陳愛軍 孟文童 胡慎慎 卞林根

摘要 對比分析了青藏高原MODIS地表反照率產(chǎn)品和GLASS地表反照率產(chǎn)品的空間分布連續(xù)性、高質(zhì)量反演結(jié)果的比例，應(yīng)用青藏高原CAMP/Tibet試驗期間的高精度觀測數(shù)據(jù)評估了兩種產(chǎn)品的精度，通過人工目視解譯MODIS地表反射率圖像并結(jié)合MODIS積雪產(chǎn)品分析了影響兩種產(chǎn)品精度的原因，結(jié)果表明：1）GLASS地表反照率產(chǎn)品具有比MODIS地表反照率產(chǎn)品更好的空間分布連續(xù)性和更高的反演質(zhì)量;2）絕大多數(shù)時段內(nèi)兩種產(chǎn)品都能與地面觀測結(jié)果保持較好的一致性，能準確地反映地表反照率的異常變化過程;3）局地積雪是影響兩種產(chǎn)品精度的重要因素之一;4）積雪條件下，GLASS地表反照率反演算法比MODIS地表反照率反演算法更具優(yōu)勢。研究結(jié)果有助于促進人們對地表反照率衛(wèi)星遙感反演產(chǎn)品的認識，改進青藏高原地表反照率衛(wèi)星遙感反演算法，提高青藏高原地表反照率衛(wèi)星遙感反演結(jié)果的精度、反演質(zhì)量和空間分布連續(xù)性。

關(guān)鍵詞 地表反照率;精度分析;青藏高原;MODIS;GLASS

地表反照率定義為地表反射太陽輻射與入射太陽輻射之比，是影響地表輻射能量收支和地-氣相互作用的一個重要的地表參數(shù)（Dickinson，1995）。地表反照率在很大程度上決定了太陽輻射能量在地-氣系統(tǒng)中的分配，影響大氣環(huán)流和生物物理過程，對區(qū)域以至全球氣候有著重要影響（Hu and Boos，2017;Planque et al.，2017），因而是不同時空尺度的氣候模式（Haywood et al.，2016;Li et al.，2016;Levine and Boos，2017）、數(shù)值天氣預(yù)報模式（Vahmani and Ban-Weiss，2016）以及陸面過程模式（謝志鵬等，2017）中重要的地表參數(shù)。此外，地表反照率還可以用于監(jiān)測植被動態(tài)（Luke et al.，2016;Wang et al.，2017）、沙漠面積變化（Liu et al.，2017），以及研究干旱對氣候的影響（Evans et al.，2017）、火災(zāi)對生態(tài)系統(tǒng)的影響（Lyons et al.，2008;Saha et al.，2017），反演大氣氣溶膠狀況及區(qū)域能見度變化（林楚勇等，2015;包云軒等，2018），城市化影響（儲鵬等，2016）。

青藏高原平均海拔約4 500 m，被稱為“世界屋脊”、“第三極”，是世界海拔最高的高原。青藏高原大范圍熱動力作用不僅影響全球大氣環(huán)流，而且對中國及亞洲地區(qū)的災(zāi)害性天氣乃至全球氣候變化有著重要影響（Ye，1981;Ye and Wu，1998）。研究并獲得青藏高原地表反照率，對于促進青藏高原輻射能量收支以及地-氣相互作用研究具有重要的科學(xué)意義。

青藏高原地形復(fù)雜、氣候惡劣，衛(wèi)星遙感是獲得青藏高原高精度、高時空分辨率地表反照率的唯一有效途徑（方宗義等，1996;徐興奎和林朝暉，2002;陳愛軍等，2009，2018）。目前，已有多種衛(wèi)星遙感反演的地表反照率產(chǎn)品可以提供青藏高原的地表反照率，例如：美國MODIS （MODerate-resolution Imaging Spectroradiometer）地表反照率產(chǎn)品MCD43（Schaaf et al.，2010），我國北京師范大學(xué)制作的全球地表衛(wèi)星遙感產(chǎn)品GLASS（Global LAnd Surface Satellites）地表反照率（Liang et al.，2013;Liu et al.，2013），以及歐洲航天局發(fā)布的全球地表反照率GlobAlbedo（Lewis et al.，2012）。

