吳宏伊，童 玲

(電子科技大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院 成都 611731)

地表反照率是衡量地表能量收支、影響氣候變化的重要參數(shù)[1]。在衛(wèi)星遙感應(yīng)用中，反照率用于多種遙感產(chǎn)品的生產(chǎn)，如葉面積指數(shù)、植被面積指數(shù)等，同時(shí)它也是地表覆蓋分類(lèi)等研究的基礎(chǔ)[2-3]。雪由于有高反射率特性，只能吸收少量的輻射能量，能夠顯著影響地氣系統(tǒng)能量平衡[4]。因此，雪的反照率特性是全球反照率監(jiān)測(cè)和應(yīng)用的重要部分。

由于具有大范圍、長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，遙感衛(wèi)星已經(jīng)廣泛應(yīng)用于地表反照率監(jiān)測(cè)。MODIS的地表反照率產(chǎn)品具有中等分辨率、覆蓋全球、時(shí)間跨度大(2000年到現(xiàn)在)的特點(diǎn)，是最為廣泛使用的地表反照率產(chǎn)品。它具有較高的空間分辨率，能提供連續(xù)的多年地表反射率數(shù)據(jù)，反映地表反射特性的日、季節(jié)和年度變化。利用冰雪覆蓋的格陵蘭島上的站點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，已經(jīng)證實(shí)了MODIS雪反照率產(chǎn)品質(zhì)量低于植被地區(qū)的反照率質(zhì)量[4-5]。除了像格陵蘭島這樣由純冰雪覆蓋的地區(qū)，在很多中高緯度的植被地區(qū)，季節(jié)性的降雪同樣會(huì)顯著影響地表反照率的反演質(zhì)量。這些地區(qū)的地表反照率產(chǎn)品質(zhì)量受雪的影響還未得到量化和評(píng)估。

以地面站點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)衛(wèi)星產(chǎn)品進(jìn)行驗(yàn)證和評(píng)估是將其應(yīng)用于環(huán)境科學(xué)的基礎(chǔ)[6]。本文針對(duì)不同地表植被類(lèi)型，以美洲的19個(gè)地表站點(diǎn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，全面評(píng)價(jià)MODIS的地表短波反照率產(chǎn)品質(zhì)量，并針對(duì)雪的影響，提出量化的質(zhì)量分析。

1 MODIS地表反照率反演

MODIS的反照率算法是基于16天內(nèi)累積的方向反射率數(shù)據(jù)對(duì)地表反射率模型進(jìn)行反演。傳感器獲取的天頂反射率數(shù)據(jù)經(jīng)大氣矯正產(chǎn)生地表方向反射率數(shù)據(jù)。在16天時(shí)間內(nèi)得到的反射率數(shù)據(jù)被累積在一起，含有不同的觀測(cè)視角信息，用它們擬合半經(jīng)驗(yàn)的地表反射率模型可確定模型的相關(guān)參數(shù)，進(jìn)而計(jì)算任意角度的方向反射率及半球反照率。反演中使用的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪荝TLSR(ross-thick-lisparse-reciprocal)模型，它具有一個(gè)常數(shù)項(xiàng)和兩個(gè)核的線性核驅(qū)動(dòng)模型[7]：

式中，R是地表二向反射率；l是波長(zhǎng)；q￠、q分別代表太陽(yáng)入射輻射方向和衛(wèi)星傳感器的觀測(cè)方向；是模型的3個(gè)待定參數(shù)；kvol和kgeo分別代表體散射核和幾何光學(xué)核。

MODIS提供3個(gè)可見(jiàn)光和4個(gè)近紅外波段的窄帶反照率產(chǎn)品，其波長(zhǎng)范圍分別為0.62~0.67 μm、0.84～0.87 μm、0.46～0.48 μm、0.54～0.56 μm、1.23～1.25 μm、1.63～1.65 μm及2.11～2.15 μm。同時(shí)，通過(guò)太陽(yáng)輻射光譜和各波段濾波器透過(guò)率函數(shù)[8]，可將窄帶反照率轉(zhuǎn)換為寬帶反照率，由此產(chǎn)生的短波寬帶反照率覆蓋了0.3～5.0 μm的波長(zhǎng)范圍。

2 數(shù)據(jù)處理

MODIS搭載在美國(guó)地球觀測(cè)系統(tǒng)計(jì)劃中的Terra和Aaqua衛(wèi)星上，是被動(dòng)式成像分光輻射計(jì)，共有490個(gè)探測(cè)器，分布在36個(gè)光譜波段，覆蓋了從0.4～14.4 μm的光譜范圍。本文采用結(jié)合了Terra和Aaqua兩顆衛(wèi)星的觀測(cè)數(shù)據(jù)生產(chǎn)的1 km分辨率的地表短波反照率產(chǎn)品(MCD43B3)。

