1、L/O/G/O第四章地表反照率遥感http:/授课人：刘 强Email：研究领域：多角度遥感模型与反演1典型陆表及大气参数的遥感反演与模拟典型陆表及大气参数的遥感反演与模拟http:/课程回顾课程回顾第一章第一章 定量遥感基础定量遥感基础1.1 1.1 1.1 1.1 物理基础物理基础物理基础物理基础 电磁波描述参量的定义电磁波描述参量的定义电磁波描述参量的定义电磁波描述参量的定义 地物反射的波谱和方向特性地物反射的波谱和方向特性地物反射的波谱和方向特性地物反射的波谱和方向特性1.2 1.2 1.2 1.2 辐射传输理论辐射传输理论辐射传输理论辐射传输理论 典型地表的二向反射模型典型地表的二向
2、反射模型典型地表的二向反射模型典型地表的二向反射模型 第二章：叶片及植被冠层模型第二章：叶片及植被冠层模型 第三章：热辐射方向性模型第三章：热辐射方向性模型2http:/5本章提纲本章提纲地表反照率的研究意义地表反照率的研究意义反照率的计算和决定因素反照率的计算和决定因素全球反照率产品及其特点全球反照率产品及其特点地表反照率研究展望地表反照率研究展望124课间休息常见的地表反照率遥感算法常见的地表反照率遥感算法33第四章：地表反照率遥感第四章：地表反照率遥感http:/1.1.地表反照率的研究意义地表反照率的研究意义41.1 什么是地表反照率什么是地表反照率1.2 地表反照率与全球变化地表反照
3、率与全球变化http:/1.1 1.1 什么是反照率？什么是反照率？反照率通常是指物体反射太阳辐射与该物体表面接收太阳总辐射的两者比率或分数度量，也就是指反射辐射与入射总辐射的比值。(维基百科)5反照率表反照率反照率下行下行短波短波辐射射下行下行长波波辐射射地表地表发射率射率地表温度地表温度地表能量平衡方程地表能量平衡方程：http:/1.1 1.1 什么是反照率？什么是反照率？天文学：天文学：行星反射率,它包括地面、云和各种大气成分对太阳辐射的反射能力及其总和气候学：气候学：物体对太阳辐射的反射能力，因光线的入射角和波长而不同，气候学研究的是太阳辐射的全波段遥感科学：遥感科学：宽波段反照率、
4、窄波段反照率、直射（黑空）反照率、漫射（白空）反照率单次散射反照率：单次散射反照率：（辐射传输方程中）微粒对光线散射的反射部分与反射与吸收之和的比值不同学科中的反照率6http:/1.1 1.1 什么是反照率？什么是反照率？约有30的太阳辐射能被地-气系统反射回太空,其中三分之二是云反射的，其余部分则被地面反射和被各种大气成分所散射而冰和雪的覆盖状况能引起反射率显著变化。例如，陆地被雪覆盖或洋面结冰时,将使其反射率增大3040,新雪面更可使反射率增大60左右。陆面、土壤的性质和植被类型不同,也能使反射率改变,但这些差异一般不超过1020。反照率是地-气系统的不确定因子7http:/1.2 1.
