使用多角度积雪光谱验证渐进辐射传输理论

双向反射分布函数(BRDF,Bidirectional Reflectance Distribution Function)反演作为定量遥感的重要研究方向,其定量化地描述了地表反射的各向异性特点.传统的积雪BRDF反演主要采用ROSS+LI核,采用贝叶斯概率统计的方法或者采用最小二乘的方法进行求解系数,方法简单可行,但是这些模型对积雪的物理特性定量描述不是太全面.积雪是一个复杂的体系,众多因素对BRDF影响较大,如雪粒径与雪污化物,传统的ROSS+LI核不能定量地描述这些因素对积雪的BRDF的影响.渐进辐射传输算法,以其计算简单,运算速度快而不降低辐射传输的精度,被广泛地运用到定量遥感之中.利用此理论进行积雪BRDF反演及验证,首先进行积雪的雪粒径反演,采用了渐进辐射传输模型建立光谱库;其后确定中心波长1.03μm作为最佳雪粒径反演波段,同时采用此理论反演了雪污染量;最后利用已有的雪粒径与反演的相对污化物含量进行BRDF重构.实验表明:基于渐进辐射传输的积雪BRDF具有可行性,精度能够满足生产之用,同时产生的中间产品,如雪粒径、雪污染等,可以广泛地运用于生产实践之中.通过此方法能够有效地将积雪遥感的雪粒径、雪污染、BRDF串联起来,方便积雪快速定量化描述.

基于渐进辐射传输模型的雪粒径与积雪覆盖面积反演算法

渐进辐射传输模型(Asymptotic Radiative Transfer,ART)广泛应用于雪粒径反演,但是ART模型忽略了像元混合的影响。在本文中,ART模型被应用于混合像元分解之中,考虑积雪粒径变化的影响,提出了两种混合像元分解算法,用以同时获取雪粒径和积雪面积。第一种算法是采用均方根误差指标获取每个像元的最优雪粒径,使用全约束线性分解算法(FCLS)反演积雪面积。另一种算法使用通用梯度下降算法(GRG)获取每个像元的最优粒径,仍然采用全约束线性分解算法获取积雪面积。为了提高模型的运行效率,单波段ART算法用来获取影像的雪粒径,将之作为两种算法的先验知识。同时,MODSCAG模型反演的结果也被用于进行交叉对比,实验结果表明,两种算法比MODSCAG模型的反演结果更为精确。

一种基于光谱库的雪粒径及形状参数反演新方法

雪粒径的形状因素对积雪的反射光谱曲线影响较大,如何有效地刻画雪粒径的形状参数成为研究的热点。渐进辐射传输模型被广泛地应用于雪粒径反演,其对雪粒径形状的描述只采用了2个值(3.62对应于片状雪粒径,4.53为球形雪粒径),较难描述积雪的形状参数,同时为了反演积雪的雪粒径,这两个形状参数必须被提前固定,这大大降低了雪粒径的反演精度,为此提出了一种基于光谱库的雪粒径及形状参数反演算法(LUTMA)。首先利用渐进辐射传输模型建立不同粒径,不同形状参数的光谱库,然后采用光谱角指标进行匹配,最终获取积雪的粒径与形状参数。实验表明,基于光谱库的雪粒径及形状参数反演新方法与实测数据较为吻合。

基于两种辐射传输模型的雪粒径与反照率反演

提出一种渐近辐射传输(ART)理论与离散纵标辐射传输法(DISORT)相结合的方法,用于反演雪光谱反照率。基于雪粒形状的二级科赫分形假设,利用不同卫星数据与ART理论的三种粒径反演方法反演研究区域的雪粒径,反演的雪粒径大小不同,但平均值均在50μm左右。基于雪粒球形假设,根据反演的雪粒径,基于DISORT模型计算波段为0.3~5.0μm的雪光谱反照率,同时基于ART理论计算波段为0.3~1.5μm的雪的黑空与白空光谱反照率。由两种辐射传输模型计算的0.3~1.5μm的雪光谱反照率差异较小,表明雪粒形状假设合理,利用两种辐射传输模型相结合的方法能够计算太阳光谱的雪反照率。考虑到研究区域内黑碳等吸光性杂质的影响,修正了DISORT模型计算的雪光谱反照率。研究区域靠近国境边缘的西伯利亚地区时,吸光性杂质对于雪光谱反照率影响很小;研究区域为东北工业地区时,吸光性杂质会明显降低可见光波段的雪光谱反照率。

一种考虑雪粒径变化的积雪面积反演算法

光谱混合分析能够提取亚像元信息,被广泛地应用于遥感影像目标探测之中。本文针对MODIS积雪遥感影像,基于光谱混合分析框架,利用渐进辐射传输模型建立不同粒径大小的雪反射率光谱库,提出了一种考虑端元变化及二次辐射的雪盖面积反演算法。此算法首先利用渐进辐射传输模型建立不同粒径大小积雪的反射率光谱库,然后使用序贯最大角凸锥方法获取植被、土壤与岩石、阴影的光谱库。在建立各种地物反射率光谱库之后,利用均方根误差最小的方法获取最优端元组合。在此基础上,考虑端元独立辐射以及积雪与其它地物的二次辐射过程,利用稀疏光谱混合模型获取积雪面积与雪粒径大小。实验结果表明:此方法能够同时反演雪粒径与积雪面积,反演的雪粒径相比单波段的渐进辐射传输模型小,反演的积雪面积相比MOD10A1产品精度略微提高。

基于ART模型的MODIS积雪反照率反演研究

积雪反照率是研究局地或全球的能量收支平衡和气候变化中的重要参数,遥感反演为积雪反照率的获取提供了便利的手段。积雪反照率大小主要取决于积雪的自身物理属性(雪粒径、形状和污染物等因子)以及天气状况,遥感反演反照率大多基于双向反射模型(BRDF),积雪BRDF模型常使用积雪辐射传输模型获得。采用考虑了雪粒径、粒子形状以及污染物影响的渐进辐射传输理论(ART)模型,建立了MODIS积雪反照率反演算法,得到了MODIS 8d合成积雪反照率产品。将此算法应用于具有均一积雪地表的格陵兰岛地区,并使用GC-Net实测数据进行了验证,反演的总均方根误差(RMSE)为0.018,相关系数(r)为0.83,结果表明考虑了积雪特性的ART模型能够较好地反演积雪反照率,而且反演需要的参数较少。