地表反照率作為重要的氣候變量，全球氣候觀測系統(tǒng)GCOS （Global Climate Observing System）要求其絕對精度不低于0.05（https：//public.wmo.int/en/programmes/global-climate-observing-system）。青藏高原衛(wèi)星遙感反演地表反照率的精度一直備受關(guān)注，不少研究分析和評估了青藏高原MODIS地表反照率產(chǎn)品的精度（Wang，2004;余予等，2010;陳愛軍等，2012a），也有不少研究分析和評估了青藏高原GLASS地表反照率產(chǎn)品的精度（Liu et al.，2009;Wang et al.，2010;齊文棟等，2014;王立釗等，2014;陳愛軍等，2015）。由于觀測站點和資料有限，只能分析和評估有限的衛(wèi)星遙感反演結(jié)果的精度，少有研究深入分析影響衛(wèi)星遙感反演結(jié)果精度的因素。反演質(zhì)量是分析和評估大范圍衛(wèi)星遙感反演結(jié)果精度的一條重要途徑（Jin，2003;陳愛軍等，2016a，2016b）。此外，地表反照率衛(wèi)星遙感反演結(jié)果的空間分布連續(xù)性，也是氣候和陸面過程模擬與應(yīng)用研究必須考慮的一個重要因素。

MODIS地表反照率是目前唯一能夠近實時業(yè)務(wù)化提供青藏高原地表反照率的衛(wèi)星遙感反演產(chǎn)品（Schaaf et al.，2010），GLASS地表反照率則是我國自主研發(fā)、時間序列最長的地表反照率衛(wèi)星遙感反演產(chǎn)品（Liang et al.，2013;Liu et al.，2013），兩者對于青藏高原地表輻射能量收支和地-氣相互作用研究均有重要的應(yīng)用價值。本文應(yīng)用MODIS地表反照率和GLASS地表反照率反演質(zhì)量數(shù)據(jù)，對比分析了兩者在青藏高原大范圍的空間分布連續(xù)性和高質(zhì)量反演結(jié)果的比例，應(yīng)用青藏高原CAMP/Tibet國際合作科學(xué)觀測實驗期間獲得的高精度地表反照率觀測結(jié)果評估它們的精度，通過人工目視解譯MODIS地表反射率圖像并結(jié)合MODIS積雪產(chǎn)品，分析和討論了影響衛(wèi)星遙感反演結(jié)果精度的因素。

1 研究數(shù)據(jù)

1.1 MODIS地表反照率數(shù)據(jù)

MODIS是搭載在美國地球觀測系統(tǒng)EOS（Earth Observing System）上午星Terra和下午星Aqua的一個重要的探測器（https：//modis.gsfc.nasa.gov/）。美國航空航天局NASA （National Aeronautics and Space Administration） 利用其觀測數(shù)據(jù)開發(fā)了大量的大氣、陸地、海洋和冰雪產(chǎn)品，MODIS地表反照率產(chǎn)品就是其中的陸地產(chǎn)品之一。

MODIS地表反照率采用半經(jīng)驗的線性RossThick-LiSparse-R核驅(qū)動的二向反射分布函數(shù)BRDF（Bidirectional Reflectance Distribution Function）模型，利用經(jīng)過大氣校正后的Terra和Aqua雙星MODIS數(shù)據(jù)反演地表BRDF參數(shù)。反演時，根據(jù)反演周期內(nèi)累積的高質(zhì)量多角度晴空觀測總數(shù)（記為N），采用全反演（the full inversion）或者當量反演（the magnitude inversion）獲得反演結(jié)果，或者直接賦予填充值（無反演結(jié)果）（Lucht et al.，2000）。這里的高質(zhì)量多角度晴空觀測，是指衛(wèi)星對地觀測時，衛(wèi)星-像元-太陽之間形成的觀測幾何角度盡可能地遍及整個半球空間。如果N≥7，首先嘗試全反演;如果3≤N<7，首先嘗試當量反演;如果N<3，直接賦予填充值。全反演失敗，則嘗試當量反演，當量反演失敗則直接賦予填充值（Lucht et al.，2000）。所謂的當量反演，是用高質(zhì)量多角度晴空觀測數(shù)據(jù)修正先驗的（a priori）BRDF參數(shù)，使它們更加符合地表的實際狀態(tài)。然后，對BRDF積分獲得地表黑空反照率BSA（Black-Sky Albedo）和白空反照率WSA（White-Sky Albedo）。