5、2 地表反照率和全球变化地表反照率和全球变化全球变化的驱动因子8温室气体云和气溶胶土地利用植被状况海流海冰地表反照率http:/1.2 1.2 地表反照率和全球变化地表反照率和全球变化地表反照率的增加，会导致净辐射的减小，感热通量和潜热通量减少，进而造成大气辐合上升减弱，云和降水减少，土壤湿度减小，使得地表反照率增加，形成一个正反馈过程冰雪-反射率-温度之间存在“正反馈过程”,即冰雪的覆盖增大地表的反照率，使地-气系统吸收的辐射减少,从而降低气温，而降温又将进一步使冰雪面积扩展，反照率继续增大，造成温度越来越低极地海冰融化造成反照率的增加，从而更多的吸收太阳辐射，气温升高，加速海冰的融化地表反
6、照率对气候变化的反馈机制9http:/1.2 1.2 地表反照率和全球变化地表反照率和全球变化Snow10April:Uniform white surfaceJuly:Variegated darker surface10http:/Data from Scanning Multichannel Microwave Radiometer(SMMR)on NASAs Nimbus 7 satellite and from Special Sensor Microwave Imagers(SSMI)on Defense Meteorological Satellites.Plot credit:
7、Claire Parkinson,et al.,J.Geophys.Res.,1999.1.2 1.2 地表反照率和全球变化地表反照率和全球变化N.Hemisphere Monthly-Average Sea Ice ExtentN.Hemisphere Monthly-Average Sea Ice Extent11http:/1.2 1.2 地表反照率和全球变化地表反照率和全球变化Muir Glacier near Juneau in SE Alaska retreated more than 7 km from 1973 to 1986.By 1986,Burroughs Glacier
8、A),cut off from its source of ice,was collapsing into a melting ice field.1973198612http:/2.2.反照率的计算和决定因素反照率的计算和决定因素132.1 2.1 地表反照率的计算地表反照率的计算2.2 2.2 地表的波谱特性和特点地表的波谱特性和特点2.3 2.3 地表的二向反射特性地表的二向反射特性2.4 2.4 大气对地表反照率的影响大气对地表反照率的影响http:/地物地物波谱特性波谱特性地物的地物的二向反射二向反射大气大气辐射传输辐射传输地表二向反射因子的在角度维和地表二向反射因子的在角度维和地
9、表二向反射因子的在角度维和地表二向反射因子的在角度维和波长维积分的结果。波长维积分的结果。波长维积分的结果。波长维积分的结果。地表宽波地表宽波段反照率段反照率2.1 2.1 地表反照率的计算地表反照率的计算14http:/2.2 2.2 地表的波谱特性和特点地表的波谱特性和特点典型的植被、土壤、水体、冰雪光谱典型的植被、土壤、水体、冰雪光谱15http:/2.2 2.2 地表的波谱特性和特点地表的波谱特性和特点反照率的波长积分反照率的波长积分宽波段反照率波段反照率入射入射辐射射波波谱反照率反照率地表宽波段反照率是在一定波长范围内的地表上行辐射通量与下行辐射通量的比值16短波反照率：可见光反照率
10、近红外反照率：http:/2.2 2.2 地表的波谱特性和特点地表的波谱特性和特点1.大气下行辐射的波谱分布规律2.地物波谱在不同波段的自相关性p主成分分析表明连续的地物波谱的绝大部分信息都可以由少数几个主成分表达p经过挑选的若干特征窄波段反射率基本就能反映出整个波谱曲线的形状，因而能够用于估算宽波段反照率窄波段反照率向宽波段反照率的转换及其原理窄波段反照率向宽波段反照率的转换及其原理转换公式17http:/2.3 2.3 地表的二向反射特性地表的二向反射特性地表的二向反射现象和定义地表的二向反射现象和定义理想光滑表面的反射是镜面反射，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
11、不满足镜面反射也不满足漫反射的条件。二向反射的概念是指物体表面反射光线的能力与入射和反射光线的方向有关，二向性反射分布函数（Bidirectional Reflectance Distribution Function,BRDF）定义如下（Nicodemus，1997）：它是光线入射方向、反射方向和波长的函数，是基于微分面元和微分立体角定义的。18http:/2.3 2.3 地表的二向反射特性地表的二向反射特性地表的二向反射的基本物理过程地表的二向反射的基本物理过程19http:/2.3 2.3 地表的二向反射特性地表的二向反射特性BRDFBRDF的简化替代量的简化替代量BRFBRF（二向反射
12、因子）（二向反射因子）BRF是最接近BRDF的可测量物理量，其定义为直射光入射条件下，某一观测方向上目标反射的辐射亮度与假定该目标被一理想漫反射表面代替时反射的辐射亮度之间的比值。BRDFBRF20http:/2.3 2.3 地表的二向反射特性地表的二向反射特性二向反射的其他图示方法二向反射的其他图示方法(S Sandmeier er al.,1998)在主平面上显示的植被冠层的二向反射特点遥感中常用的二向反射图示方法还有两种：21http:/2.3 2.3 地表的二向反射特性地表的二向反射特性反映地表的二向反射的照片反映地表的二向反射的照片Photograph by Photograph b
13、y Don DeeringDon Deering22http:/2.3 2.3 地表的二向反射特性地表的二向反射特性反映地表的二向反射的照片反映地表的二向反射的照片Photograph by Photograph by Don DeeringDon Deering23http:/2.3 2.3 地表的二向反射特性地表的二向反射特性反映地表的二向反射的照片反映地表的二向反射的照片Photograph by Photograph by Don DeeringDon Deering24http:/2.3 2.3 地表的二向反射特性地表的二向反射特性二向反射分布函数方向-半球反射率（DHR）漫射半球-
14、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关系窄波段地表反照率和二向反射的关系25http:/2.3 2.3 地表的二向反射特性地表的二向反射特性黑空、白空还有蓝空反照率黑空、白空还有蓝空反照率黑空反照率黑空反照率蓝空反照率蓝空反照率黑空反照率黑空反照率 =方向方向-半球反射率（半球反射率（DHRDHR）白空反照率白空反照率 =漫射半球漫射半球-半球反射率（半球反射率（BHR_diffBHR_diff）蓝空反照率（也称蓝空反照率（也称 真实反照率，表观反照率）真实反照率，表观反照率）=半球半球-半球反射率（半球反射率（BHRBHR）26http:/2.
