基于模型模拟的植被NDVI与观测天顶角和LAI的关系

利用PROSPECT和SAIL模型模拟了不同叶绿素含量、不同LAI和不同观测天顶角下的植被冠层反射率,分析了NDVI随LAI、观测天顶角和叶绿素含量的变化规律。结果表明:叶绿素影响冠层反射率主要在可见光波段,冠层反射率随叶绿素含量的增加而下降;冠层反射率随观测天顶角的增加而增加,而LAI较高时,其受观测天顶角的影响较小。观测天顶角相同时,随叶绿素含量的增加NDVI呈上升趋势;叶绿素含量一定时,NDVI随LAI的增加而增加。LAI为1时,在不同叶绿素含量下,随观测天顶角的增加,NDVI呈先下降后上升的趋势,拐点在观测天顶角65°或70°处,而LAI为3、5和7时,NDVI呈现下降趋势。叶绿素含量较高时,NDVI受观测天顶角的影响较小。当LAI较大和叶绿素含量较低时,NDVI随观测天顶角的增加(>70°)下降较快。

成像光谱反射率反演中观测角影响的分析

针对OMIS I机载成像光谱数据,通过6S辐射传输码模拟计算和相应理论分析,讨论了观测角变化对传感器入瞳处辐射亮度的影响和由此引起的反射率反演误差。结果表明:在太阳反射波段,观测角的影响有很强的波段特性,大气散射作用较强的短波长波段与大气气体强吸收波段是这种影响的敏感波段;地面目标亮度不同,这种影响也是不同的,对低反射率目标影响较大,而对高反射率目标影响甚微;另外遥感器飞行高度也是决定这种影响情况的重要因素。

面向高光谱大气臭氧传感器的多观测几何条件下紫外辐射模拟及对TOMS V8算法臭氧初值估算模型改进与评价

新型高光谱大气臭氧传感器大多计划搭载地球静止轨道平台,其对大视场范围和时间范围内的臭氧总量提取提出了更高的需求。TOMS V8算法在低轨卫星大气臭氧传感器得到广泛的应用和发展,但其在大观测几何条件下的提取精度不足,因此如何提高TOMS算法在新型传感器上的提取精度是当前亟待解决的问题。利用MODTRAN大气辐射传输模型模拟了晴空场景TOMS算法标准廓线各观测几何条件下的地球紫外后向散射辐射,分析了各观测几何条件下后向散射辐射亮度与臭氧总量拟合模型,并根据模型拟合精度情况,得到了不同观测几何条件下后向散射辐射随臭氧总量的变化关系,提出了改进的臭氧总量初值估算模式。对改进模式与传统模式的臭氧总量初估结果表明,传统模式依赖于指数模型的拟合精度,而改进模式依赖于对数模型的拟合精度,指数模型和对数模型均表现出高的拟合精度,但对数模型的拟合精度比指数模型在整个臭氧浓度范围内平均高约0.9%。改进模式使臭氧总量初估的总体精度得到改善,RMSE降低约0.087%~0.537%,并且在较大观测几何和臭氧总量低值区（175~275DU）间则更加显著。在臭氧总量低值区间以及较大观测天顶角和太阳天顶角条件下,改进模式具有更高的估算精度和更大的适用范围。该改进的臭氧总量初值估算模式可为日后TOMS算法的更新提供支持和参考依据。

冬小麦冠层光谱的方向性特征分析

二向性反射因入射和观测的角度变化而变化,合理选择遥感观测角度、太阳天顶角等为提高遥感应用精度提供可能。通过采用各向异性因子和各向异性指数定量分析了冬小麦冠层窄波段二向性反射率及NDVI的方向性特征。分析结果表明:主平面内二向性反射率的各向异性最强,垂直主平面最弱,其他平面介于前两者之间;可见光波段反射率随观测天顶角的敏感性大于近红外波段;反射率对太阳天顶角的敏感性随着观测天顶角的增大而增大。前向NDVI整体上大于后向,且NDVI随着太阳天顶角的增大呈增大趋势。为了减少观测方式所带来的不确定性,应尽量选择近红外波段和小太阳天顶角,估算结构参数时应尽量选择主平面进行遥感观测,在利用NDVI估算生物物理参数时尽量远离"热点"区域。