Aqua衛(wèi)星發(fā)射前，MODIS地表反照率僅由Terra MODIS數(shù)據(jù)生成，每隔16 d反演一次，產(chǎn)品編號MOD43（Schaaf et al.，2002）。之后，則由16 d期間的Terra和Aqua雙星MODIS數(shù)據(jù)每隔8 d反演一次，以便提高反演質(zhì)量和效率，產(chǎn)品編號改為MCD43（Schaaf et al.，2010）。

MODIS地表反照率產(chǎn)品MCD43以500 m、1 km和0.05°氣候網(wǎng)格等三種空間分辨率（分別編號A、B、C）提供地表BRDF模型參數(shù)、地表BRDF參數(shù)反演質(zhì)量、地表反照率和BRDF校正后的天底反射率NBAR（Nadir BRDF Adjusted Reflectance）等四種產(chǎn)品（分別編號1、2、3和4）?？臻g分辨率為500 m和1 km的MODIS地表反照率產(chǎn)品采用正弦投影，空間分辨率為0.05°氣候網(wǎng)格的產(chǎn)品則采用等經(jīng)緯度投影?？臻g分辨率相同的MODIS地表反照率產(chǎn)品，具有完全一致的時空關(guān)系。

MODIS陸地正弦投影網(wǎng)格（http：//landdb1.nascom.nasa.gov/developers/is_tiles/is_grid.html）編號為h24v05、h25v05、h26v05、h25v06和h26v06的5個區(qū)域正好覆蓋青藏高原。本文所用數(shù)據(jù)為這5個區(qū)域2002—2004年空間分辨率為1 km的MCD43正弦投影數(shù)據(jù)，包括MCD43B3和MCD43B2。MCD43B3主要提供MODIS 1—7通道和可見光（0.3～0.7 μm）、近紅外（0.7～5.0 μm）及短波（0.3～5.0 μm）等3個寬波段的地表黑空反照率BSA和白空反照率WSA（Schaaf et al.，2002）。MCD43B2主要提供地表BRDF參數(shù)反演質(zhì)量，其中：質(zhì)量標志0、1和255分別表示地表BRDF參數(shù)為“全反演結(jié)果”、“當量反演結(jié)果”和“填充值”（https：//lpdaac.usgs.gov/products/modis_products_table/mcd43b2）。研究還采用了部分僅由Terra MODIS數(shù)據(jù)制作的MOD43B3和MOD43B2數(shù)據(jù)。

研究數(shù)據(jù)由美國地質(zhì)調(diào)查局USGS （United States Geological Survey）地球資源觀測與科學(xué)EROS （Earth Resource Observation and Science）數(shù)據(jù)中心提供，數(shù)據(jù)質(zhì)量能夠滿足科學(xué)研究的需要（https：//www.umb.edu/spectralmass/terra_aqua_modis）。

1.2 GLASS地表反照率

GLASS地表反照率是北京師范大學(xué)開發(fā)的5個全球地表衛(wèi)星遙感產(chǎn)品之一（Liang et al.，2013;梁順林等，2014）。該產(chǎn)品首先采用AB（Angular Bin）算法生成初級產(chǎn)品（逐日的地表反照率），然后采用基于統(tǒng)計學(xué)的時域濾波STF（Statistics-based Temporal Filter）算法對初級產(chǎn)品進行數(shù)據(jù)融合處理，包括數(shù)據(jù)的時間序列平滑，以及缺失數(shù)據(jù)的填補，獲得多天合成的終級產(chǎn)品（梁順林等，2014）。AB算法實際是一種直接反演算法：利用衛(wèi)星觀測的多波段方向性地表反射率，采用線性統(tǒng)計反演關(guān)系獲得可見光、近紅外和短波波段等三個寬波段的反照率（劉強等，2012）。具體而言，可以采用AB1算法或AB2算法，前者的多波段方向性地表反射率經(jīng)過大氣校正，后者則未經(jīng)大氣校正。

目前，對外公開發(fā)布的GLASS地表反照率產(chǎn)品的時間范圍為1981—2013年。1981—1999年的GLASS地表反照率產(chǎn)品由AVHRR（Advanced Very High Resolution Radiometer）生成，僅采用AB1算法生成初級產(chǎn)品，終級產(chǎn)品GLASS02B05每隔8 d由33 d期間（產(chǎn)品標記日及其前后16 d）的初級產(chǎn)品采用STF算法融合而成。GLASS02B05采用等經(jīng)緯度投影，空間分辨率為0.05°。2000—2013年的GLASS地表反照率產(chǎn)品由MODIS數(shù)據(jù)生成，每天由Terra和Aqua MODIS數(shù)據(jù)分別采用AB1算法和AB2算法獲得4種初級產(chǎn)品（GLASS02A2X，X=1，2，3，4）。然后，每隔8 d采用STF算法融合17 d期間（產(chǎn)品標記日及其前后8 d）的4種初級產(chǎn)品，生成終級產(chǎn)品GLASS02A06。GLASS02A06采用與MCD43相同的正弦投影方式，空間分辨率為1 km（Liang et al.，2013;Liu et al.，2013;梁順林等，2014）。

