敦煌戈壁地表反射率光谱的旋翼无人机测量及定标评估

利用敦煌中国遥感卫星辐射校正场的星地同步观测试验,实现对我国在轨气象、海洋、陆地资源、环境减灾、测绘地震、高分、军事等系列卫星光学成像载荷太阳反射波段的绝对辐射定标,是目前的重要手段之一。然而,中国遥感卫星辐射校正场传统的地表反射率光谱星地同步测量方法是基于汽车跑场观测,不仅耗费较大的人力物力、容易造成场地破坏,而且获取的测量数据缺乏区域代表性。鉴于此,自2016年起,在敦煌星地同步观测试验中以旋翼无人机低空同步测量为主,跑场测量为辅,完成从航线设计、航高选择、仪器参数配置、采样策略、航空数据处理的全链路摸底测试。多次飞行试验表明,采用多旋翼无人机低空飞行来代替汽车跑场同步测量,不仅提高了地表反射特性测量的空间一致性和代表性,还提高了地表反射率光谱的测量效率,也对宝贵的中国遥感卫星辐射校正场敦煌戈壁场区地表进行了有效保护,极大的节约了人力物力成本。通过传统跑场测量和航飞测量的地表反射率光谱数据对比分析,发现多次测量数据的均值一致性较好,并且航飞测量的数据标准差更小。利用TERRA MODIS的同步观测来对无人机测量数据开展辐射定标评估,结果表明航飞数据的相对偏差均在5%以内,可以代替跑场数据完成定标,精度满足要求。随着无人机性能的进一步优化和提高,在不久的将来必将得到更加广泛和深入的应用,在外场定标试验领域也将发挥更大更重要的作用。

青藏高原典型沙地地表反射率光谱特征与星地验证

测量地表反射率对研究地物光谱特征以及卫星地表产品检验具有重要意义。利用地物光谱仪获得青藏高原阿里地区的沙地地表反射率,并研究分析其典型光谱特征。针对Terra和Aqua卫星的中分辨率成像光谱仪(MODIS)的地表反射率产品(MOD09/MYD09)和地表反照率产品(MCD43 A4)开展真实性检验和误差影响分析。结果表明,阿里地区戈壁具有典型沙地光谱特征,各波段的地表反射率数值在0.08~0.35之间,在300~700 nm光谱范围的地表反射率随波长增大而增加,而在750~1750 nm光谱范围的地表反射率变化较小。与我国敦煌辐射校正场的沙地反射率相比,光谱曲线相似度很高,光谱夹角为2.18°。星地对比的结果受观测几何和大气光照条件的影响,下午星Aqua产品验证效果优于上午星Terra,平均误差约为5%,这与MODIS官方标称的精度相一致。研究表明,阿里地区沙地的光谱特征稳定且有代表性,是我国光学卫星在轨辐射定标和检验的理想场地。

基于HJ-1-CCD数据的地表反射率反演与验证

环境一号卫星CCD相机(HJ-1-CCD)30m的空间分辨率在地物识别中具有潜在优势,然而由于缺少短波红外通道,利用暗像元法反演地表反射率较为困难。基于北京与珠三角地区的地物光谱试验,获得暗像元的植被指数与红、蓝波段反射率比值,构建基于辐射传输模型的大气校正算法。为了验证算法精度,将北京地区卫星反演值与实测的草坪、水体、沥青、水泥等光谱数据,以及居民区、建筑物等模拟数据进行对比分析,表明红、蓝波段反演的相对误差分别控制在38.7%和37.2%以内。通过与MODIS地表反射率标准产品对比,当反射率较小时红、蓝波段的相关性R2分别达到0.809 4和0.723 9;环境星CCD数据能有效减弱混合像元影响,对水泥、建筑物等亮目标的反演精度高于MODIS产品。