15、4 2.4 大气对地表反照率的影响大气对地表反照率的影响黑空、白空还有蓝空反照率黑空、白空还有蓝空反照率p窄波段的黑空反照率与白空反照率由地表BRDF积分得出，与大气状态无关p真实反照率（蓝空反照率）近似等于黑空反照率与白空反照率的加权组合，权重因子为天空散射光占太阳总辐射的比例p不同的大气状况和太阳角决定了天空散射光的比例，因此从一定程度上影响地表的真实反照率27http:/2.4 2.4 大气对地表反照率的影响大气对地表反照率的影响p晴空的大气层顶反射率与地表反照率之间有确定的函数关系，气溶胶和水汽是主要变化因子p有云的情况下，大气层顶反照率主要受云影响，数值通常高于晴空反照率大气层顶反照
16、率和地表反照率的关系大气层顶反照率和地表反照率的关系大气大气层顶方向反射率方向反射率地表地表白空反照率白空反照率地表地表二向反射率二向反射率28http:/2.4 2.4 大气对地表反照率的影响大气对地表反照率的影响波谱反照率向宽波段反照率转换的过程波谱反照率向宽波段反照率转换的过程大气下界的太阳辐射是波谱反照率向宽波段反照率转换的权重函数，大气下界的太阳辐射是波谱反照率向宽波段反照率转换的权重函数，该参数受到大气状态的影响。该参数受到大气状态的影响。29http:/思考题思考题30反照率最高和最低的常见地物是什么？在什么样的情况下反照率的时间变化最激烈？什么地方的空间变化最激烈？气候变化研究
17、对于反照率监测的精度要求是什么？http:/3.3.常见的地表反照率反演算法常见的地表反照率反演算法312.1 基于朗伯假定的反照率算法基于朗伯假定的反照率算法2.2 基于基于BRDF模型反演的反照率模型反演的反照率算法算法2.3 GLASS反照率算法（反照率算法（AB1、AB2、AS）2.4 反照率算法总结反照率算法总结http:/3.3.常见的地表反照率反演算法常见的地表反照率反演算法反照率遥感反演算法的分类反照率遥感反演算法的分类按照传感器分类p极轨卫星：MODIS、MISR、MERIS、CERES、POLDER、VEGETATION、NPP-VIIRSp静止卫星：MSG、GOESR-A
18、BIp高分辨率卫星：TM、ETM、HJ-CCD按照算法原理和流程分类p基于BRDF模型反演的算法（多角度）p直接反演算法（单一角度）地表反射率大气层顶反射率p地表-大气参数联合优化算法（多时相）32http:/3.1 3.1 基于朗伯假定的反照率算基于朗伯假定的反照率算法法主要关注问题：窄波段反射率向宽波段反照率转换的系数适用范围：通常是高分辨率数据适用范围：通常是高分辨率数据高分辨率遥感数据的定标与大气校正忽略问题：地表的二向反射特性忽略的原因：高分辨率图像一般只有一个观测角度往往是接近垂直观测的，角度变化小地表异质性和波谱特性是决定地表反照率的最主要因素33http:/3.2 3.2 基于
19、基于BRDFBRDF模型反演的反照率算法模型反演的反照率算法非雪地表非雪地表冰雪地表冰雪地表4.窄波段反照率向宽波段反照率的转换BSA(太阳角相关太阳角相关)WSA3.窄波段反照率计算核核驱动模型反演模型反演Magnitude inversion2.BRDF参数反演基于暗目基于暗目标法的气溶法的气溶胶参数反演胶参数反演基于水汽吸收波段的基于水汽吸收波段的水汽水汽总含量反演含量反演大气校正大气校正（MOD/MYD09产品）品）1.大气校正以以AmbralsAmbrals算法为例：算法基本流程算法为例：算法基本流程34http:/3.2 3.2 基于基于BRDFBRDF模型反演的反照率算法模型反演
20、的反照率算法气溶胶参数的获取通常用暗目标法，在高反射地表不适用水汽参数的获取使用了MODIS水汽通道的特性，精度较高，但是对于其他传感器就很难达到高精度云、雪识别问题很多，常常不能识别薄云，难以区分云和雪，难以处理云的阴影大气校正及其中存在的问题大气校正及其中存在的问题35http:/3.2 3.2 基于基于BRDFBRDF模型反演的反照率算法模型反演的反照率算法物理模型：比较复杂，反演难度大，效果不好经验模型：Minnaert 模型Shibayama模型Walthall模型改进的Walthall模型半经验模型：RPV模型、核驱动模型地表的二向反射模型的分类地表的二向反射模型的分类36http