本文研究所用數(shù)據(jù)為2002—2004年的GLASS02A06（第1版），數(shù)據(jù)區(qū)域與研究所用MCD43數(shù)據(jù)對應(yīng)。GLASS02A06主要提供短波波段（0.3～3.0 μm）的黑空反照率BSA和白空反照率WSA，同時提供反照率的總體質(zhì)量及其他數(shù)據(jù)信息（Liu et al.，2013;王立釗等，2014）。GLASS02A06采用質(zhì)量標記0、1、2和3分別表示產(chǎn)品的總體質(zhì)量“好”、“可接受”、“較差”和“不可用”。研究所用數(shù)據(jù)由北京師范大學(xué)全球陸表特征參量產(chǎn)品免費提供（http：//glass-product.bnu.edu.cn）。

1.3 地面觀測數(shù)據(jù)

本文所用地面觀測數(shù)據(jù)為BJ、NPAM、TGL和XDT等四個站點在青藏高原CAMP/Tibet國際合作科學(xué)觀測實驗期間獲得的高精度地表下行和上行太陽短波總輻射觀測資料。這四個站點位于MODIS陸地正弦投影網(wǎng)格編號為h25v05的區(qū)域，處于青藏高原中部（表1）。觀測站點所處位置都比較開闊，周圍地勢也比較平坦，下墊面能夠代表藏北高原大范圍的地表特征，具有較好的代表性。所有儀器在試驗前都經(jīng)過嚴格的標定和校準，試驗期間也得到較好的維護和保養(yǎng)，因而觀測資料的質(zhì)量較好，具有較好的準確性和可比性。研究所用數(shù)據(jù)由中國科學(xué)院青藏高原研究所提供，其中：BJ站和NPAM站的觀測數(shù)據(jù)為2002年資料，時間分辨率為1 h;XDT站和TGL站的觀測數(shù)據(jù)為2006年，時間分辨率為30 min。

1.4 其他數(shù)據(jù)

研究還采用了MODIS陸地正弦投影網(wǎng)格編號為h25v05區(qū)域的另外兩類數(shù)據(jù)：一類是空間分辨率為500 m經(jīng)過大氣校正的MODIS地表反射率產(chǎn)品，包括Terra MODIS數(shù)據(jù)生成的MOD09GA和Aqua MODIS數(shù)據(jù)生成的MYD09GA（https：//modis.gsfc.nasa.gov/data/dataprod/mod09.php）;另一類是空間分辨率為1 km的MODIS積雪產(chǎn)品，包括Terra MODIS數(shù)據(jù)制作的MOD10A1和Aqua MODIS數(shù)據(jù)制作的MYD10A1（https：//modis.gsfc.nasa.gov/data/dataprod/mod10.php）。對于大氣校正后的MODIS地表反射率數(shù)據(jù)，研究主要利用它們提供的MODIS 1—7通道經(jīng)過大氣校正的地表反射率數(shù)據(jù)及其質(zhì)量信息。對于MODIS積雪產(chǎn)品，研究主要利用它們提供的MODIS云/雪判識結(jié)果及其質(zhì)量信息。這些數(shù)據(jù)均由美國地質(zhì)調(diào)查局USGS地球資源觀測與科學(xué)EROS數(shù)據(jù)中心提供，數(shù)據(jù)質(zhì)量能夠滿足科學(xué)研究的需要。

2 研究方法

2.1 地面輻射觀測數(shù)據(jù)處理

首先，參考陳愛軍等（2015）的處理方法，以下行太陽短波總輻射不低于600 W/m2為標準篩選出“晴空”輻射觀測資料，以上行總輻射與下行總輻射之比計算時間分辨率為1 h或30 min的“晴空”地表反照率，然后采用算術(shù)平均計算日平均地表反照率。

