遙感反演課程-反照率

1、第四章地表反照率遙感,http://glass.bnu.edu.cn,授課人：劉 強(qiáng)Email：toliuqiang@bnu.edu.cn研究領(lǐng)域：多角度遙感模型與反演,1,典型陸表及大氣參數(shù)的遙感反演與模擬,課程回顧,第一章 定量遙感基礎(chǔ)1.1 物理基礎(chǔ)電磁波描述參量的定義地物反射的波譜和方向特性1.2 輻射傳輸理論典型地表的二向反射模型 第二章：葉片及植被冠層模型 第三章：熱輻射方向性模型,2,5,本章提綱,

2、地表反照率的研究意義,反照率的計(jì)算和決定因素,全球反照率產(chǎn)品及其特點(diǎn),地表反照率研究展望,1,2,4,《課間休息》,常見的地表反照率遙感算法,3,3,第四章：地表反照率遙感,1. 地表反照率的研究意義,4,1.1 什么是反照率？,反照率通常是指物體反射太陽輻射與該物體表面接收太陽總輻射的兩者比率或分?jǐn)?shù)度量，也就是指反射輻射與入射總輻射的比值。(維基百科),5,反照率表,1.1 什么是反照率？,天文學(xué)：行星反射率,它包括地面、云和各種大氣

3、成分對(duì)太陽輻射的反射能力及其總和氣候?qū)W：物體對(duì)太陽輻射的反射能力，因光線的入射角和波長而不同，氣候?qū)W研究的是太陽輻射的全波段遙感科學(xué)：寬波段反照率、窄波段反照率、直射（黑空）反照率、漫射（白空）反照率單次散射反照率：（輻射傳輸方程中）微粒對(duì)光線散射的反射部分與反射與吸收之和的比值,不同學(xué)科中的反照率,6,1.1 什么是反照率？,約有30％的太陽輻射能被地-氣系統(tǒng)反射回太空,其中三分之二是云反射的，其余部分則被地面反射和被各種大氣成

4、分所散射而冰和雪的覆蓋狀況能引起反射率顯著變化。例如，陸地被雪覆蓋或洋面結(jié)冰時(shí),將使其反射率增大30～40％,新雪面更可使反射率增大60％左右。陸面、土壤的性質(zhì)和植被類型不同,也能使反射率改變,但這些差異一般不超過10～20％。,反照率是地-氣系統(tǒng)的不確定因子,7,1.2 地表反照率和全球變化,全球變化的驅(qū)動(dòng)因子,8,,,,地表反照率,1.2 地表反照率和全球變化,地表反照率的增加，會(huì)導(dǎo)致凈輻射的減小，感熱通量和潛熱通量減少，進(jìn)而造

5、成大氣輻合上升減弱，云和降水減少，土壤濕度減小，使得地表反照率增加，形成一個(gè)正反饋過程冰雪-反射率-溫度之間存在“正反饋過程”,即冰雪的覆蓋增大地表的反照率，使地-氣系統(tǒng)吸收的輻射減少,從而降低氣溫，而降溫又將進(jìn)一步使冰雪面積擴(kuò)展，反照率繼續(xù)增大，造成溫度越來越低極地海冰融化造成反照率的增加，從而更多的吸收太陽輻射，氣溫升高，加速海冰的融化,地表反照率對(duì)氣候變化的反饋機(jī)制,9,1.2 地表反照率和全球變化,Snow,10,April

6、: Uniform white surface,July: Variegated darker surface,10,Data from Scanning Multichannel Microwave Radiometer (SMMR) on NASA’s Nimbus 7 satellite and from Special Sensor Microwave Imagers (SSMI) on Defense Meteorologic

7、al Satellites.Plot credit: Claire Parkinson, et al., J. Geophys. Res., 1999.,1.2 地表反照率和全球變化,N. Hemisphere Monthly-Average Sea Ice Extent,11,1.2 地表反照率和全球變化,Muir Glacier near Juneau in SE Alaska retreated more than 7 km f

8、rom 1973 to 1986. By 1986, Burroughs Glacier (A), cut off from its source of ice, was collapsing into a melting ice field.,1973,1986,12,2. 反照率的計(jì)算和決定因素,13,,,,,,地物波譜特性,地物的二向反射,大氣輻射傳輸,地表二向反射因子的在角度維和波長維積分的結(jié)果。,地表寬波段反照率,,,

9、2.1 地表反照率的計(jì)算,14,2.2 地表的波譜特性和特點(diǎn),典型的植被、土壤、水體、冰雪光譜,15,2.2 地表的波譜特性和特點(diǎn),反照率的波長積分,寬波段反照率,入射輻射,波譜反照率,,,,,地表寬波段反照率是在一定波長范圍內(nèi)的地表上行輻射通量與下行輻射通量的比值,16,短波反照率：可見光反照率：近紅外反照率：,2.2 地表的波譜特性和特點(diǎn),大氣下行輻射的波譜分布規(guī)律地物波譜在不同波段的自相關(guān)性主成分分析表明連續(xù)的

10、地物波譜的絕大部分信息都可以由少數(shù)幾個(gè)主成分表達(dá)經(jīng)過挑選的若干特征窄波段反射率基本就能反映出整個(gè)波譜曲線的形狀，因而能夠用于估算寬波段反照率,窄波段反照率向?qū)挷ǘ畏凑章实霓D(zhuǎn)換及其原理,,,,,轉(zhuǎn)換公式,17,2.3 地表的二向反射特性,地表的二向反射現(xiàn)象和定義,,理想光滑表面的反射是鏡面反射，理想粗糙表面的反射是漫反射（朗伯反射），而自然地表往往既不滿足鏡面反射也不滿足漫反射的條件。二向反射的概念是指物體表面反射光線的能力與入射和反

