异质性进行了分析。结果表明,本文方法和普适性单通道算法估算的地表温度整体精度均较高,能够获取高精度、高空间分辨率的地表温度数据,可以服务于城市热岛效应、地表蒸散发估算等相关研究。     

地表蒸散定量遥感的研究进展

简要介绍了遥感监测地表蒸散和能量平衡研究的科学意义和应用价值，回顾了国内外的研究历史和现状，分析了目前该领域存在的一些问题和难点，并对今后的工作重点和研究方向提出了建议。     

高分辨率机载遥感数据的交叉辐射影响及其校正

地表的复杂性在可见光/近红外波段体现在由非均匀造成的交叉辐射影响和非朗伯双向反射特性两个方面,为此利用MODTRAN4和大气点扩散函数的解析近似分析了低空机载测量中影响交叉辐射的各种因素。结果显示,对于机载测量,大气交叉辐射影响随测量条件不同而改变,需要实时计算。为此,将改进的大气点扩散函数的解析近似算法结合MODTRAN4辐射传输模型,设计了校正大气交叉辐射影响的算法。对AMTIS图像的处理结果显示,该算法提高了地表反射比的计算精度。     

行播作物热辐射方向性孔隙率模型

行播作物是介于离散植被和连续植被的一种典型植被类型,Kimes等人从纯几何光学角度研究了行结构的热辐射方向性,但视行结构为“箱型”实体,不考虑作物组分间的孔隙因素与大气下行辐射效应.在太阳光照方向和观测方向上同时考虑了作物间的孔隙率因素,根据离散植被孔隙率模型和连续植被的交相关概率思想,分别从行结构中的无遮挡、单向投影和双向重叠投影3个方面出发,建立行结构孔隙率模型.模型应用体系总有效发射率概念,解决了不同天顶角时非同温目标的环境辐射效应计算问题.经与实际观测结果对比,孔隙率模型比Kimes模型能更准确地描述行结构热辐射方向性.由于考虑了光照方向和观测方向的交相关关系,孔隙率模型可以解释热辐射中的热点现象.     

地面站点叶面积指数观测的空间代表性评价——以CERN站网观测为例

在叶面积指数LAI(Leaf Area Index)产品真实性检验中,地面站点的多时相连续观测LAI数据是重要的验证数据来源。当站点观测范围与产品像元尺度不一致时,站点观测LAI直接用于产品验证可能为验证结果带来误差。因此,在验证之前需要分析站点观测对像元尺度的空间代表性,选择空间代表性好的观测来验证产品,从而减小尺度效应带来的验证误差。以往的研究只是简单的定性说明研究区域,并直接用站点测量数据对产品进行验证,缺少一套系统的站点观测在产品像元尺度内空间代表性评价的方法体系。本文提出了站点LAI观测的空间代表性评价方法,建立了评价指标DVTP(Dominant Vegetation Type Percent)、RSSE(Relative Spatial Sampling Error)和CS(Coefficient of Sill),构建了空间代表性评价分级体系。以中国生态系统研究网络CERN(Chinese Ecosystem Research Network)农田站和森林站LAI观测为例,对站点观测在1 km产品像元尺度内空间代表性进行评价,并分析评价前后站点观测对MODIS LAI产品验证精度的影响。结果显示,本文提出的方法能够有效地对不同站点LAI观测在产品像元尺度内空间代表性进行质量分级,且年际间的站点观测空间代表性较为一致。评价方法能够去掉在特定产品像元尺度下空间代表性不好的观测数据,一定程度上提高验证数据集对产品验证精度的可靠性。     

利用HJ-1B热红外数据估算晴天大气下行长波辐射

针对HJ-1B红外相机只有一个热红外通道的特点,本文利用大气辐射传输模型模拟和统计回归方法,发展了一个利用HJ-1B辐射亮温和大气水汽含量反演高分辨率大气下行长波辐射的参数化模型.为了分析模型的适宜性和误差来源,利用模拟数据对模型进行了精度评价,结果表明模型在大多数气候条件下反演结果较好,但在大气水汽含量较高时存在低估现象.误差分析表明,大气水汽含量、传感器辐射亮度、地表与大气的温差等方面的不确定性会对反演结果产生一定的影响.利用2009~2010年HJ-1B数据反演得到黑河流域和海河流域的瞬时下行长波辐射,并利用6个站点的地面观测数据对反演结果进行了验证.结果表明,除花寨子荒漠站外,其他各站点反演值与实测值的一致性较好,均方根误差在20W/m2左右,略好于MODIS数据的反演结果.花寨子站夏季时存在较多的高估现象,主要由地气温差过大引起,经过地气温差校正后,结果得到明显改善.     

关于遥感实验场数字孪生体构建的思考

遥感机理模型构建、地表参数反演、遥感产品生产以及真实性检验等均离不开完备的地面先验知识支持,然而目前实验观测、模型模拟等均难以满足观测的完备性需求。目前,基于遥感实验场的数字孪生体生成遥感先验知识以支持遥感基础研究的思路逐渐成熟：突破物理遥感实验场的协同观测技术瓶颈,实现场景三维结构的数字重建;耦合辐射传输、能量平衡和植物生长模型,实现遥感实验场模拟的动态演进;基于物理遥感实验场数字孪生体驱动和约束地表观测数据,通过同化观测与模拟数据反馈优化机理模型,生成精度高、时间连续的完备观测数据集作为先验知识,以支撑遥感机理模型、遥感反演方法和真实性检验等研究。遥感实验场数字孪生体构建方法有望成为小尺度地球系统数字孪生体构建理论的雏形,进而推动地球科学各个学科全面、协同发展。