然后，采用與研究所用GLASS地表反照率產(chǎn)品GLASS02A06完全一致的時域窗口，應(yīng)用算術(shù)平均計算17 d平均地表反照率。由于積雪覆蓋對地表反照率的影響較大，研究參考陳愛軍等（2015）的處理方法，以日平均地表反照率0.4為標準將17 d分為“積雪日”（不低于0.4）和“無雪日”（低于0.4），根據(jù)17 d期間“積雪日”和“無雪日”的多寡，選擇對應(yīng)條件的日平均地表反照率計算17 d平均地表反照率。

2.2 衛(wèi)星遙感反演產(chǎn)品處理

無論是MODIS地表反照率，還是GLASS地表反照率產(chǎn)品，它們提供的只是黑空反照率和白空反照率（Schaaf et al.，2002;劉強等，2012），也就是太陽輻射完全直射和完全漫射條件下的地表反照率，并不是真實的地表反照率。真實的地表反照率需要根據(jù)實際天空漫射光比例對兩者進行線性加權(quán)平均（Pinty et al.，2005），即：

2.3 數(shù)據(jù)比較方法

采用“點對點”的比較方式對比分析地表反照率地面觀測結(jié)果與衛(wèi)星遙感反演結(jié)果之間的差異，即：將站點對應(yīng)像元的衛(wèi)星遙感反演結(jié)果與站點的地面觀測進行比較。由于GLASS地表反照率GLASS02A06與MODIS地表反照率MCD43B3和MOD43B3的時域合成窗口存在差異，本文將時間標記為第9天的GLASS02A06與時間標記為第1天的MCD43B3或MOD43B3進行比較（圖1），并依次類推讓兩種衛(wèi)星遙感反演產(chǎn)品在時域上盡可能對應(yīng)一致，同時忽略兩者時域合成周期相差1 d引起的差異。另外，本文忽略地面觀測結(jié)果、GLASS地表反照率短波波段、MODIS地表反照率短波波段的譜寬差異。

3 反演結(jié)果對比

3.1 反演效率

反演效率，即有效反演結(jié)果的比例，可以反映地表反照率反演結(jié)果的空間分布連續(xù)性。統(tǒng)計分析結(jié)果表明：2002—2004年青藏高原GLASS地表反照率的反演效率幾乎達到100%，最低也超過99.9%（圖2a）;MODIS地表反照率的反演效率則相對偏低，最高約98%，一般在80%以上，最低時甚至不足60%（圖2b）。

這表明GLASS地表反照率的空間分布連續(xù)性更好，更加有利于氣候和陸面過程模擬與應(yīng)用研究，而MODIS地表反照率的空間分布連續(xù)性仍有較大的改進空間。分析其中的原因，與兩種衛(wèi)星遙感反演產(chǎn)品的算法有著密切關(guān)系。根據(jù)GLASS地表反照率算法，只要有晴空觀測數(shù)據(jù)即可由AB算法獲得日產(chǎn)品，而且終級產(chǎn)品由17 d期間的日產(chǎn)品采用STF算法融合而成，因而反演效率較高。然而，MODIS地表反照率反演算法對高質(zhì)量多角度晴空觀測總數(shù)有著較高的要求，即使當量反演也要求至少3個，全反演則要求至少7個（Schaaf et al.，2010）。

3.2 高質(zhì)量反演結(jié)果的比例

反演質(zhì)量是評價大范圍衛(wèi)星遙感反演結(jié)果精度的一個重要指標（Jin，2003）。地表反照率高質(zhì)量反演結(jié)果的精度更高，而低質(zhì)量反演結(jié)果的精度具有較大的不確定性（陳愛軍等，2012a，2012b，2015）。分析結(jié)果表明：2002—2004年，青藏高原MODIS地表反照率高質(zhì)量反演結(jié)果的比例一般介于40%和80%，最高約90%（2003年第281天開始的8 d期間），最低不足1%（2002年第73天開始的8 d期間）;GLASS地表反照率高質(zhì)量反演結(jié)果的比例大多超過80%，最高約98%（2002年第313天開始的8 d期間），最低約56%（2002年第1天開始的8 d期間） （圖3）。