11、射光線的方向有關(guān)，二向性反射分布函數(shù)（Bidirectional Reflectance Distribution Function, BRDF）定義如下（Nicodemus，1997）：,,它是光線入射方向、反射方向和波長的函數(shù)，是基于微分面元和微分立體角定義的。,18,2.3 地表的二向反射特性,地表的二向反射的基本物理過程,19,2.3 地表的二向反射特性,BRDF的簡化替代量——BRF（二向反射因子）,BRF是最接近BRDF的

12、可測(cè)量物理量，其定義為直射光入射條件下，某一觀測(cè)方向上目標(biāo)反射的輻射亮度與假定該目標(biāo)被一理想漫反射表面代替時(shí)反射的輻射亮度之間的比值。,,BRDF,BRF,20,2.3 地表的二向反射特性,二向反射的其他圖示方法,,(S Sandmeier er al., 1998),,在主平面上顯示的植被冠層的二向反射特點(diǎn),遙感中常用的二向反射圖示方法還有兩種：,21,2.3 地表的二向反射特性,反映地表的二向反射的照片,Photograph by

13、 Don Deering,22,2.3 地表的二向反射特性,反映地表的二向反射的照片,Photograph by Don Deering,23,2.3 地表的二向反射特性,反映地表的二向反射的照片,Photograph by Don Deering,24,2.3 地表的二向反射特性,二向反射分布函數(shù)方向-半球反射率（DHR）漫射半球-半球反射率（BHR_diff）半球-半球反射率（BHR）,窄波段地表反照率和二向反射的關(guān)

14、系,,,,,,25,2.3 地表的二向反射特性,,,,,,黑空、白空還有藍(lán)空反照率,黑空反照率,藍(lán)空反照率,黑空反照率 = 方向-半球反射率（DHR）白空反照率 = 漫射半球-半球反射率（BHR_diff）藍(lán)空反照率（也稱 真實(shí)反照率，表觀反照率） = 半球-半球反射率（BHR）,26,2.4 大氣對(duì)地表反照率的影響,黑空、白空還有藍(lán)空反照率,,窄波段的黑空反照率與白空反照率由地表BRDF積分得出，與大氣狀態(tài)無關(guān)真實(shí)反照率（藍(lán)空

15、反照率）近似等于黑空反照率與白空反照率的加權(quán)組合，權(quán)重因子為天空散射光占太陽總輻射的比例不同的大氣狀況和太陽角決定了天空散射光的比例，因此從一定程度上影響地表的真實(shí)反照率,,27,2.4 大氣對(duì)地表反照率的影響,晴空的大氣層頂反射率與地表反照率之間有確定的函數(shù)關(guān)系，氣溶膠和水汽是主要變化因子有云的情況下，大氣層頂反照率主要受云影響，數(shù)值通常高于晴空反照率,大氣層頂反照率和地表反照率的關(guān)系,,大氣層頂方向反射率,地表白空反照率

16、,地表二向反射率,28,2.4 大氣對(duì)地表反照率的影響,波譜反照率向?qū)挷ǘ畏凑章兽D(zhuǎn)換的過程,大氣下界的太陽輻射是波譜反照率向?qū)挷ǘ畏凑章兽D(zhuǎn)換的權(quán)重函數(shù)，該參數(shù)受到大氣狀態(tài)的影響。,29,思考題,30,3. 常見的地表反照率反演算法,31,3. 常見的地表反照率反演算法,反照率遙感反演算法的分類按照傳感器分類極軌衛(wèi)星： MODIS、MISR、MERIS、CERES、POLDER、VEGETATION、NPP-VIIRS靜止衛(wèi)星

17、： MSG、GOESR-ABI高分辨率衛(wèi)星：TM、ETM、HJ-CCD按照算法原理和流程分類基于BRDF模型反演的算法（多角度）直接反演算法（單一角度）地表反射率大氣層頂反射率地表-大氣參數(shù)聯(lián)合優(yōu)化算法（多時(shí)相）,32,3.1 基于朗伯假定的反照率算法,主要關(guān)注問題：窄波段反射率向?qū)挷ǘ畏凑章兽D(zhuǎn)換的系數(shù),,,適用范圍：通常是高分辨率數(shù)據(jù),高分辨率遙感數(shù)據(jù)的定標(biāo)與大氣校正,忽略問題：地表的二向反射特性忽略的原因：高分

18、辨率圖像一般只有一個(gè)觀測(cè)角度往往是接近垂直觀測(cè)的，角度變化小地表異質(zhì)性和波譜特性是決定地表反照率的最主要因素,33,3.2 基于BRDF模型反演的反照率算法,以Ambrals算法為例：算法基本流程,34,,3.2 基于BRDF模型反演的反照率算法,氣溶膠參數(shù)的獲取通常用暗目標(biāo)法，在高反射地表不適用水汽參數(shù)的獲取使用了MODIS水汽通道的特性，精度較高，但是對(duì)于其他傳感器就很難達(dá)到高精度云、雪識(shí)別問題很多，常常不能識(shí)別薄云，