21、/3.2 3.2 基于基于BRDFBRDF模型反演的反照率算法模型反演的反照率算法表面散散核（几何光学）LiSparse和LiSparseR核LiDense核LiTransit核Roujean 几何核体散射核（辐射传输）RossThick核RossThin核RossHotspot核核驱动模型简介核驱动模型简介37核函数（已知函数）核系数（未知数）核核驱动模型的模型的优点：点：未知参数少线性模型，避免了非线性反演核函数具有一定物理含义对混合像元BRDF的拟合能力强几何光学核体散射核http:/3.2 3.2 基于基于BRDFBRDF模型反演的反照率算法模型反演的反照率算法核驱动模型对观测数据的
22、拟合能力核驱动模型对观测数据的拟合能力不同太阳天顶角的RossThick核与LiSparseR核在主平面和垂直主平面的函数值。38RossThick碗形核LiSparsR丘形核 RossThick核与不同的几何光学核组合对BRDF观测数据的拟合效果（观测目标为翻耕的裸土，观测平面为主平面）。Pokrovsky,O.2003.Land surface albedo retrieval via kernel-based BRDF modeling:I.Statistical inversion method and model comparison.Remote Sensing of Enviro
23、nment 84,no.1:100-119.http:/3.2 3.2 基于基于BRDFBRDF模型反演的反照率算法模型反演的反照率算法核驱动模型对观测数据的拟合能力核驱动模型对观测数据的拟合能力39Bicheron&Leroy,2000,BRDF signatures of major biomes observed from space.Journal of Geophysical Researchhttp:/3.2 3.2 基于基于BRDFBRDF模型反演的反照率算法模型反演的反照率算法核函数的选取目前使用最多的是RossThick 与LiSparseR的组合称为RTLSR模型。核系数的
24、反演40核驱动模型的反演核驱动模型的反演n个方程，3个未知数n=7,Full inversionn=7，由于方程系数的相关性，仍然可能出现反演不稳定的现象BRDFBRDF模型反演及其中存在的问题模型反演及其中存在的问题41Fang（2007）等人对北美地区2000-2004年MCD43B3做了统计发现，由于受到云覆盖影响仅31.3%的像元得到了完全反演（Full inversion），13.3%的像元没有反照率值，而剩下的55.4%像元反照率则是通过备用算法（Backup algorithm）反演得到的。http:/3.2 3.2 基于基于BRDFBRDF模型反演的反照率算法模型反演的反照率算
25、法BRDF的积分与核的积分因为核驱动模型为核函数的线性组合，所以BRDF的积分可以转化为先给核函数积分，再进行组合，而核函数的积分是可以预先计算好的，因此节省了计算时间。以黑空反照率为例，公式为：窄波段反照率的计算窄波段反照率的计算42http:/3.2 3.2 基于基于BRDFBRDF模型反演的反照率算法模型反演的反照率算法BSA的计算pBSA是太阳天顶角的函数，算法给出任意太阳角的BSA计算公式p也给出对应于局地正午太阳角的BSA值窄波段反照率的计算窄波段反照率的计算43http:/3.2 3.2 基于基于BRDFBRDF模型反演的反照率算法模型反演的反照率算法WSA的计算真实反照率的计算
26、存在的问题观测数据对应的太阳角比较单一，用这样的数据反演的BRDF模型在预测WSA或其他太阳角度下的BSA会出现较大误差，即对反照率的日变化不能很好刻画。窄波段反照率的计算窄波段反照率的计算44http:/3.2 3.2 基于基于BRDFBRDF模型反演的反照率算法模型反演的反照率算法非雪地表雪地表其他转换系数（Liang et al.,1999）窄波段反照率向宽波段反照率的转换窄波段反照率向宽波段反照率的转换不同地表或者不同版本的转换系数有明显的差异45http:/思考题答案思考题答案46反照率最高和最低的常见地物是什么？RE：冰雪的反照率最高，水体反照率最低。在什么样的情况下反照率的时间变
