遥感像元尺度上的雪地表反射率研究

摘要

地表反射率作为环境预测中的一个非常重要的参数，反映了地表的能量收支情况，在地气系统的相互作用中起着关键作用。由于反射率特有的角度分布特点，进行地表测量时需要人工转换观测方向，这样的实验成本高、难以持续很长时间，因此现有的实测数据非常有限。遥感传感器能够长时间、大范围地进行对地观测，这使得遥感成为全球尺度上对地表反射率进行监测和研究的重要手段。
　　雪的高反射特性使雪反射率的细微变化能引起较大的地气系统能量交换差异。但是，在卫星地表反射率、反照率的生产过程中，针对雪地表的反演一直是难点之一。本文从现有的地表反照率产品和算法出发，广泛评估了通用的地表反照率遥感产品和反演算法中使用的地表反射率模型，并在此基础上，建立起多传感器数据源的地表反射率数据库，并从中提取出了纯雪地表和植被-雪混合地表的反射率特征。主要内容为：
　　1．利用全球分布的44个通量观测站点的数据对MODIS、MISR和SEVIRI的地表反照率产品进行了验证和分析。其中包括利用格陵兰岛站点提供的冰雪反照率数据验证卫星雪反照率产品的质量，以及利用有季节性积雪的植被地区的反照率数据评估雪对植被地表反照率质量的影响。结果说明，植被表面的反照率产品质量很高，能够满足相关研究的需求；雪会影响卫星地表反照率的反演质量，并且其影响的程度得到了量化。
　　2．利用SCE最优化方法将5种地表反射率模型应用于南极实测雪地表反射率数据的模拟。5种模型包括：Ross-Li模型、改进的Rahman模型、Roujean模型、Walthall模型和Staylor模型。通过对模型的输出结果与反射率样本进行统计分析，从误差、相关性等方面探讨了不同模型对冰雪反射率的模拟能力。模型模拟的结果证实了将具有充足数据量和良好角度分布的数据用于模拟时，Ross-Li模型和Roujean模型对冰雪反射率的数值和角度分布都有较高的模拟能力。针对卫星获取的地表反射率角度采样稀少的特点，有必要进行后续的多时间、多地点的反射率数据融合以提取其角度分布特点。
　　3．将MODIS和MISR两种地表反射率数据资源融合在一起，将不同时间和地点获取的雪的反射率数据结合起来，利用前述地表反射率模型提取出雪的反射率特性，并在半球空间中表现出来。由于这两种反射率数据具有互补的观测几何，多时间、多地点的雪反射率数据融合后提取的反射特性包含了比单一传感器数据更丰富的角度信息，可以作为雪反射率的经验数据，各模型的参数可作为模型运用时的背景场。
　　4．利用MISR覆盖美洲、欧洲和亚洲的地表反射率数据，同时提取出反照率、观测几何信息、叶面积指数、雪覆盖面积等参数，构建了包含6种地表覆盖类型的反射率数据库。由于地表反照率与反射率存在类似线性的关系，即反照率的数值变化直接反映反射率的变化，因此采用反照率数据对反射率数据进行了分类，每种类型对应不同的地表覆盖类型的不同积雪情况。
　　5.将模型应用到5种植被覆盖类型的不同积雪情况，利用上述反射率数据库，总体上描述和量化了多种地表覆盖类型受不同程度积雪影响时，植被-雪混合地表的反射率特征。

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第一章 绪论

1.1 选题依据及研究意义

1.2 国内外研究现状和存在的问题

1.3 主要研究内容

1.4 论文的组织结构

第二章 地表反射率、反照率卫星遥感的理论基础

2.1 二向反射率和反照率

2.2 反射率和反照率的遥感反演

2.3 本章小结

第三章 全球地表反照率遥感产品质量评估与分析

3.1 引言

3.2 MODIS短波地表反照率验证

3.3 MISR短波地表反照率验证

3.4 SEVIRI短波地表反照率验证

3.5 雪对卫星地表反照率质量的影响

3.6 本章小结

第四章 地表BRDF模型

4.1 引言

4.2 Ross-Li模型

4.3 Roujean模型

4.4 Walthall模型

4.5 Rahman模型

4.6 Staylor模型

4.7 利用地表BRDF模型模拟冰雪反射率

4.7 本章小结

第五章 纯冰雪地表反射率特性研究

5.1 引言

5.2 多种卫星的雪反射率产品融合的理论基础

5.3 遥感雪反射率数据

5.4 地表BRDF模型模拟

5.5 雪地表反射率特性

5.6 本章小节

第六章 植被-雪混合地表反射率特性研究

6.1 引言

6.2 构建MISR地表反射率数据集

6.3 受雪影响的植被地表反射率

6.4 评价BRDF模型的应用

6.5 植被-雪混合地表反射率特性

6.6 本章小节

第七章 总结与展望

7.1 论文总结

7.2 主要创新点

7.3 研究展望

致谢

参考文献

攻博期间取得的研究成果