19、難以區(qū)分云和雪，難以處理云的陰影,大氣校正及其中存在的問題,35,3.2 基于BRDF模型反演的反照率算法,物理模型：比較復(fù)雜，反演難度大，效果不好經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停篗innaert 模型Shibayama模型Walthall模型改進(jìn)的Walthall模型半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停篟PV模型、核驅(qū)動(dòng)模型,地表的二向反射模型的分類,,,,,,,,36,3.2 基于BRDF模型反演的反照率算法,表面散散核（幾何光學(xué)）LiSparse和LiSpa

20、rseR核LiDense核LiTransit核Roujean 幾何核,體散射核（輻射傳輸）RossThick核RossThin核RossHotspot核,核驅(qū)動(dòng)模型簡介,,37,核函數(shù)（已知函數(shù)）,核系數(shù)（未知數(shù)）,核驅(qū)動(dòng)模型的優(yōu)點(diǎn)：未知參數(shù)少線性模型，避免了非線性反演核函數(shù)具有一定物理含義對(duì)混合像元BRDF的擬合能力強(qiáng),幾何光學(xué)核,體散射核,3.2 基于BRDF模型反演的反照率算法,核驅(qū)動(dòng)模型對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的擬合能

21、力,,不同太陽天頂角的RossThick核與LiSparseR核在主平面和垂直主平面的函數(shù)值。,38,RossThick碗形核,LiSparsR丘形核,RossThick核與不同的幾何光學(xué)核組合對(duì)BRDF觀測(cè)數(shù)據(jù)的擬合效果（觀測(cè)目標(biāo)為翻耕的裸土，觀測(cè)平面為主平面）。,Pokrovsky, O. 2003. Land surface albedo retrieval via kernel-based BRDF modeling: I.

22、 Statistical inversion method and model comparison. Remote Sensing of Environment 84, no. 1: 100-119.,3.2 基于BRDF模型反演的反照率算法,核驅(qū)動(dòng)模型對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的擬合能力,,39,Bicheron & Leroy, 2000, BRDF signatures of major biomes observed from spa

23、ce. Journal of Geophysical Research,3.2 基于BRDF模型反演的反照率算法,核函數(shù)的選取目前使用最多的是RossThick 與LiSparseR的組合稱為RTLSR模型。核系數(shù)的反演,40,核驅(qū)動(dòng)模型的反演,,n個(gè)方程，3個(gè)未知數(shù)n>=7, Full inversionn < 7, Magnitude inversion,,,解方程采用（約束或無約束的）線性最小二乘法,3.

24、2 基于BRDF模型反演的反照率算法,模型核驅(qū)動(dòng)模型被認(rèn)為具有很強(qiáng)的擬合能力，能夠適用于全球大部分地表但是現(xiàn)有的核主要都針對(duì)植被-土壤體系設(shè)計(jì)，對(duì)冰雪等前向散射地表不能很好刻畫病態(tài)反演問題因?yàn)樘鞖獾雀蓴_因素，常出現(xiàn)16天的合成時(shí)段內(nèi)不足7次有效觀測(cè)的情況即使n>=7，由于方程系數(shù)的相關(guān)性，仍然可能出現(xiàn)反演不穩(wěn)定的現(xiàn)象,BRDF模型反演及其中存在的問題,,41,Fang（2007）等人對(duì)北美地區(qū)2000-2004年MCD4

25、3B3做了統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，由于受到云覆蓋影響僅31.3%的像元得到了完全反演（Full inversion），13.3%的像元沒有反照率值，而剩下的55.4%像元反照率則是通過備用算法（Backup algorithm）反演得到的。,3.2 基于BRDF模型反演的反照率算法,BRDF的積分與核的積分因?yàn)楹蓑?qū)動(dòng)模型為核函數(shù)的線性組合，所以BRDF的積分可以轉(zhuǎn)化為先給核函數(shù)積分，再進(jìn)行組合，而核函數(shù)的積分是可以預(yù)先計(jì)算好的，因此節(jié)省了計(jì)算時(shí)間。

26、以黑空反照率為例，公式為：,窄波段反照率的計(jì)算,,,42,3.2 基于BRDF模型反演的反照率算法,BSA的計(jì)算BSA是太陽天頂角的函數(shù)，算法給出任意太陽角的BSA計(jì)算公式也給出對(duì)應(yīng)于局地正午太陽角的BSA值,窄波段反照率的計(jì)算,,43,3.2 基于BRDF模型反演的反照率算法,WSA的計(jì)算真實(shí)反照率的計(jì)算存在的問題觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的太陽角比較單一，用這樣的數(shù)據(jù)反演的BRDF模型在預(yù)測(cè)WSA或其他太陽角度下的B

27、SA會(huì)出現(xiàn)較大誤差，即對(duì)反照率的日變化不能很好刻畫。,窄波段反照率的計(jì)算,,,,44,3.2 基于BRDF模型反演的反照率算法,非雪地表雪地表其他轉(zhuǎn)換系數(shù)（Liang et al., 1999）,窄波段反照率向?qū)挷ǘ畏凑章实霓D(zhuǎn)換,,不同地表或者不同版本的轉(zhuǎn)換系數(shù)有明顯的差異,45,思考題答案,46,思考題,47,3.3 GLASS反照率算法,隨著國家政治經(jīng)濟(jì)地位的提升以及全球氣候變化問題日益突出，我們科學(xué)研究的視野也從全國轉(zhuǎn)向全