不同地形校正模型计算地形复杂山区地表反射率的对比

地表反射率对定量遥感有重要意义,其在复杂地形区会受到地形条件影响。地形校正可以减小或消除山区遥感影像中地形因素影响。以梵净山区为研究区,利用Landsat-5 TM影像、DEM及坡度、坡向数据,采用10种地形校正模型进行比较实验,以发现其在反演地表反射率时存在的问题,并为选择适合地形复杂山区地表反射率反演的地形校正模型及相关研究提供参考。结果显示:1.SCS+C、Minnaert、b、Teillet-回归、VECA、C模型地形校正效果较好,可用于反演山区的地表反射率,但是当坡度为0°时,Minnaert、Teillet-回归、VECA模型存在问题;2.Cosine-b、Cosine、SCS和Cosine-C模型存在过度校正现象,Cosine和SCS模型甚至可能出现反射率大于1的异常值,不宜选择;3.在通过采样获得经验参数的情况下,Minnaert模型对样点选取较为敏感,而SCS+C和b模型对样点选取的敏感性较低。在较大范围的地形复杂山区反演地表反射率时,SCS+C和b模型更合适。此外,从DEM数据、大气校正模型、地表覆被类型方面分别探讨了其对地表反射率的影响并提出了改进建议。

基于冠层辐射传输模型的地表反射率光谱重建方法

针对基于多光谱数据有限光谱信息重建地表反射率光谱的病态求解难题,提出一种基于冠层辐射传输物理机理并充分考虑像元异质性的地表反射率光谱重建方法,该方法假设混合像元由植被和土壤两种地物类型组成,利用冠层辐射传输模型构造端元光谱查找表,进而通过组分比例因子估算实现基于多光谱图像的高光谱地表反射率模拟。以Landsat ETM＋多光谱图像为例的地表反射率超光谱重建验证实验结果表明,模拟的反射率光谱能够较好的反映不同地物特征信息。进一步地,利用模拟的地表反射率拟合Landsat ETM＋图像和MODIS图像,各波段模拟图像与实际观测图像之间具有较高的相关系数（Landsat：0.90-0.99,MODIS：0.74-0.85）,进一步验证了该方法的可行性。

青藏高原地表反射率变化对东亚夏季风影响的数值试验

本文通过两组数值试验的对比分析，说明当青藏高原主体范围内的地表反射率增大时将造成东亚夏季风减弱，表现在东亚陆地上的海平面气压升高，从春到夏地面南风北上缓慢，对流层上层东风急流建立推迟，中国东部季风降水减少。

GF-4/PMS与GF-1/WFV两种传感器地表反射率及NDVI一致性分析

2015年12月中国成功发射高分系列中首颗地球静止轨道卫星高分四号(GF-4),实现与高分一号(GF-1)近极地轨道卫星的优势互补,构成了具有多种空间和时间分辨率的对地观测体系。该文研究并分析了GF-4/PMS与GF-1/WFV地表反射率与NDVI的一致性,结果表明:一致性研究的最优空间尺度为50 m;GF-4/PMS与GF-1/WFV地表反射率存在较好的线性关系,各波段相关系数R均在0.7以上,传感器之间反射率的系统性偏差可以通过线性回归模型校正,校正后各波段反射率的RMSE明显降低;NDVI能够消除不同波段地表反射率"同增同减"偏差的影响,在GF-4地表反射率校正前后均表现出与GF-1较好的一致性,校正前后相关系数R分别为0.74和0.77。因此,GF-4在农业和植被遥感中具有较好的高分系列数据延续性和应用潜力。

土壤湿度和地表反射率变化对中国北方气候影响的数值研究

本文利用ＯＳＵ两层大气环流模式来考察土壤湿度和地表反射率变化对中国北方气候的影响。在（３０—４６°Ｎ，９０—１２０°Ｅ）的区域上进行了３个试验，结果表明干土壤对我国东部季风区和西部非季风区有不同的影响特征。高反射率造成降水减少。并指出地表过程的作用可能是经常发生在华北的春夏连旱现象的重要原因之一。

黑河实验区地表反射率与植被指数的季节变化

本文利用NOAA10/11AVHRR资料得到了黑河实验区1,4,8,10月地表反射率与植被指数的分布图,并讨论了不同下垫面地表反射率与植被指数的季节变化特征。在方法中,重点讨论了反射辐射各向异性的订正问题。结果表明:实验区各种下垫面的地表反射率均有明显的季节变化,其图象能很好地反映各季地表反射率的空间分布状况。夏季,由于沙漠,戈壁与农田的植被指数有明显差别,植被指数分布图对复杂下垫面的特征有很好的显示能力。冬季,由于农田的植被指数降至与沙漠接近,其分布图对下垫面的分辨能力较差。

