基于MODIS/AQUA 数据的地表短波净辐射反演

【目的】地表短波净辐射是许多全球、区域气候、水文、陆面过程模型中的重要参数,但运用遥感技术对地表短波净辐射精确实施监测一直是难点,希望构建具有一定泛化能力的高精度地表短波净辐射反演模型。【方法】利用大气传输模型MODTRAN模拟了大量复杂情况下的地表短波净辐射和通道辐射亮度。拟合地表短波净辐射与大气顶层观测值的非线性关系,分为两个步骤:(1)窄通道表观反射率向宽通道反照率转换;(2)利用大气顶层向上辐射通量与地表短波净辐射的非线性关系反演地表短波净辐射。构建完地表短波净辐射反演模型后,利用地表辐射观测网(SURFRAD)7个地面实测站点长时间序列数据,结合MODIS/AQUA遥感数据,对地表短波净辐射反演模型进行验证。【结果】反演模型构建过程中的步骤一结果表明,其偏差Bias为0,均方根误差RMSE为0.011,决定系数R2为0.997;步骤二的偏差Bias为0 W/m~2,均方根误差RMSE为7.29 W/m~2,决定系数R2为0.999。利用地面站点数据验证反演模型的结果表明,总体偏差Bias为-4.8 W/m~2,均方根误差RMSE为77.1 W/m~2,决定系数R2为0.9106,并且超70%样本的反演误差低于50 W/m~2。【结论】以MODIS/AQUA为驱动数据源,地表短波净辐射反演模型的构建精度和验证精度良好,具有一定的泛化能力和普适性。     

地表组分温度遥感反演算法研究进展

【目的】地表组分温度是定量遥感反演的一个关键参数,在能量平衡过程模型和地表自然灾害监测中具有重要意义。【方法】过去的几十年中,国内外大量研究人员针对地表组分温度的反演提出了不同的方法和模型。文章系统回顾了现有的地表组分温度热红外遥感反演算法,包括多角度算法、多波段算法和时空信息算法,分析了各种反演算法的优缺点,评述了地表组分温度的验证方法。【结果 /结论】地表组分温度反演方法发展至今已经取得了阶段性进展,有些研究成果已得到广泛运用。由于地表结构复杂性、卫星传感器硬件技术及卫星发射成本等客观因素的影响,地表组分温度反演仍存在一些难点和亟待解决的问题,如有效比辐射率会随观测角度的变化而改变的问题、多角度和多波段数据的相邻角度和波段数据之间均存在相关性较高的问题、多角度传感器不同角度观测到的目标面积和观测时间不一致的问题等。未来地表组分温度遥感反演仍然是一个需要不断深入研究的内容。     

热红外遥感及其在农业旱情监测中的应用研究进展

【目的】梳理目前热红外遥感研究进展,探讨热红外遥感技术在农业旱情监测方面的应用现状,为热红外遥感技术在土壤水分反演和旱情监测方面的应用探明发展道路。【方法】文章通过系统梳理和总结国内外热红外遥感及其在农业旱情监测中的应用研究进展,分析了目前研究存在的问题,并对未来热红外遥感在农业旱灾监测中的应用进行了展望。【结果】热红外遥感已经形成多源遥感数据和多时空分辨率数据并存的局面,地表温度遥感定量反演和地表蒸散发遥感估算已经取得较大进展,但热红外遥感数据产品系统生产仍然面临许多问题,尤其是时空尺度、云影响、像元间可比性和反演精度等问题,仍然需要开展深入的研究;目前农业旱情遥感监测已经取得了较大进展,国内外学者提出了多种不同的表征指数监测方法,但由于热红外遥感存在的许多固有问题,农业旱情遥感监测仍面临许多挑战,尤其是从热红外遥感前沿问题出发开展农业旱情遥感监测模型研究。【结论】在对地观测大数据时代背景下,热红外遥感及其在农业旱情遥感监测中的应用,迫切需要进一步深入研究全天候高精度地表温度遥感反演、高精度农田蒸散遥感定量估算、时空尺度转换与多尺度监测、旱情监测机理模型构建等前沿学术问题,同时,这些问题也是农业旱情遥感监测获得突破性进展的重要方向。热红外遥感理论与方法的发展,将有力地推动我国农业旱情监测精度的提高,为现代精准农业发展保驾护航。     

基于TM/ETM+遥感数据的地面相对反射率反演

卫星遥感数据的大气辐射校正是定量遥感的基础与关键。目前大气辐射校正方法的局限性已经严重影响了定量遥感科学进展。鉴于此,COST模型在TM／ETM数据上的实用性逐步得到学者们的共识。本文详细阐述了COST模型的理论及其算法,模型参数的确定及其获取途径。COST模型在完成TM／ETM卫星遥感数据大气辐射纠正的同时实现了地表反射率反演,为TM／ETM卫星遥感数据的应用研究奠定了基础。文章进一步借助地面光谱仪的宴测数据对研究区地表反射率反演结果进行了空间维和光谱维的分析验证,结果认为COST模型完全能够满足卫星遥感数据基本应用研究的需要。     