28、球國家863重點(diǎn)項(xiàng)目“全球陸表特征參量產(chǎn)品生成與應(yīng)用研究”于2009年底開始實(shí)施，計(jì)劃開發(fā)5個(gè)特征參量的全球產(chǎn)品1985年-1999年全球陸表、每天、5km分辨率2000年-2010年全球陸表、每天、1km分辨率長時(shí)間序列以及高時(shí)間分辨率對(duì)積雪地表以及降雪過程導(dǎo)致的反照率變化有更好的反映把已有的全球反照率產(chǎn)品融合到GLASS_Albedo產(chǎn)品中來填充缺失數(shù)據(jù)，做到時(shí)間、空間連續(xù)一致,產(chǎn)品形態(tài)：,預(yù)期創(chuàng)新點(diǎn)：,GLA

29、SS項(xiàng)目背景,48,3.3 GLASS反照率算法,前人工作——基于大氣層頂反射率的直接反演反照率算法,Liang et al. 2003基于大氣輻射傳輸模擬，提出基于大氣層頂反射率的直接反演反照率算法，使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演Liang et al. 2005耦合冰雪地表二向反射模擬和大氣輻射傳輸模擬，提出angular bin算法解決非朗伯問題Cui et al. 2009采用POLDER的BRDF數(shù)據(jù)庫建立了地表窄波段二向反

30、射率和地表寬波段反照率之間的統(tǒng)計(jì)回歸關(guān)系,49,3.3 GLASS反照率算法,基于MODIS數(shù)據(jù)的GLASS反照率產(chǎn)品算法分解為3個(gè)模塊：,AngularBin1（AB1）：輸入MODIS每日大氣校正產(chǎn)品，進(jìn)行分網(wǎng)格的線性回歸。得到反照率初級(jí)產(chǎn)品1。AngularBin2（AB2）：輸入MODIS每日大氣層頂表觀反射率， 進(jìn)行分網(wǎng)格的線性回歸。得到反照率初級(jí)產(chǎn)品2。AlbedoSynthesis（AS）：對(duì)不同算法的結(jié)果取長補(bǔ)短，并

31、開展時(shí)間序列濾波填補(bǔ)其空缺數(shù)據(jù)。得到最終的反照率合成產(chǎn)品。,算法分解,50,3.3 GLASS反照率算法,主要算法 Angular Bin（包括AB1、AB2）,Angular Bin 算法是在（Liang S, 2005）研究中提出的一種直接反演算法，使用單一角度的地表或大氣層頂方向反射率直接反演反照率，避免了復(fù)雜的反演流程，有利于業(yè)務(wù)化生產(chǎn)且具有較高時(shí)間分辨率。算法原理： AB1：對(duì)太陽/觀測(cè)角度空間網(wǎng)格化，認(rèn)為每一個(gè)網(wǎng)格上存

32、在方向反射率與反照率的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，通過分析POLDER-BRDF訓(xùn)練數(shù)據(jù)集提取線性回歸系數(shù)，然后轉(zhuǎn)換到MODIS波段。 AB2：進(jìn)一步增加大氣輻射傳輸模擬，考慮不同的氣溶膠參數(shù)，模擬出大氣層頂反射率，分網(wǎng)格直接建立大氣層頂反射率與地表反照率的線性回歸關(guān)系。,51,3.3 GLASS反照率算法（AB1）,基于MODIS地表反射率的反照率反演（AB1）,算法特色： 使用單一角度的地表方向反射率反演反照率，用網(wǎng)格化的方法進(jìn)行地表非朗

33、伯效應(yīng)訂正。算法原理： 對(duì)太陽/觀測(cè)角度空間網(wǎng)格化，認(rèn)為每一個(gè)網(wǎng)格上存在方向反射率與反照率的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，通過分析POLDER-BRDF訓(xùn)練數(shù)據(jù)集提取線性回歸系數(shù)，然后轉(zhuǎn)換到MODIS波段。輸入： MODIS每日大氣校正產(chǎn)品（MOD09GA1、MYD09GA1）輸出： 反照率初級(jí)產(chǎn)品1（每日無云像元的寬波段黑空、白空反照率）,52,3.3 GLASS反照率算法（AB1）,AngularBin1

34、 (AB1)算法技術(shù)路線：,分網(wǎng)格的反照率回歸系數(shù)查找表,,,建立查找表,使用查找表,53,3.3 GLASS反照率算法（AB1）,訓(xùn)練數(shù)據(jù)的來源：POLDER-BRDF數(shù)據(jù)集從POLDER 3傳感器全球數(shù)據(jù)中提取，經(jīng)過去云和大氣校正，6公里分辨率，選取典型均勻像元，2005-2006年每月觀測(cè)數(shù)據(jù)的集合。法國POSTEL Service Centre 提供。剔除POLDER-BRDF數(shù)據(jù)集中模型不能解釋的數(shù)據(jù)：判斷

35、準(zhǔn)則： 模型擬合殘差大于一定閾值，或者觀測(cè)數(shù)太少， 或者角度分布不理想。結(jié)果：共有13227個(gè)數(shù)據(jù)集，剔除4203個(gè)，還剩9024個(gè),一個(gè)理想POLDER BRDF數(shù)據(jù)集的角度分布(brdf_ndvi03.1261_3705.dat),54,3.3 GLASS反照率算法（AB1）,用模型擬合POLDER-BRDF數(shù)據(jù)：POLDER-L3算法中選用核驅(qū)動(dòng)模型描述地表BRDF，其中的核函數(shù)為Li-sparsR和修