水稻冠层二向反射率的动态变化

在对水稻不同生育期进行冠层光谱二向反射率测定的基础上 ,分析了水稻冠层二向反射率随观测角及冠层结构变化的变化规律 ,得出以下结论 :在不同波段及不同的观测方位角 ,冠层反射率都是随着观测天顶角的增加而增加的 ,随着叶面积指数的增加 ,冠层反射率受观测天顶角的影响减小 .在植被比较稀疏 (叶面积指数较小 )时 ,冠层的后向反射较明显 ;可见光波段的后向反射现象比近红外波段明显 ;冠层的二向反射率在垂直主平面方向是对称的 ;反射率在后向散射方向达到最高 。

不同类型土壤的二向反射光谱特性及模拟

在对不同类型土壤进行室内光谱二向反射率测定的基础上,分析了可见光波段及TM4近红外波段土壤二向反射率随观测角度变化规律,得出以下结论:在不同的观测方位角,土壤二向反射率都随着观测天顶角的增加而增加,土壤的二向反射率在垂直主平面方向是对称的;反射率在后向散射方向达到最高,在前向散射方向最低。并利用基于辐射传输理论的Hapke二向反射模型对不同类型土壤在可见光波段及Land-sat TM4近红外波段的二向反射率进行了模拟,得到了很好的结果;其在模拟可见光波段时的RMSE值分别为0.003,0.002,0.004,相关系数分别达到0.995,0.998及0.998;在模拟TM4近红外波段时的RMSE值分别为0.004,0.006,0.005,相关系数分别达到0.997,0.996及0.998,这表明通过逐波段的模拟可以获取整条二向反射光谱曲线。

针对MODIS数据的地表温度反演算法检验--以黑河流域上游为例

地表温度遥感反演算法的检验与评价是确保算法能够有效应用的前提.选取2008年3月覆盖我国西北黑河流域上游地区的Terra/Aqua MODIS影像,利用卫星过境时地面样方的实测地表温度数据对MOD/MYD11A1产品及4种常用的分裂窗算法进行了验证.同时,利用典型大气探空数据构建了用于算法检验的模拟数据集.利用实测地表温度数据的验证结果表明,MOD/MYD11A1产品及Mao等提出的实用性分裂窗算法精度较高,均方根误差分别为1.1 K、0.9 K.基于地表温度的模拟数据集验证结果表明,在黑河上游寒旱环境下,Mao 2005算法的均方根误差控制在0.8 K以内.由于研究区大气水汽含量较低,传感器观测天顶角对于地表温度反演精度影响较小.

大气下行长波辐射快速实验测量方法研究

采用辐射传输模式模拟了特殊角度随气溶胶光学厚度及大气温湿度的变化情况,结果显示晴空下该角度不受气溶胶影响,受大气温度影响小,但受大气水汽含量影响显著,因此晴空下热红外光谱仪测量下行辐射时特殊天顶角可只根据大气水汽含量确定。西部荒漠地区下行辐射测量实验结果表明,据大气水汽含量确定的特殊角度值与实验结果一致,且该角度处辐射作为积分辐射符合精度要求。特殊角度值可用研究区大气水汽含量确定,该快速测量法可广泛用于野外实验,方便快捷测量准确瞬时下行辐射。

不同天顶角下渤海自然平整海冰的辐射特征

准确地掌握地物的比辐射率在2π空间内的变化特征是精确地利用热红外遥感技术反演地表温度的重要前提。以不同厚度不同内部结构的渤海自然平整海冰为研究对象,利用TH3102 MR型热红外成像仪测量了自然平整海冰在不同观测天顶角下(0～80°,间隔10°)的辐射亮温,并将辐射亮温转换成辐射亮度,根据辐射亮度计算了每个测量样品相对于法向比辐射率(0°观测天顶角)的相对比辐射率。结果表明,相对比辐射率基本上随着观测天顶角的增大而减小,当观测天顶角大于50°时,相对比辐射率迅速减小。自然平整海冰的厚度和内部结构并不会影响相对比辐射率的变化特征。