另外，不同反演周期的GLASS地表反照率和MODIS地表反照率高質(zhì)量反演結(jié)果的比例存在較大的差異。總體而言，青藏高原GLASS地表反照率高質(zhì)量反演結(jié)果的比例要高于MODIS地表反照率高質(zhì)量反演結(jié)果的比例，且相對穩(wěn)定。其中的原因，主要與各反演周期的晴空觀測總數(shù)有關(guān)：即使晴空觀測總數(shù)不足，GLASS地表反照率反演算法也可以通過融合多天的反演結(jié)果最終獲得質(zhì)量較高的反演結(jié)果，而MODIS地表反照率反演算法不僅對晴空觀測總數(shù)有要求，而且只有高質(zhì)量多角度晴空觀測總數(shù)不少于7個時才有可能通過全反演獲得高質(zhì)量反演結(jié)果，必然影響其高質(zhì)量反演結(jié)果的比例。

3.3 精度分析

對比分析TGL、XDT、NPAM和BJ站的地面觀測結(jié)果MODIS地表反照率和GLASS地表反照率，絕大多數(shù)時段內(nèi)它們都有較好的一致性（圖4）。盡管某些時段存在一定的差異，但是仍然能夠保持較為一致的變化趨勢，較好地反映地表因為經(jīng)歷降雪、融雪過程而引起的地表反照率異常變化過程，例如：在TGL站第65、73、81、89、97天開始的時段，以及第289、297、305、313、321、329、337天開始的時段（圖4a）。

MODIS地表反照率或GLASS地表反照率在某些時段也與地面觀測結(jié)果存在較大的差異，大致可以分為以下幾種情形：第一種是MODIS地表反照率與地面觀測結(jié)果基本一致或相差較小，而GLASS地表反照率明顯高于地面觀測結(jié)果，例如：TGL站第41天開始的8 d期間（圖4a）和XDT站第41天開始的8 d期間（圖4b）;第二種是GLASS地表反照率與地面觀測結(jié)果基本一致或者相差較小，而MODIS地表反照率明顯低于地面觀測結(jié)果，例如：XDT站2006年第297天開始的8 d期間（圖4b）;第三種是MODIS地表反照率和GLASS地表反照率均顯著高于地面觀測結(jié)果，例如：NPAM站2002年第25天開始的8 d期間（圖4c）;第四種是MODIS地表反照率和GLASS地表反照率均顯著低于地面觀測結(jié)果，例如：BJ站2002年第17、25、33、57、65天開始的8 d期間（圖4d）。深入分析MODIS地表反照率或GLASS地表反照率與地面觀測結(jié)果存在較大差異的原因，結(jié)果表明：云覆蓋是導(dǎo)致第一種情形的主要原因。以TGL站2006年第41天開始的8 d期間為例，第33—49天期間，人工目視解譯結(jié)果表明：TGL站及其周邊區(qū)域除8次無雪之外，其余9次均為云覆蓋。因此，導(dǎo)致GLASS地表反照率明顯高于地面觀測結(jié)果的唯一可能原因是將云覆蓋誤判為積雪，因而反演結(jié)果高達0.47。MODIS地表反照率雖然比GLASS地表反照率的輸入數(shù)據(jù)少1 d，但是通過MODIS積雪產(chǎn)品提供的云雪判識結(jié)果對輸入數(shù)據(jù)的質(zhì)量進行了嚴格控制，只能以地表無雪狀態(tài)的觀測數(shù)據(jù)反演地表BRDF參數(shù)和反照率，反演結(jié)果與地面觀測結(jié)果非常接近。這說明云雪判識是衛(wèi)星遙感反演地表反照率必不可少的環(huán)節(jié)，有助于提高反演結(jié)果的精度，尤其是GLASS地表反照率。

第二種情形的原因，與地表處于積雪狀態(tài)和MODIS地表反照率當量反演結(jié)果的不確定性有關(guān)。根據(jù)MODIS積雪產(chǎn)品提供的云雪判識結(jié)果，Terra和Aqua衛(wèi)星于2006年第289—304天期間過境觀測時，XDT站5次無雪、11次積雪、1次云覆蓋。根據(jù)MODIS地表反照率反演算法，應(yīng)該采用晴空積雪狀態(tài)下的觀測數(shù)據(jù)反演。理想情況下，完全可能通過全反演獲得反演結(jié)果，然而實際反演結(jié)果不僅是當量反演結(jié)果，而且低至0.23（圖4b），與地面觀測結(jié)果的絕對偏差高達0.36。這既說明MODIS地表反照率反演算法在積雪狀態(tài)下存在一定的局限性，也說明MODIS地表反照率當量反演結(jié)果存在較大的不確定性。相反，GLASS地表反照率反演結(jié)果為0.56，與地面觀測結(jié)果的絕對偏差只有0.03，顯示出該反演算法的優(yōu)勢，尤其地表處于積雪狀態(tài)。