36、改后的Ross-thick（以下稱為RossHotspot）,這也是我們的模型基礎(chǔ)。 現(xiàn)有核驅(qū)動(dòng)模型用于冰雪效果不好原因是冰雪存在強(qiáng)烈的前向散射，因此基于RPV模型(Rahman, Pinty & Verstraete model)，設(shè)置特定參數(shù)后作為前向散射核，把核驅(qū)動(dòng)模型擴(kuò)展成為4個(gè)核函數(shù)的模型。,用不同核函數(shù)組合計(jì)算反照率的散點(diǎn)圖,X:Li-sparsR/Ross-thick Y:Li-sparsR

37、/RossHotspot/RPV-forward,RMSE= 0.0142Corr = 0.9973Bias = 0.0059,55,3.3 GLASS反照率算法（AB1）,對(duì)POLDER數(shù)據(jù)簡單分類：分為3個(gè)基本類，分別是植被、裸地、冰雪；并建立2個(gè)分類緩沖區(qū),分類閾值是NDVI>0.2R490>0.3,三類地物在R490-NDVI特征空間的散點(diǎn)圖,分類后訓(xùn)練數(shù)據(jù)集的組成方式:“植被”數(shù)據(jù)集：

38、 純植被+緩沖1 共 5873組“裸地”數(shù)據(jù)集： 純裸地+緩沖1+緩沖2共3660組“冰雪”數(shù)據(jù)集： 純冰雪+緩沖2共750組,緩沖區(qū)閾值是0.15<NDVI<0.220.25<R490<0.4,56,3.3 GLASS反照率算法（AB1）,POLDER波段向MODIS波段轉(zhuǎn)換：方法：基于地面測(cè)量光譜數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)知識(shí)建立波段間轉(zhuǎn)換的線性回歸關(guān)系數(shù)

39、據(jù)：《定量遙感》書所附119條，“我國典型地物標(biāo)準(zhǔn)波普數(shù)據(jù)庫”中 挑選224條，黑河試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)103條，格林蘭采集的47條冰雪波譜MODIS參數(shù)與POLDER參數(shù)的轉(zhuǎn)換公式：RMODIS=C * RPOLDER （反射率通過波段轉(zhuǎn)換系數(shù)轉(zhuǎn)換）KMODIS=C * KPOLDER （核系數(shù)通過波段轉(zhuǎn)換系數(shù)轉(zhuǎn)換）AMODIS=APOLDER （寬波段反照率不轉(zhuǎn)換）,57,3.3

40、 GLASS反照率算法（AB1）,太陽/觀測(cè)角度的網(wǎng)格劃分： 太陽天頂角和觀測(cè)天頂角以2度間隔進(jìn)行劃分，太陽角劃分為41個(gè)間隔(0-80度)，觀測(cè)角劃分為33個(gè)間隔(0-64度) 。相對(duì)方位角采用5度間隔，共計(jì)劃分為40個(gè)間隔(0-180度)。BRDF數(shù)據(jù)插值：,格網(wǎng)劃分示意圖(固定太陽天頂角),在用核驅(qū)動(dòng)模型對(duì)POLDER 數(shù)據(jù)集擬合后，預(yù)測(cè)每一網(wǎng)格中心點(diǎn)的方向反射率，作為標(biāo)準(zhǔn)化的訓(xùn)練數(shù)據(jù)。,58,3.3 GLASS反照率算

41、法（AB1）,建立線性回歸公式：,反照率,回歸系數(shù),地表方向反射率,對(duì)每一類地物的每一個(gè)網(wǎng)格，都需要解算一組回歸系數(shù)ai，構(gòu)成分網(wǎng)格的反照率回歸系數(shù)查找表。,波段和約束條件的設(shè)置：（1）使用所有7個(gè)波段，不加約束；（2）使用所有7個(gè)波段，加約束；（3）使用前4個(gè)波段，不加約束； （4）使用前4個(gè)波段，加約束。 √,結(jié)果穩(wěn)定，效果差別不大,,,結(jié)果不穩(wěn)定，受噪聲影響非常大,回歸方法：考慮約束條件的最小二乘法。,59,3.3 G

42、LASS反照率算法（AB1）,AB1算法產(chǎn)品的誤差評(píng)估：,60,基本誤差 2 =,普遍存在，滿足統(tǒng)計(jì)規(guī)律的誤差,個(gè)別發(fā)生的，不容易估計(jì)的誤差,寫入產(chǎn)品的質(zhì)量標(biāo)志,不寫入產(chǎn)品的質(zhì)量標(biāo)志,擬合訓(xùn)練數(shù)據(jù)殘差 2 +,（MODIS數(shù)據(jù)噪聲*誤差放大系數(shù))2,,,,3.3 GLASS反照率算法（AB1）,AB1算法的優(yōu)點(diǎn)與局限：,優(yōu)點(diǎn)：,61,產(chǎn)品生產(chǎn)流程簡單，計(jì)算速度快，輸入數(shù)據(jù)有保障對(duì)地表狀態(tài)基本沒有做什么假設(shè)，全球地表都

43、適用輸入單景數(shù)據(jù)就能計(jì)算，時(shí)間分辨率高,局限性：,算法本身簡單，對(duì)于不滿足統(tǒng)計(jì)規(guī)律的地表，精度可能降低受限于MODIS云雪檢測(cè)、大氣校正的精度只使用單景數(shù)據(jù)，受各種隨機(jī)因素影響，時(shí)間序列抖動(dòng)很明顯云雪情況往往連續(xù)多天都是云，這種情況下始終無法得到地表信息,3.3 GLASS反照率算法（AB2）,基于MODIS大氣層頂反射率的反照率反演（AB2）,算法特色： 在AB1算法基礎(chǔ)上增加特色：不需要對(duì)MODIS數(shù)據(jù)做大氣校正。