黑河实验区的地表反射率与植被指数

本文利用1988年9月黑河地区地气相互作用观测实验研究预试验期NOAA-AVHRR资料讨论了从晴天行星反射率推算地表反射率的方法,分析了与水、热收支有密切关系的下垫面参数——地表反射率与植被指数的分布特征及它们之间的经验关系。

三维城市地表反射率计算模式

地表反射率是控制地表能量平衡的一个重要参数。城市建筑物的分布具有较大的不均一性,这不仅给地基观测城市地表反射率带来了很大困难,数值模拟城市地表反射率也是非常困难的。作者开发了一个三维城市地表反射率模式city_photo,该方法结合了蒙特卡洛方法和几何光学方法的优点,具有较高的精度和较快的计算速度。通过引入城市地图的概念,该模式能够计算具有不同结构的城市的地表反射率。2002至2004年晴空MODIS（MODerate Resolution Imaging Spectroradiometer,中分辨率成像光谱辐射计）1-7通道可见光和近红外通道地表反射率资料被用来检验模式的有效性,位于北京朝阳区的中国科学院大气物理研究所的AERONET站点观测得到气溶胶光学特性和水汽资料,6S（Second Simulation of Satellite Signal in the Solar Spectrum）大气辐射传输模式被用来对其进行大气订正。模式计算的北京城市地表反射率个例与MODIS 7个通道地表反射率观测结果具有很高的相关性,相关系数在0.80-0.93之间,说明模式能够较好地模拟城市地表反射率随太阳和观测角度的变化情况。最后讨论了城市结构对城市地表反射率的影响。

黑河实验区若干下垫面总辐射、地表反射率与太阳高度角的关系

本文利用1991年“黑河实验”期张掖、化音、沙漠站1月、4月、8月、10月太阳辐射观测资料,分析了晴天总辐射、地表反射率与太阳高度角的关系,得到了不同下垫面、不同季节的地表反射率与太阳高度角的函数关系及各站晴天总辐射与太阳高度角的函数关系的拟合公式,并讨论了这种关系在利用卫星观测资料反演地表反射率中的应用。

用NOAA/AVHRR探测地表反射率和NDVI的订正及误差分析

NOAA/AVHRR反射率和标准化差值植被指数 (NDVI)资料在气象、水文等领域都有广泛的应用。但因为地表双向反射和大气对可见光和近红外辐射的影响 ,即使在地表没有变化的情况下 ,卫星探测到的反射率和NDVI也有很大的变化。在除云处理和NOAA 1 4 /AVHRR衰减校准的基础上 ,利用 6S模式对NOAA 1 4 /AVHRR可见光和近红外反射率及NDVI资料进行了大气订正 ,并利用Roujean和Rahman模式在大气订正后进行了双向反射订正。大气订正使可见光反射率减小 3 .34(反射率单位 ) ,近红外反射率增加 3 .43(反射率单位 ) ,NDVI增加了 0 .2 2 ,分别占各自平均值的 78.2 % ,1 5 .9% ,35 .5 %。双向反射订正对NDVI的绝对值影响不大 ,但消除了反射率和NDVI的不规则变化 ,订正后能够较好地反映森林植被的物候效应。对各订正参数进行了误差分析 。

青藏高原地区地表及行星反射率

文章讨论了利用ＩＳＣＣＰ卫星观测资料确定青藏高原地区地表反射率方法。在无积雪地区和季节，地表反射率可ＩＳＣＣＰ可见光反射率为基础，在模式计算过程中，假定紫外反射率以及红外与可见光反射率的比值分别为常数。敏感性试验表明，由这两个假设所产生的误差并不显著。在有积雪地区或季节，地表平均反射率可直接由ＩＳＣＣＰ可见光反射率表示。试验结果与地面实际观测作了比较，除沙漠区外，两者比较一致。文中还计算了高原晴天行星反射率，经与ＥＲＢＥ卫星观测比较，发现从５月至９月高原周围沙漠区气溶胶对辐射平衡有较显著的影响，而在其它月份，气溶胶的影响可忽略，模式计算结果与ＥＲＢＥ观测大体一致。