對于第三種情形，較為合理的解釋是地面觀測站點無雪，而站點對應(yīng)的像元存在積雪。根據(jù)MODIS積雪產(chǎn)品提供的云雪判識結(jié)果，2002年第17—33天期間NPAM站有9次積雪、3次無雪狀態(tài)，另有5次云覆蓋狀態(tài)。人工目視解譯結(jié)果也顯示該站有10次積雪、3次無雪狀態(tài)，其余4次云覆蓋狀態(tài)。在此期間，GLASS地表反照率和MODIS地表反照率分別高達0.54和0.73（圖4c），都是較為合理的結(jié)果。然而，這17天期間的地表反照率地面觀測結(jié)果表明該站并無積雪，只有第21天的地表反照率略高，為0.34，其余大多約0.22。因此，只有NAPM站對應(yīng)的像元因為積雪覆蓋引起衛(wèi)星觀測的地表反射率偏高，導(dǎo)致地表反照率反演結(jié)果偏高。比較而言，這期間GLASS地表反照率應(yīng)該比MODIS當量反演結(jié)果的可靠性更高。另外，這期間MODIS地表反照率仍然為當量反演結(jié)果，也再次說明MODIS地表反照率反演算法在積雪狀態(tài)下的局限性，以及當量反演結(jié)果的不確定性。

第四種情形則與站點對應(yīng)像元存在局地積雪有著密切關(guān)系。以BJ站2002年第57天開始的8 d期間為例，人工目視解譯結(jié)果表明：2002年第49—66天期間，BJ站及周邊區(qū)域出現(xiàn)6次積雪，而且BJ站多次處于薄雪區(qū)或積雪邊緣區(qū)，另有7次云覆蓋和4次無雪。BJ站地面觀測的日平均地表反照率普遍較高，最高約0.80，最低也有0.41，只有2 d的日平均地表反照率約為0.30。顯然，BJ站出現(xiàn)了積雪和消融過程，因而17 d平均的地表反照率超過0.60（圖4d）。然而，由于站點對應(yīng)的像元經(jīng)常處于薄雪或積雪邊緣區(qū)，積雪覆蓋比例較小，對衛(wèi)星觀測的地表反射率的影響較小，導(dǎo)致地表反照率衛(wèi)星遙感反演結(jié)果偏低。其他幾個類似的情形，也與2002年第57天開始的8 d期間的情況基本類似。

導(dǎo)致第三、四種情形的實質(zhì)都是局地積雪的影響，根本原因在于衛(wèi)星遙感反演結(jié)果與地面觀測結(jié)果比較時存在“點”對“面”的差異。采用對應(yīng)時次的高空間分辨率、高精度衛(wèi)星遙感反演結(jié)果，無疑是消除這種差異、實現(xiàn)“面”對“面”比較的一條有效途徑。然而，目前仍然是定量評估衛(wèi)星遙感反演結(jié)果精度的難點之一。

綜合TGL、XDT、NPAM和BJ等4個站點的地面觀測結(jié)果，統(tǒng)計分析它們與衛(wèi)星遙感反演結(jié)果的均方根誤差，結(jié)果表明：MODIS地表反照率和GLASS地表反照率與地面觀測結(jié)果的均方根誤差分別高達0.086 1和0.077 1;即使只考慮高質(zhì)量反演結(jié)果，也仍然高達0.078 7和0.077 5。盡管MODIS地表反照率的均方根誤差略小，仍然無法達到全球氣候觀測系統(tǒng)GCOS對地表反照率的絕對精度不低于0.05的要求。不過，結(jié)合人工分析剔除錯誤的反演結(jié)果，MODIS地表反照率和GLASS地表反照率的均方根誤差均減小至0.05以內(nèi)，分別為0.028 0和0.032 9;如果只考慮高質(zhì)量反演結(jié)果，則進一步減小至0.020 6和0.033 0。

4 結(jié)論

本文采用MODIS和GLASS地表反照率反演質(zhì)量數(shù)據(jù)，分析了兩種衛(wèi)星遙感反演結(jié)果在青藏高原大范圍的空間分布連續(xù)性和高質(zhì)量反演結(jié)果的比例，應(yīng)用青藏高原CAMP/Tibet 試驗期間BJ、NPAM、TGL和XDT等4個站點的高精度地面觀測結(jié)果評估了兩種遙感反演結(jié)果的精度，通過人工目視解譯MODIS地表反射率圖像并結(jié)合MODIS積雪產(chǎn)品提供的云雪判識結(jié)果，分析和討論了影響衛(wèi)星遙感反演結(jié)果精度的因素，結(jié)論如下：