27、化最激烈？什么地方的空间变化最激烈？RE：下雪和融雪是反照率的时间变化最激烈；冰水混合或者部分雪覆盖的山地的反照率空间变化最激烈。气候变化研究对于反照率监测的精度要求是什么？RE：早期的文献中提出气候研究对于地表反照率反演的精度需求是0.05（Henderson-Sellers and Wilson 1983）；全球气候观测系统（GCOS）提出地表反照率产品应达到的精度要求是相对精度优于5%，或者绝对精度优于0.005。http:/思考题思考题47核驱动模型适用的地表类型是什么？RossThick-LiSparseR核组合能够描述BRDF中的哪些特征，不能描述哪些特征？http:/3.3 GL
28、ASS3.3 GLASS反照率算法反照率算法p随着国家政治经济地位的提升以及全球气候变化问题日益突出，我们科学研究的视野也从全国转向全球p国家863重点项目“全球陆表特征参量产品生成与应用研究”于2009年底开始实施，计划开发5个特征参量的全球产品1985年-1999年全球陆表、每天、5km分辨率2000年-2010年全球陆表、每天、1km分辨率p长时间序列以及高时间分辨率p对积雪地表以及降雪过程导致的反照率变化有更好的反映p把已有的全球反照率产品融合到GLASS_Albedo产品中来p填充缺失数据，做到时间、空间连续一致产品形态：预期创新点：GLASSGLASS项目背景项目背景48http:
29、/3.3 GLASS3.3 GLASS反照率算法反照率算法前人工作前人工作基于大气层顶反射率的直接反演反照率算法基于大气层顶反射率的直接反演反照率算法pLiang et al.2003基于大气辐射传输模拟，提出基于大气层顶反射率的直接反演反照率算法，使用人工神经网络反演pLiang et al.2005耦合冰雪地表二向反射模拟和大气辐射传输模拟，提出angular bin算法解决非朗伯问题pCui et al.2009采用POLDER的BRDF数据库建立了地表窄波段二向反射率和地表宽波段反照率之间的统计回归关系49http:/3.3 GLASS3.3 GLASS反照率算法反照率算法基于MODI
30、S数据的GLASS反照率产品算法分解为3个模块：1.1.AngularBin1AngularBin1（AB1AB1）：输入MODIS每日大气校正产品，进行分网格的线性回归。得到反照率初级产品1。2.2.AngularBin2AngularBin2（AB2AB2）：输入MODIS每日大气层顶表观反射率，进行分网格的线性回归。得到反照率初级产品2。3.3.AlbedoSynthesisAlbedoSynthesis（ASAS）：对不同算法的结果取长补短，并开展时间序列滤波填补其空缺数据。得到最终的反照率合成产品。算法分解算法分解50http:/3.3 GLASS3.3 GLASS反照率算法反照率算
31、法主要算法主要算法 Angular BinAngular Bin（包括（包括AB1AB1、AB2AB2）Angular Bin 算法是在（Liang S,2005）研究中提出的一种直接反演算法，使用单一角度的地表或大气层顶方向反射率直接反演反照率，避免了复杂的反演流程，有利于业务化生产且具有较高时间分辨率。算法原理：算法原理：AB1：对太阳/观测角度空间网格化，认为每一个网格上存在方向反射率与反照率的经验关系，通过分析POLDER-BRDF训练数据集提取线性回归系数，然后转换到MODIS波段。AB2：进一步增加大气辐射传输模拟，考虑不同的气溶胶参数，模拟出大气层顶反射率，分网格直接建立大气层顶
32、反射率与地表反照率的线性回归关系。51http:/3.3 GLASS3.3 GLASS反照率算法（反照率算法（AB1AB1）基于基于MODISMODIS地表反射率的反照率反演（地表反射率的反照率反演（AB1AB1）算法特色：算法特色：使用单一角度的地表方向反射率反演反照率，用网格化的方法进行地表非朗伯效应订正。算法原理：算法原理：对太阳/观测角度空间网格化，认为每一个网格上存在方向反射率与反照率的经验关系，通过分析POLDER-BRDF训练数据集提取线性回归系数，然后转换到MODIS波段。输入：入：MODIS每日大气校正产品（MOD09GA1、MYD09GA1）输出：出：反照率初级产品1（每日