新型Landsat8卫星影像的反射率和地表温度反演

Landsat 8卫星自2013年2月发射以来,其影像的定标参数经过了不断调整和完善,针对Landsat 8开发的各种算法也相继问世.本文采用最新的参数、算法和引入COST算法建立的大气校正模型,对Landsat 8多光谱和热红外波段进行了处理,反演出它们的反射率和地表温度,并与同日的Landsat 7数据和实测地表温度数据进行了对比.结果表明,现有Landsat 8多光谱数据的定标参数和大气顶部反射率反演算法已有很高的精度,本文引入COST算法建立的Landsat 8大气校正模型也与Landsat 7的COST模型所获得的结果几乎相同,相关系数可高达0.99.但是现有针对Landsat 8提出的地表温度反演算法仍不理想,已提出的劈窗算法误差都较大.鉴于TIRS 11热红外波段的定标参数仍不理想,因此在现阶段建议采用单通道算法单独反演TIRS 10波段来求算地表温度,但要注意根据大气水汽含量的情况选用正确的大气参数计算公式.

敦煌辐射校正场地表反射率稳定性分析

辐照度基法确定卫星各波段的定标系数时，要求精确测量辐射定标场的地表反射率和漫射辐射度与总辐射度的比值。中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室分别于2013年6～8月及2014年8月期间，协同其他单位在敦煌校正场运用辐照度基法进行场地辐射定标，实测过程中使用ASD、SVC光谱辐射计，运用野外参考板反射率因子法确定敦煌校正场的地表反射率。详细阐述地表反射率测量方式及数据处理方法，根据实地观测数据，分析当前场区的地表反射率并与历史数据相互比对。结果显示，敦煌校正场地表反射率在时间和空间上均保持良好的稳定性。

青藏高原地表反射率卫星反演资料的评估

该文重点介绍了ＩＳＣＣＰ资料中的地表可见光反射率资料及ＬｉＺｈａｎｑｉｎｇ等用参数化反演模式从ＥＲＢＥ宽带行星反射率得到的地表反射率资料。我们选择青藏高原及其邻近地区为目标区，结合高原野外地面观测资料对它们进行了比较和评估，分析了误差的可能原因，并提出了反演青藏高原地表反射率时应注意的问题。

基于统计的MODIS地表反射率简单估算方法

利用NASA-ESE提供的大气校正算法对EOS／MODIS进行计算,得到CH1-7的地面反射率,再与MODIS所接收到的大气上界反射率数据进行比较,参考野外实测得到的大气光学特性和地面反射率数据,提出一种基于统计方法的MODIS前7个通道的大气校正方法。

利用Landsat-8 OLI反演大气气溶胶的可见光谱段地表反射率估算

准确估算地表反射率的贡献一直是遥感反演大气气溶胶光学厚度过程中的重点和难点。为了促进Landsat-8OLI传感器在地表参数定量化特别是大气遥感领域的应用,本文提出一种利用OLI 1.6μm、2.2μm短波红外谱段数据估算遥感影像可见光地表反射率的方法。该方法依托于MOD04产品地表反射率估算模式,通过光谱归一化和构建新的短波红外植被指数等过程,建立OLI地表反射率估算模式,通过误差分析发现该模式能够有效地降低由于传感器光谱响应不同对估算结果的影响,对应用在OLI遥感影像的计算结果与同时间同区域MOD04产品地表反射率进行比较,表明其结果有较高的相关性和可靠性。

大气CO_2反演的地表反射率影响分析与比值反演方法

近红外波段空基大气CO2反演是一个病态问题,地表特征的不确定性是其重要的影响因素之一。针对大气CO2高精度反演的需求,研究了地表反射率两大不确定性因素对大气CO2反演的影响程度,提出了比值光谱法对这种影响进行校正。比值光谱法中CO2无吸收通道(off-line)的选择至关重要,通过比较和分析多种off-line通道的选择方法,发现多通道多点平均法因多数据平均可降低随机误差的优势,获得的off-line通道对应的反演精度最高,而且离散程度也小。比值光谱法结合多通道多点平均法选取出的off-line通道对地表反射率的不确定性影响有明显的校正效果,有利于大气CO2反演精度的提高。