1）GLASS地表反照率和MODIS地表反照率的反演效率和高質(zhì)量反演結(jié)果的比例在不同的反演周期存在較大的差異：GLASS地表反照率的反演效率超過99.9%，高質(zhì)量反演結(jié)果的比例大多超過80%，最高約98%;MODIS地表反照率的反演效率一般超過80%，但最低不足60%，高質(zhì)量反演結(jié)果的比例一般介于40%和80%，最低不足1%。相對而言，GLASS地表反照率具有比MODIS地表反照率更好的空間分布連續(xù)性和更高的反演質(zhì)量。

2）MODIS地表反照率和GLASS地表反照率在絕大多數(shù)時段內(nèi)都能與地面觀測結(jié)果保持較好的一致性，能夠準確地反映地表積雪及消融過程引起地表反照率的異常變化過程，但是部分時段也與地面觀測結(jié)果存在較大的差異。

3）局地積雪是導(dǎo)致地表反照率衛(wèi)星遙感反演結(jié)果與地面觀測結(jié)果產(chǎn)生差異的重要原因，云雪判識有助于提高GLASS地表反照率的反演精度。GLASS地表反照率反演算法在積雪條件下比MODIS地表反照率反演算法更具優(yōu)勢，反演結(jié)果的精度更高。

4）青藏高原地表反照率衛(wèi)星遙感反演結(jié)果的精度存在不確定性：即使MODIS地表反照率和GLASS地表反照率高質(zhì)量反演結(jié)果，如果未經(jīng)人工分析，與地面觀測結(jié)果的均方根誤差高達0.078 7和0.077 5;經(jīng)過人工分析并剔除錯誤的反演結(jié)果后，與地面觀測結(jié)果的均方根誤差可以減小至0.028 0和0.032 9，能夠滿足全球氣候觀測系統(tǒng)GCOS要求地表反照率的絕對精度不低于0.05的要求。

本文研究結(jié)果有助于進一步優(yōu)化和改進MODIS地表反照率和GLASS地表反照率反演算法，提高青藏高原地表反照率衛(wèi)星遙感反演結(jié)果的精度、反演質(zhì)量和空間分布連續(xù)性，促進地表反照率衛(wèi)星遙感反演產(chǎn)品在青藏高原輻射能量收支和地-氣相互作用研究中的應(yīng)用。

致謝：衷心感謝中國科學(xué)院青藏高原研究所提供的地面觀測數(shù)據(jù)。

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In this paper，the spatial distribution continuity and ratio of the high-quality retrievals over the Tibetan Plateau of two land surface albedo products，namely MODIS（MODerate resolution Imaging Spectroradiometer）land surface albedo and GLASS （Global LAnd Surface Satellite Products System）land surface albedo，were comparatively analyzed.Next，the accuracies of these two products were evaluated using the high-precision ground observation data obtained during the CAMP/Tibet experiments.Furthermore，the factors affecting the accuracies of these two products were analyzed through artificial visual interpretation combined with the MODIS snow product.The results of the study are as follows：1）The product of the GLASS land surface albedo is superior to that of the MODIS land surface albedo in terms of both spatial distribution continuity and the ratio of the high-quality retrievals.2）These two products both have high consistency with land surface albedo ground measurements during most of the retrieval periods，and rather accurately reflect the abnormal changing processes of land surface albedo.3）The patchy snow is an important factor affecting the accuracies of these two products when performing comparison with the ground measurements.4）The inversion algorithm of the GLASS land surface albedo has a great advantage over that of the MODIS land surface albedo under snow conditions.The above results are conducive to the users to acquiring better knowledge of these two products.In addition，the results also contribute to the improvements of the algorithm of satellite remote sensing land surface albedo over the Tibetan Plateau，so as to assist in obtaining retrievals with better precision，quality and spatial distribution continuity.

the land surface albedo;accuracy analysis;the Tibetan Plateau;MODIS（MODerate resolution Imaging Spectroradiometer）;GLASS （Global LAnd Surface Satellite Products System）

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20171030001

（責任編輯：劉菲）