44、算法原理： 在前面介紹的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集的基礎(chǔ)上，增加大氣輻射傳輸模擬，考慮不同的氣溶膠參數(shù)，模擬出大氣層頂反射率，分網(wǎng)格直接建立大氣層頂反射率與地表反照率的線性回歸關(guān)系。輸入： MODIS每日大氣層頂表觀反射率（由1B數(shù)據(jù)經(jīng)投影后生成）MODIS云雪檢測(cè)結(jié)果，MODIS水汽含量（預(yù)處理后生成）輸出： 反照率初級(jí)產(chǎn)品2（每日無云像元的寬波段黑空、白空反照率）,62,3.3 GLASS反照率算法（AB2

45、）,AngularBin2 (AB2) 算法技術(shù)路線圖,63,3.3 GLASS反照率算法（AB2）,考慮地表BRDF效應(yīng)的TOA反射率模擬公式：6S模型參數(shù)設(shè)置,64,3.3 GLASS反照率算法（AS）,65,全球陸表反照率產(chǎn)品缺失情況缺失主要受云影響。另有一些缺失是因?yàn)樗惴ㄎ茨苷_處理冰雪地表。通過多日的合成可以一定程度上減少缺失，但是仍然不完整。缺失主要發(fā)生在：熱帶亞熱帶雨季、極地、冬季、山區(qū)。,20

46、09年1、4、9、11月全球AB1初級(jí)產(chǎn)品簡單合成圖（紫色為缺失數(shù)據(jù)）,3.3 GLASS反照率算法（AS）,時(shí)空連續(xù)地表反照率產(chǎn)品的生成算法（AS）,問題特點(diǎn)與分析：與其他很多參數(shù)不同，地表反照率的時(shí)空變化很難用模型描述，經(jīng)常是隨降雨、降雪等天氣過程發(fā)生突變。相對(duì)于LAI等參數(shù)，地表反照率的遙感反演是比較直接的，精度較高，但是仍然達(dá)不到應(yīng)用對(duì)反照率精度的需求。所以地表反照率的時(shí)空濾波要減少對(duì)模型以及連續(xù)性假設(shè)的依賴，直接從數(shù)據(jù)中

47、提取規(guī)律。算法原理： 從現(xiàn)有MODIS產(chǎn)品（MCD43產(chǎn)品）中統(tǒng)計(jì)每一像元多年時(shí)間變化規(guī)律，成為先驗(yàn)知識(shí)背景場(chǎng)，在貝葉斯理論框架下進(jìn)行反照率時(shí)間序列的平滑和缺失填補(bǔ)。輸入： AB1產(chǎn)品，AB2產(chǎn)品，已有的MCD43產(chǎn)品及其生成的背景場(chǎng)輸出：地表反照率融合產(chǎn)品（時(shí)空無缺失）,66,3.3 GLASS反照率算法（AS）,AlbedoSynthesis(AS) 算法的邏輯流程圖,67,3.3 GLASS反照率算法（AS）,全球先

48、驗(yàn)知識(shí)背景場(chǎng)的統(tǒng)計(jì)：,背景場(chǎng)中統(tǒng)計(jì)的變量：,背景場(chǎng)的時(shí)空分辨率：,空間分辨率5公里，時(shí)間分辨率8天。,對(duì)空間維降尺度方法的特殊說明：,1公里數(shù)據(jù)降尺度到5公里時(shí)，像元幾何位置存在不確定性，另外，不同年份像元的覆蓋類型會(huì)有變化。,指定地點(diǎn)指定時(shí)段MCD43反照率產(chǎn)品的2001-2010年的平均值、方差；與其前后16天內(nèi)反照率產(chǎn)品的協(xié)方差、相關(guān)系數(shù)。,我們認(rèn)為小鄰域內(nèi)不同地表類型的端元存在重新組合的可能，因此降尺度時(shí)從9*9公里的鄰域中隨機(jī)

49、選取5*5個(gè)1公里像元進(jìn)行平均。,一個(gè)像元的10年平均反照率和標(biāo)準(zhǔn)差,68,3.3 GLASS反照率算法（AS）,時(shí)間序列平滑和空缺填補(bǔ)方法：,假設(shè)第k 天反照率和第k+Δk 天的反照率之間存在線性回歸關(guān)系：,回歸系數(shù)以及回歸殘差均通過背景場(chǎng)中的統(tǒng)計(jì)量計(jì)算。,則對(duì)第k天反照率的平滑結(jié)果為：,如果原來沒有第k天反照率值，則上式也給出了空缺填補(bǔ)的結(jié)果。,是歸一化因子,69,3.3 GLASS反照率算法（AS）,AS算法產(chǎn)品的誤差評(píng)估：,基于

50、貝葉斯理論進(jìn)行時(shí)間序列平滑和空缺填補(bǔ)的不確定性估算，其誤差分解為4部分：,用第k+Δk 天觀測(cè)預(yù)測(cè)第k天觀測(cè)的模型誤差經(jīng)過誤差傳遞后的第k+Δk 天觀測(cè)誤差第k 天觀測(cè)誤差第k 天反照率的先驗(yàn)知識(shí)方差,□,□,誤差的估計(jì)是,70,3.3 GLASS反照率算法（AS）,AS算法的優(yōu)點(diǎn)與局限：,優(yōu)點(diǎn)：,不依賴于模型，全部算法基于數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律背景場(chǎng)反映了反照率的時(shí)間、地域差異以及相關(guān)性融合與填補(bǔ)算法是一個(gè)整體，生成的融合產(chǎn)品無空缺