33、无云像元的宽波段黑空、白空反照率）52http:/3.3 GLASS3.3 GLASS反照率算法反照率算法（AB1AB1）AngularBin1(AB1)AngularBin1(AB1)算法技术路线：算法技术路线：分析分析POLDER-BRDF数据，进行质量筛选数据，进行质量筛选和地表分类和地表分类用经验模型拟合用经验模型拟合POLDER-BRDF，计，计算反照率，并获得插算反照率，并获得插值到网格的值到网格的BRDF根据训练数据，建立根据训练数据，建立每一个网格点的回归每一个网格点的回归系数系数回归系数转换到回归系数转换到MODIS波段，保存查波段，保存查找表找表分网格的反照分网格的反照率回
34、归系数查率回归系数查找表找表读入读入MODIS方向反射方向反射率，根据波谱特征分率，根据波谱特征分类类根据地表分类以及太根据地表分类以及太阳阳/观测角度查表，获观测角度查表，获得反照率回归系数得反照率回归系数根据输入数据质量标根据输入数据质量标志判断无云数据，生志判断无云数据，生成陆表反照率初级产成陆表反照率初级产品品1建立建立查找表找表使用使用查找表找表53http:/3.3 GLASS3.3 GLASS反照率算法反照率算法（AB1AB1）训练数据的来源：训练数据的来源：POLDER-BRDF数据集数据集从POLDER 3传感器全球数据中提取，经过去云和大气校正，6公里分辨率，选取典型均匀像
35、元，2005-2006年每月观测数据的集合。法国POSTEL Service Centre 提供。剔除剔除POLDER-BRDFPOLDER-BRDF数据集中模型不能解释的数据：数据集中模型不能解释的数据：判断准则：模型拟合残差大于一定阈值，或者观测数太少，或者角度分布不理想。结果：共有13227个数据集，剔除4203个，还剩9024个一个理想一个理想POLDER BRDF数据集的数据集的角度分布角度分布(brdf_ndvi03.1261_3705.dat)54http:/3.3 GLASS3.3 GLASS反照率算法反照率算法（AB1AB1）用模型拟合用模型拟合POLDER-BRDFPOLD
36、ER-BRDF数据：数据：POLDER-L3算法中选用核驱动模型描述地表BRDF，其中的核函数为Li-sparsR和修改后的Ross-thick（以下称为RossHotspot）,这也是我们的模型基础。现有核驱动模型用于冰雪效果不好原因是冰雪存在强烈的前向散射，因此基于RPV模型(Rahman,Pinty&Verstraete model)，设置特定参数后作为前向散射核，把核驱动模型扩展成为4个核函数的模型。用不同核函数组合计算反照率的散点图用不同核函数组合计算反照率的散点图X:Li-sparsR/Ross-thick Y:Li-sparsR/RossHotspot/RPV-forwardRM
37、SE=0.0142Corr =0.9973Bias =0.005955http:/3.3 GLASS3.3 GLASS反照率算法反照率算法（AB1AB1）对对POLDERPOLDER数据简单分类：数据简单分类：分为3个基本类，分别是植被、裸地、冰雪；并建立2个分类缓冲区分类阈值是NDVI0.2R4900.3三类地物在三类地物在R490-NDVIR490-NDVI特征空间的散点图特征空间的散点图分分类后后训练数据集的数据集的组成方式成方式:“植被”数据集：纯植被+缓冲1 共 5873组“裸地”数据集：纯裸地+缓冲1+缓冲2共3660组“冰雪”数据集：纯冰雪+缓冲2共750组缓冲区阈值是0.15N
38、DVI0.220.25R4900.4冰雪裸地植被56http:/3.3 GLASS3.3 GLASS反照率算法反照率算法（AB1AB1）POLDER波段向波段向MODIS波段波段转换：方法：方法：基于地面测量光谱数据的统计知识建立波段间转换的线性回归关系数据：数据：定量遥感书所附119条，“我国典型地物标准波普数据库”中 挑选224条，黑河试验测量数据103条，格林兰采集的47条冰雪波谱MODIS参数与参数与POLDER参数的参数的转换公式：公式：RMODIS=C*RPOLDER （反射率通过波段转换系数转换）KMODIS=C*KPOLDER （核系数通过波段转换系数转换）AMODIS=APO