MODIS的地表反照率、BRDF產(chǎn)品具有質(zhì)量控制文件(MCD43B2)，可以用于區(qū)別MODIS反照率產(chǎn)品是否受到雪的影響。雪在可見(jiàn)光波段具有高反射特性，而在近紅外波段反射率較低[9]。利用雪的這種特性，MODIS的第4波段(可見(jiàn)光)和第6波段(近紅外)的觀測(cè)數(shù)據(jù)可以用來(lái)鑒別地表是否有雪覆蓋。當(dāng)MODIS反照率算法的16天時(shí)間窗口內(nèi)的大部分地表反射率數(shù)據(jù)是對(duì)有雪地表的觀測(cè)，并且這些受雪影響的數(shù)據(jù)進(jìn)入反演算法時(shí)，反照率產(chǎn)品的質(zhì)量控制數(shù)據(jù)就將其標(biāo)記為有雪的產(chǎn)品[10]。通過(guò)這個(gè)質(zhì)量控制數(shù)據(jù)，全部19個(gè)站點(diǎn)的反照率產(chǎn)品被分為沒(méi)雪和有雪兩類(lèi)，并分別進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估。

表1 站點(diǎn)信息

AmeriFLUX是全球微氣象觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)FLUXNET的重要組成部分。它建于1996年，能提供半小時(shí)的高時(shí)間分辨率的CO2、水、能量和動(dòng)力學(xué)等生態(tài)和環(huán)境參數(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)。AmeriFLUX的超過(guò)120個(gè)地面站點(diǎn)覆蓋了北美、中美和南美的廣大區(qū)域。AmeriFLUX的2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)文件包含了豐富的測(cè)量信息，包括輻射能量、溫度、CO2濃度和土壤水等。在信息缺失的時(shí)間點(diǎn)上都有統(tǒng)一的填充信息，便于區(qū)別和使用。本文選取了19個(gè)AmeriFLUX站點(diǎn)，選擇的依據(jù)主要是緯度范圍在中緯到高緯地區(qū)，這樣在冬春季節(jié)可以觀測(cè)到植被-雪混合地表的反照率數(shù)據(jù)。表1總結(jié)了站點(diǎn)的位置和植被信息。在驗(yàn)證中，地面站點(diǎn)的短波反射輻射與入射輻射的比值作為地表反照率測(cè)量值用于與MODIS反照率進(jìn)行對(duì)比和統(tǒng)計(jì)分析。由于MODIS的地表反照率是通過(guò)16天內(nèi)的反射率數(shù)據(jù)反演得到的，它反映了這個(gè)時(shí)間區(qū)間內(nèi)地表反照率的總體情況。相應(yīng)的地面站點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了16天累積平均處理。作為近極地軌道衛(wèi)星，Terra和Aqua用于生產(chǎn)反照率產(chǎn)品的觀測(cè)數(shù)據(jù)分別在當(dāng)?shù)貢r(shí)間10:30和13:30采集，即進(jìn)入反演過(guò)程的數(shù)據(jù)是集中在當(dāng)?shù)貢r(shí)間的正午前后采集的。對(duì)應(yīng)于MODIS的觀測(cè)時(shí)間，每天正午前后2 h內(nèi)的站點(diǎn)數(shù)據(jù)被選取來(lái)進(jìn)行平均處理。

3 結(jié)果及分析

圖1顯示了2005年的MODIS短波地表反照率與AmeriFLUX站點(diǎn)數(shù)據(jù)的對(duì)比結(jié)果。有些站點(diǎn)沒(méi)有顯示出全年的對(duì)比情況，這是由于衛(wèi)星產(chǎn)品或地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)在某些時(shí)間出現(xiàn)了缺失，圖中僅顯示了能進(jìn)行對(duì)比分析的數(shù)據(jù)。在UCI_1850、UCI_1930、UCI_1964、UCI_1981、Metolius_Intermediate_Pine、Barlett_Experimental_Forest、UMBS、Willow_Creek這8個(gè)由森林覆蓋的站點(diǎn)，夏秋季節(jié)的地表反照率表現(xiàn)出明顯的濃密植被反照率的特點(diǎn)，反照率值保持在0.1左右。其他11個(gè)站點(diǎn)的植被覆蓋矮小或稀疏一些，反照率值有所上升，在0.2左右。在沒(méi)有雪的影響時(shí)，MODIS的反演質(zhì)量非常好，與地面實(shí)測(cè)值幾乎一致。從圖中有雪的標(biāo)注(十字符號(hào))位置，可以看出較大的誤差幾乎都出現(xiàn)在地表有雪覆蓋的情況。對(duì)MODIS反照率數(shù)據(jù)和地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，表2總結(jié)了統(tǒng)計(jì)結(jié)果。各個(gè)站點(diǎn)的平均偏差在0.01～0.06之間，均方根誤差一般都在0.05～0.07之間。下面，各種植被類(lèi)型的數(shù)據(jù)將區(qū)別有無(wú)雪的影響進(jìn)行具體地評(píng)估。