基于LAI-2200冠层分析仪的水稻叶面积指数测定条件

叶面积指数(leaf area index,LAI)是表征作物生长状况的重要冠层结构参数,直接破坏采样法采样和间接光学测量是2种主要的LAI测量方法,其中LAI-2200冠层分析仪是最常用的测量LAI的光学仪器之一,计算方法和传感器观测天顶角范围都会对其观测结果产生显著影响。利用LAI-2200冠层分析仪对水稻LAI进行长期连续观测,以直接破坏采样方法观测的LAI(LAI_(d))作为参考,比较分析不同观测天顶角范围、不同计算方法(2000方法和Lang方法)得到的LAI观测值差异。结果表明,LAI观测值随着所用LAI-2200数据观测天顶角范围的减小而增大,在LAI>3时更明显,且相对于2000计算方法,Lang计算方法对所用数据观测天顶角范围变化更加敏感。2000方法和Lang方法得到的LAI高度相关,r^(2)均高于0.9,随着观测天顶角范围的减小,2种方法的结果差异增大。仅对0~43.4°天顶角范围的数据,2000方法计算的结果明显小于Lang方法,差异最大可达1.54。LAI-2200观测的LAI与LAI_(d)高度相关,r^(2)为0.914~0.942,但存在不同程度的低估,且随着LAI_(d)的上升,低估程度增大。随着所用数据观测天顶角范围的减小,2种方法计算的LAI与LAI_(d)比较的均方根误差(RMSE)增大。如采用Lang计算方法,观测天顶角范围为0~74.1°时的RMSE为0.5771,观测天顶角范围为0~43.41°时的RMSE为0.6980;如采用2000计算方法,观测天顶角范围为0~74.1°时的RMSE为0.6078,观测天顶角范围为0~43.41°时的RMSE为0.6980。Lang方法能相对精确地观测水稻LAI(r^(2)=0.9415,RMSE=0.5771)。本研究为水稻田LAI测量提供了方法和数据参考。

基于模型模拟的NDVI对叶片生化组分参数的敏感性及叶绿素估算

归一化植被指数(NDVI)能够反映绿色植物的生长状况、监测作物长势,并与叶片尺度和冠层尺度的植被生化参数密切相关。研究方法主要是通过PROSAIL模型来分析NDVI的敏感性。在叶片尺度上,对NDVI变化的敏感性最高的参数是叶绿素含量(Cab),其次是叶肉结构参数(N);而干物质含量(Cm)和含水量(Cw)变化的敏感性较弱。在冠层尺度,NDVI对叶面积指数(LAI)的敏感性最高,其次是观测天顶角(VZA);叶倾角分布(LAD)和太阳高度角对NDVI的敏感性也较大。2017年5月16～18日野外实验采集数据及冬小麦叶片,通过实验室测得叶绿素浓度,结合2017年5月15日河北省石家庄市栾城区Landsat OLI影像,计算出采样点小麦的NDVI,建立叶绿素含量估算模型,生成栾城区冬小麦叶绿素含量分布图,得到研究区叶绿素浓度大部分在30～70μg·cm^(-2)。

FY3A/MERSI地表温度反演

MERSI是我国第二代极轨气象卫星上的重要传感器,可获取高空间分辨率和高时间分辨率的对地观测影像。为使Jimènez-Mu珘noz&Sobrino算法更适用于FY3A/MERSI传感器通道特性,更新了大气函数的估算系数,并引入观测角度因子,以获取更为精确像元间更为平滑的地表温度。用MODTRAN4模拟验证该算法精度,得引入角度因子后反演精度显著提升,所有角度下平均误差为-0.6±2.2K。用实测的敦煌戈壁地表温度和MODIS地表温度产品评价MERSI反演结果,显示MERSI地表温度的空间分布准确,结果精度也较高。与实测温度对比,平均误差为1.74K,均方根误差小于1.9K。研究区域与MODIS地表温度间差异平均为2.6307K。虽然会受云检测精度和观测亮温偏高的影响,由MERSI反演的高精度地表温度在相关科研和业务方面仍然具有极好的应用前景。