39、LDER （宽波段反照率不转换）bandnamePOLDER-k1-490POLDER-k4-565POLDER-k5-670POLDER-k7-765POLDER-k9-865POLDER-k3-1020offsetRMSERMSEr2modis-b1-6480.0258040.3107570.686464-0.039359-0.0136070.0318200.0048390.0030810.997919modis-b2-8590.025002-0.027624-0.0113390.2636700.7011680.0576800.0006110.0033900.999994modis-b3-
40、4660.9141900.141745-0.0606890.0139020.010337-0.022371-0.0074410.0041790.998448modis-b4-5540.2051080.6107290.1259420.114750-0.017690-0.046839-0.0010090.0043070.99925modis-b5-1244-0.3728930.0167350.406773-0.205036-0.4508771.4322530.0233390.0218080.980197modis-b6-1631-1.062408-0.3808081.514777-0.370976
41、0.5394101.1691880.0731130.0433790.93575modis-b7-2119-1.177391-0.4447211.798923-0.303519-0.5174680.8183670.0723110.0485180.89982757http:/3.3 GLASS3.3 GLASS反照率算法反照率算法（AB1AB1）太阳太阳/观测角度的网格划分：观测角度的网格划分：太阳天顶角和观测天顶角以2度间隔进行划分，太阳角划分为41个间隔(0-80度)，观测角划分为33个间隔(0-64度)。相对方位角采用5度间隔，共计划分为40个间隔(0-180度)。BRDFBRDF数据插值
42、数据插值：格网划分示意图格网划分示意图(固定太阳天顶角固定太阳天顶角)在用核驱动模型对POLDER 数据集拟合后，预测每一网格中心点的方向反射率，作为标准化的训练数据。58http:/3.3 GLASS3.3 GLASS反照率算法反照率算法（AB1AB1）建立线性回归公式：建立线性回归公式：反照率回归系数地表方向反射率对每一类地物的每一个网格，都需要解算一组回归系数ai，构成分网格的反照率回归系数查找表。波段和约束条件的设置：（1）使用所有7个波段，不加约束；（2）使用所有7个波段，加约束；（3）使用前4个波段，不加约束；（4）使用前4个波段，加约束。结果稳定，效果差别不大结果不稳定，受噪声
43、影响非常大回归方法：考虑约束条件的最小二乘法。59http:/3.3 GLASS3.3 GLASS反照率算法反照率算法（AB1AB1）AB1AB1算法产品的误差评估：算法产品的误差评估：60基本误差 2=其他误差基本误差AB1产品误差普遍存在，满足统计规律的误差个别发生的，不容易估计的误差写入产品的质量标志不写入产品的质量标志拟合训练数据残差 2 +（MODIS数据噪声*误差放大系数)2http:/3.3 GLASS3.3 GLASS反照率算法反照率算法（AB1AB1）AB1AB1算法的优点与局限：算法的优点与局限：优点：61产品生产流程简单，计算速度快，输入数据有保障对地表状态基本没有做什么
44、假设，全球地表都适用输入单景数据就能计算，时间分辨率高局限性：算法本身简单，对于不满足统计规律的地表，精度可能降低受限于MODIS云雪检测、大气校正的精度只使用单景数据，受各种随机因素影响，时间序列抖动很明显云雪情况往往连续多天都是云，这种情况下始终无法得到地表信息http:/3.3 GLASS3.3 GLASS反照率算法反照率算法（AB2AB2）基于基于MODISMODIS大气层顶反射率的反照率反演（大气层顶反射率的反照率反演（AB2AB2）算法特色：算法特色：在AB1算法基础上增加特色：不需要对MODIS数据做大气校正。算法原理：算法原理：在前面介绍的训练数据集的基础上，增加大气辐射传输模