針對(duì)常綠針葉林、草地、濕地、灌木林和農(nóng)田這5種植被類(lèi)型，本文分別統(tǒng)計(jì)了沒(méi)雪和有雪的情況下，MODIS短波反照率反演質(zhì)量的指標(biāo)。從圖1中可以看出，在Barlett_Experimental_Forest、UMBS、Willow_Creek這3個(gè)植被覆蓋為落葉闊葉林的站點(diǎn)缺乏有雪標(biāo)記的數(shù)據(jù)，因此沒(méi)有對(duì)這3個(gè)站點(diǎn)評(píng)估雪的影響。但是，從圖1中這3個(gè)站點(diǎn)的對(duì)比結(jié)果中可以看出，在2005年前100天時(shí)間內(nèi)，地面實(shí)測(cè)的反照率值在0.2～0.3，結(jié)合此時(shí)處于冬-春季節(jié)，可以判定這段時(shí)間內(nèi)的MODIS產(chǎn)品出現(xiàn)的較大反演誤差正是由雪引起的。這說(shuō)明MODIS地表反照率的質(zhì)量控制數(shù)據(jù)存在對(duì)雪覆蓋的誤判或漏判的情況。

圖1 2005年的MODIS短波反照率數(shù)據(jù)(圓圈)與AmeriFLUX站點(diǎn)實(shí)測(cè)反照率(星形符號(hào))的時(shí)間序列對(duì)比

圖2 5種植被類(lèi)型以及全部數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果的柱狀圖

圖2是5種植被類(lèi)型以及全部數(shù)據(jù)的反演誤差(Bias)、均方根誤差(RMSE)和標(biāo)準(zhǔn)差(STD)的柱狀圖。從中可以看出，除了濕地的反演誤差，其他所有的反演性能在有雪的影響時(shí)都有所下降。

表2總結(jié)了反演質(zhì)量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

雪對(duì)MODIS地表反照率產(chǎn)品產(chǎn)生影響最大的是常綠針葉林。沒(méi)有雪覆蓋時(shí)，常綠針葉林的反照率產(chǎn)品的反演誤差為-0.002 3，均方根誤差為0.023 0，標(biāo)準(zhǔn)差為0.011 4。在有雪時(shí)，這些指標(biāo)分別為0.082 5、0.108 5、0.086 6，都存在多倍的性能下降。其他4種植被類(lèi)型的反照率反演性能受雪的影響也有所下降。綜合所有數(shù)據(jù)，總的反演誤差絕對(duì)值受雪影響從0.020 6增至0.035 5，均方根誤差從0.057 2增至0.121 7，標(biāo)準(zhǔn)差從0.053 9增至0.187 0?？偟膩?lái)說(shuō)，在沒(méi)有雪的情況，MODIS短波反照率產(chǎn)品具有很高的反演質(zhì)量，在有雪覆蓋時(shí)，反演質(zhì)量有所下降，其中以常綠針葉林的反照率產(chǎn)品受雪影響最大。由于衛(wèi)星像元和地表觀測(cè)的尺度差異，在像元的大觀測(cè)范圍內(nèi)，很難滿足均勻的雪覆蓋，這種由雪引起的不同尺度上的地表不均一性是反演質(zhì)量下降的原因之一。尤其在森林中，雪在植被冠層停留的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于地面積雪的時(shí)間，另外位于觀測(cè)塔頂?shù)妮椛涠扔?jì)觀測(cè)的通常是其下方的小區(qū)域，而衛(wèi)星傳感器獲取的是較大范圍內(nèi)植被冠層、地表混合的輻射信息，這些因素引起了常綠針葉林站點(diǎn)的MODIS反照率在有雪時(shí)質(zhì)量顯著下降。另一方面，雪的積累和融化引起的地表情況變化比植被生長(zhǎng)引起的地表變化迅速得多。此時(shí)在MODIS反演時(shí)間窗口內(nèi)累積的地表反射率數(shù)據(jù)很難滿足地表情況不變的假設(shè)，地表反射率模型對(duì)反射率數(shù)據(jù)的模擬能力下降也可能引起反照率反演質(zhì)量下降。

表2 各站點(diǎn)反演質(zhì)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果

4 結(jié)論與討論

本文通過(guò)區(qū)別MODIS地表短波反照率產(chǎn)品是否受到雪的影響，分別評(píng)估了有雪和沒(méi)雪這兩種情況的反照率產(chǎn)品。涉及的5種地表植被類(lèi)型的反照率產(chǎn)品在有雪覆蓋時(shí)質(zhì)量都有所下降，其中常綠針葉林受影響最大。

對(duì)于由冰雪引起的反照率反演質(zhì)量下降，可以從以下方面進(jìn)行改進(jìn)：由于現(xiàn)行的衛(wèi)星反照率反演采用的地表反射率模型都不是以冰雪的反射率特性為基礎(chǔ)建立的，提高地表反射率模型對(duì)冰雪反射率的模擬能力可以改善這一問(wèn)題；另一方面，利用長(zhǎng)時(shí)間、多地區(qū)的反照率數(shù)據(jù)建立冰雪地表反照率的經(jīng)驗(yàn)信息，可以作為冰雪反照率反演時(shí)的背景場(chǎng)，提高反演質(zhì)量。

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