51、,局限性：,目前的背景場(chǎng)僅來自于MCD43產(chǎn)品，將來需要引入其他各種產(chǎn)品背景場(chǎng)僅有10年的數(shù)據(jù)，如何保證統(tǒng)計(jì)結(jié)果的魯棒性還需進(jìn)一步研究時(shí)間序列經(jīng)過平滑后一定程度上降低了反映反照率突變的靈敏度,71,3.4 反照率算法總結(jié),Ambrals算法Full inversion（基于二向反射模型反演）Magnitude inversionGLASS反照率算法直接反演（AB1、AB2）時(shí)空濾波（AS）高空間分辨率圖像的反照率（朗伯假

52、定）靜止衛(wèi)星數(shù)據(jù)（地表與大氣聯(lián)合優(yōu)化）,72,4. 全球反照率產(chǎn)品驗(yàn)證,73,4. 1 全球反照率產(chǎn)品驗(yàn)證的典型文章,典型文章一,Wang, K., S. Liang, C. L. Schaaf, and A. H. Strahler (2010), Evaluation of Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer land surface visible and shortwav

53、e albedo products at FLUXNET sites, J. Geophys. Res., 115, D17107, doi:10.1029/2009JD013101.,直接用臺(tái)站觀測(cè)與衛(wèi)星遙感產(chǎn)品對(duì)比,74,4. 1 全球反照率產(chǎn)品驗(yàn)證的典型文章,例子文章二,Lucht, W., A.H. Hyman, A. H. Strahler, M. J. Barnsley, P. Hobson, and J.-P. Mulle

54、r, A comparison of satellite-derived spectral albedos to ground-based broadband albedo measurements modelled to satellite spatial scale for a semi-desert landscape, Remote Sens. Environ, 74, 85-98, 2000.,通量塔觀測(cè)與反照率表移動(dòng)觀測(cè)相結(jié)

55、合開展了實(shí)驗(yàn)，評(píng)價(jià)站點(diǎn)數(shù)據(jù)的代表性，用高分辨率圖像分類作為尺度轉(zhuǎn)換橋梁。,AVHRR(1.1KM)POLDER(6*7KM),Ground-basedalbedometer mesurements,land cover classificationTMS images(12m)over an AVHRR pixel,,Shrub, grass and soil,75,4. 1 全球反照率產(chǎn)品驗(yàn)證的典型文章,選擇了具有2.2*2.

56、2km覆蓋范圍的TMS影像（12m分辨率），覆蓋了tower的AVHRR像元，在中間的1.1*1.1km內(nèi)。采用ISODATA分類算法將該區(qū)域分成了10類，將這10類聚合成三大類，分別是：灌木和土壤、草地、草地和土壤）,具體分到哪一類是基于目視解譯確定的。基于地表測(cè)量值對(duì)每種地表覆蓋類型賦予了典型反照率值，然后聚合到AVHRR像元尺度。,沿著通量塔四面建立100m的切面每10米測(cè)量，另外在草地建立150m的測(cè)量切面。,76,4. 2 全

57、球反照率產(chǎn)品驗(yàn)證的科學(xué)問題,空間上的匹配臺(tái)站觀測(cè)數(shù)據(jù)的代表性混合像元問題遙感像元對(duì)應(yīng)的空間范圍時(shí)間上的匹配反照率的日變化天空散射光比例的影響儀器的精度和局限性儀器性能安裝規(guī)范,驗(yàn)證中需要注意的問題,77,4. 2 全球反照率產(chǎn)品驗(yàn)證的科學(xué)問題,驗(yàn)證中的尺度轉(zhuǎn)換方法,78,4.3 GLASS反照率產(chǎn)品的初步驗(yàn)證,79,共下載了包含反照率數(shù)據(jù)的149個(gè)站點(diǎn)（其中FLUXNET 116個(gè)，BSRN 9個(gè)，GC-Net 22

58、個(gè)，LBA 2個(gè)，SAFARI 2個(gè)），地表類型涵蓋森林、草地、農(nóng)田、冰雪。,項(xiàng)目組已收集的數(shù)據(jù),4.3 GLASS反照率產(chǎn)品的初步驗(yàn)證,80,站點(diǎn)資料的整理,編程提取每日局地正午時(shí)刻的下行短波輻射、反射輻射和反照率站點(diǎn)均勻性評(píng)價(jià)：根據(jù)高分辨率遙感圖像目視解譯分為A-D四級(jí)。站點(diǎn)數(shù)據(jù)的代表性評(píng)價(jià)：統(tǒng)計(jì)了無雪條件下站點(diǎn)觀測(cè)與MCD43產(chǎn)品的差異，如果均方根誤差大于0.05，則認(rèn)為該站點(diǎn)不可用。,Bondville站點(diǎn)200

59、4-2006年地面觀測(cè),81,AB1產(chǎn)品時(shí)間序列與MCD43產(chǎn)品以及站點(diǎn)觀測(cè)的對(duì)比,地面觀測(cè)時(shí)間序列（2000-2006年，每天）,AB1算法結(jié)果時(shí)間序列（2000-2006年，每天）,站點(diǎn)名：Fort_Peck區(qū)域：北美經(jīng)度： -105.101維度： 48.3079地物類型：草地6月NDVI：0.33已收集地面觀測(cè)年份：2000-2008,MODIS 43產(chǎn)品時(shí)間序列（2000-2006年,8天）,可見：1.冬季降雪