45、拟，考虑不同的气溶胶参数，模拟出大气层顶反射率，分网格直接建立大气层顶反射率与地表反照率的线性回归关系。输入：入：MODIS每日大气层顶表观反射率（由1B数据经投影后生成）MODIS云雪检测结果，MODIS水汽含量（预处理后生成）输出：出：反照率初级产品2（每日无云像元的宽波段黑空、白空反照率）62http:/3.3 GLASS3.3 GLASS反照率算法（反照率算法（AB2AB2）AngularBin2(AB2)算法技算法技术路路线图63http:/3.3 GLASS3.3 GLASS反照率算法（反照率算法（AB2AB2）考考虑地表地表BRDF效效应的的TOA反射率模反射率模拟公式：公式：6
46、S模型参数模型参数设置置6S6S大气参数大气参数参数设置参数设置大气类型大气类型热带、中纬度夏季、中纬度冬季、副极地夏季、副极地冬季、热带、中纬度夏季、中纬度冬季、副极地夏季、副极地冬季、US62US62标准大气标准大气气溶胶类型气溶胶类型大陆型、海洋型、城市型、沙漠型、生物燃烧型大陆型、海洋型、城市型、沙漠型、生物燃烧型、灰灰霾霾型型气溶胶光学厚度气溶胶光学厚度0.01,0.05,0.1,0.20.01,0.05,0.1,0.2目标海拔高度目标海拔高度0,0.5,1.0,1.5,2.0,(km)0,0.5,1.0,1.5,2.0,(km)太阳天顶角太阳天顶角0,4,8,0,4,8,76,80
47、76,80(度度)观测天顶角观测天顶角0,4,8,0,4,8,60,64(,60,64(度度)相对方位角相对方位角0,20,40,0,20,40,160,180(,160,180(度度)64http:/3.3 GLASS3.3 GLASS反照率算法（反照率算法（ASAS）65全球陆表反照率产品缺失情况缺失主要受云影响。另有一些缺失是因为算法未能正确处理冰雪地表。通过多日的合成可以一定程度上减少缺失，但是仍然不完整。缺失主要发生在：热带亚热带雨季、极地、冬季、山区。2009年1、4、9、11月全球AB1初级产品简单合成图（紫色为缺失数据）http:/3.3 GLASS3.3 GLASS反照率
48、算法（反照率算法（ASAS）时空连续地表反照率产品的生成算法（时空连续地表反照率产品的生成算法（ASAS）问题特点与分析：特点与分析：与其他很多参数不同，地表反照率的时空变化很难用模型描述，经常是随降雨、降雪等天气过程发生突变。相对于LAI等参数，地表反照率的遥感反演是比较直接的，精度较高，但是仍然达不到应用对反照率精度的需求。所以地表反照率的时空滤波要减少对模型以及连续性假设的依赖，直接从数据中提取规律。算法原理：算法原理：从现有MODIS产品（MCD43产品）中统计每一像元多年时间变化规律，成为先验知识背景场，在贝叶斯理论框架下进行反照率时间序列的平滑和缺失填补。输入：入：AB1产品，AB
49、2产品，已有的MCD43产品及其生成的背景场输出：出：地表反照率融合产品（时空无缺失）66http:/3.3 GLASS3.3 GLASS反照率算法（反照率算法（ASAS）AlbedoSynthesis(AS)算法的算法的逻辑流程流程图MCD43产品AB1产品AB2产品归一化变换归一化变换归一化变换多产品融合、时间序列填补和平滑等处理反变换融合产品先验知识统计67http:/3.3 GLASS3.3 GLASS反照率算法（反照率算法（ASAS）全球先全球先验知知识背景背景场的的统计：背景场中统计的变量：背景场的时空分辨率：空间分辨率5公里，时间分辨率8天。对空间维降尺度方法的特殊说明：1公里数
50、据降尺度到5公里时，像元几何位置存在不确定性，另外，不同年份像元的覆盖类型会有变化。指定地点指定时段MCD43反照率产品的2001-2010年的平均平均值值、方差、方差；与其前后16天内反照率产品的协协方差、相关系数方差、相关系数。我们认为小邻域内不同地表类型的端元存在重新组合的可能，因此降尺度时从9*9公里的邻域中随机选取5*5个1公里像元进行平均。一个像元的一个像元的1010年平均反照率和标准差年平均反照率和标准差68http:/3.3 GLASS3.3 GLASS反照率算法（反照率算法（ASAS）时间序列平滑和空缺填序列平滑和空缺填补方法：方法：假设第k 天反照率和第k+k 天的反照率之
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