60、引起地表反照率劇烈震蕩2.MODIS產(chǎn)品時(shí)間維上比較平滑，時(shí)間分辨率低3.AB1產(chǎn)品時(shí)間分辨率較高，噪聲也比較明顯,82,AB1產(chǎn)品時(shí)間序列與MCD43產(chǎn)品以及站點(diǎn)觀測(cè)的散點(diǎn)圖選取已收集了資料、經(jīng)過均勻性和代表性檢驗(yàn)的10個(gè)站點(diǎn)，簡單統(tǒng)計(jì)16天平均的地面觀測(cè)以及AB1產(chǎn)品，與MCD43產(chǎn)品比較。,AB1產(chǎn)品與MCD43產(chǎn)品的散點(diǎn)圖,AB1產(chǎn)品與地面觀測(cè)的散點(diǎn)圖,RMSE= 0.0206Corr = 0.9538,RMSE=

61、0.0532corr=0.6720,4.3 GLASS反照率產(chǎn)品的初步驗(yàn)證,AB2產(chǎn)品時(shí)間序列的驗(yàn)證,4.3 GLASS反照率產(chǎn)品的初步驗(yàn)證,Fort_peck站點(diǎn)GR2產(chǎn)品臺(tái)站觀測(cè)時(shí)間序列對(duì)比,2005年,2004年,ARM_SGP_Main站點(diǎn)2003-2005年16天合成的地面觀測(cè)、AB2產(chǎn)品與MCD43產(chǎn)品時(shí)間序列的比較,83,AS產(chǎn)品時(shí)間序列濾波的效果顯示,4.3 GLASS反照率產(chǎn)品的初步驗(yàn)證,AB1產(chǎn)品原始時(shí)間序列

62、和AS算法填補(bǔ)后時(shí)間序列的對(duì)比,2007年10月27日 h11v04網(wǎng)格的AB1產(chǎn)品空間分布,填補(bǔ)前,填補(bǔ)后,思考題答案,85,思考題（沒有標(biāo)準(zhǔn)答案）,86,5. 全球反照率產(chǎn)品及其特點(diǎn),87,5. 1 全球反照率產(chǎn)品,單一傳感器的反照率產(chǎn)品,多傳感器合成的反照率產(chǎn)品,目前已有的全球反照率產(chǎn)品,88,5. 1 全球反照率產(chǎn)品介紹,美國NASA發(fā)布的MODIS反照率產(chǎn)品,89,5. 1 全球反照率產(chǎn)品介紹,法國POSTEL發(fā)布的POLDE

63、RR反照率產(chǎn)品,Directional Albedo, 670nm, derived from POLDER-3/PARASOL, July 2005.,90,5. 1 全球反照率產(chǎn)品介紹,灰色區(qū)域表示缺失數(shù)據(jù),MERIS white sky albedo,Example MERIS broadband albedo* product: DoY 193 (16-day time period : 12-27.7.03): Shortw

64、ave,91,5. 1 全球反照率產(chǎn)品介紹,Global 1km albedo in February and July 1995,AVHRR black sky albedo,STRUGNELL ET AL.(2001), GLOBAL ALBEDO FROM AVHRR DATA, GEOPHYSICAL RESEARCH LETTERS,92,5. 1 全球反照率產(chǎn)品介紹,93,2008年MODIS,1988年AVHRR,冬季

65、第17天,GLASS反照率產(chǎn)品Black Sky Albedo,5. 1 全球反照率產(chǎn)品介紹,MSG（第二代）,MFG（第一代）,靜止衛(wèi)星——ESA的METEOSAT系列,94,5.2 全球反照率的分布特點(diǎn),全球地表窄波段反射率的空間分布（可以看出地物類型）,MODIS 紅、綠、藍(lán)波段合成,95,5.2 全球反照率的分布特點(diǎn),全球地表寬波段反照率的分布特點(diǎn),96,冬,春,夏,秋,5.3 全球反照率的時(shí)空分析,區(qū)域或全球平均反照率的

66、計(jì)算方法,97,,平均反照率,下行輻射加權(quán),像元面積加權(quán),像元反照率,年均或多年平均反照率的計(jì)算,,,年數(shù),1年中的月數(shù),參考： Zhang Xiaotong et al., Analysis of Global Land Surface Shortwave Broadband Albedo from Multiple Data Sources, Journal of Selected Topics in Earth Obser

67、vations and Remote Sensing, 2010, 3(3):296-305,5.3 全球反照率的時(shí)空分析,區(qū)域或全球平均反照率的時(shí)間變化,98,,,,2000-2008年間全球、北半球和南半球短波反照率月平均值的變化,全球、北半球和南半球短波去季節(jié)趨勢(shì)月平均反照率,,去季節(jié)趨勢(shì)反照率,月平均反照率,月平均反照率的平均,北半球反照率有大約0.01的下降，但是南半球的反照率有0.01的上升，因此全球反照率的年變化幾乎

68、等于0。,基于MCD43產(chǎn)品統(tǒng)計(jì),5.3 全球反照率的時(shí)空分析,全球不同緯度帶的反照率的季節(jié)變化,99,,,,,（1）北緯30度和南緯50度之間的區(qū)域，年均和月均反照率變化非常小。（2）北半球地表反射率的緯向帶季節(jié)性變化大于南半球。（3）北緯70度到90度以及南緯70度到90度的區(qū)域反照率出現(xiàn)0值是因?yàn)樵摰貐^(qū)光照太小無法形成有效觀測(cè)。,5. 總結(jié)與展望,開展了很多研究，發(fā)表了大量BRDF/反照率研究論文http://www-mod