基于多源遥感数据的北京城市热岛研究

首先利用MODIS数据在像元尺度上获取地表温度反演中所需大气参数一大气水分含量,再利用LandsatTM影像采用Jimenez-Munoz和Sobrino的普适性单通道算法反演地表温度,通过地面实测数据对反演结果进行验证。结果表明,利用多源遥感数据反演地表温度具有较高的精度。用该方法对北京城市热岛状况进行研究,发现北京城市热岛效应十分明显,地表植被覆盖度低是城市热岛出现的主要原因之一。     

全天候区域地表蒸散发反演——以黑河流域为例

【目的】蒸散发是生物圈、岩石圈、水圈、冰雪圈和大气圈中水分循环和能量传输的重要控制因素。为克服区域尺度方法的主观性和站点尺度方法难以反映气象因子空间异质性的局限,文章以中国境内黑河流域为研究区域,使用2012年6月1日至9月15日的MODIS数据与CLDAS格网气象数据探索区域尺度全天候蒸散发遥感反演。【方法】该文利用逐像元地表温度—植被指数特征空间方法和Penman-Monteith公式分别估算晴空像元和有云像元的地表蒸散发,实现了区域尺度全天候蒸散发遥感反演。在分析研究区CLDAS气象数据的精度基础之上,利用MODIS数据反演的短波辐射来替代CLDAS气象数据中的短波辐射,作为全天候地表蒸散发的输入参数。最后,利用黑河流域4个不同站点实测的地表蒸散发数据对反演值进行验证。【结果】利用MODIS短波辐射代替CLDAS气象数据中的短波辐射,能够显著提高蒸散发的反演精度,4个站点反演值与实测值之间的平均均方根误差为76.3 W/m2。【结论】利用MODIS数据和CLDAS数据可以获得区域尺度的全天候蒸散发。在缺乏短波辐射数据或短波辐射数据精度较低的情况下,利用MODIS数据反演得到的短波辐射作为蒸散发模型的参数输入,能较大地提高蒸散发的反演精度。     

“高分五号”卫星地表温度反演与验证

【目的】“高分五号”卫星是中国首颗同时具有4 个热红外通道的遥感卫星,文章目 的是促进中国遥感卫星的应用,提高地表温度反演能力。【方法】文章对“高分五号”卫 星分别采用两通道劈窗算法和四通道劈窗算法反演得到内蒙古地区2019 年3 月份的地表温 度,并通过实测站点温度数据对反演温度进行检验。【结果】两通道劈窗算法的温度RMS 为 2.168 K,四通道劈窗算法的温度RMS 为1.609 K,结果表明四通道劈窗算法反演精度更高。 将四通道劈窗算法应用到2019 年3 月至6 月获取的山东省部分区域数据,反演了地表温度, 用于区域尺度农情信息监测与定量评价,为农业精细化管理提供技术支持。【结论】研究结 果表明,“高分五号”卫星地表温度反演精度较高,其高空间分辨率的地表温度信息将在农 业干旱监测中发挥重要作用。     

内陆地表水体水质遥感监测研究进展

【目的】 水质监测是水生态管理的一个重要环节。近年来内陆地表水体污染问题严重，及时、准确地获取内陆地表水质信息，可为水污染防治政策的制定提供科学依据，对合理调节城市生产生活污水排放以及保障内陆水域生态安全具有重要意义。【方法】 文章系统总结了国内外近年来内陆地表水体水质遥感监测的研究现状，介绍了内陆地表水体水质遥感监测常用的指标及其选择依据，归纳了内陆地表水体遥感监测中各种模型或方法的使用情况，指出了现有内陆地表水体水质遥感监测研究存在的问题。【结果】 当前内陆地表水体水质遥感监测存在以下问题：①实测数据获取成本高，亟需建立大规模共享平台，提高数据利用率；②绝大多数研究中的多种遥感数据源各自独立处理，需要进一步研究多元数据融合；③主要模型在实际研究中对实测数据依赖性较高，需要进一步优化算法模型，提高普适性；④已有研究中研究区多数为大面积湖泊或河流，需要增强对高分辨率卫星遥感和无人机遥感数据的利用，对细微水体水质进行监测研究。【结论】 该文分析了现有内陆地表水体水质遥感监测研究存在的问题，并提出了未来的发展趋势，旨在为实现内陆地表水体水质高效准确监测提供借鉴和参考。     

基于深度动态学习神经网络和辐射传输模型地表温度反演算法研究

【目的】地表温度反演是一个典型的病态反演问题,深度动态学习神经网络的出现提供了一条新的地表温度反演途径。文章以MODIS中红外和热红外波段作为参照模拟研究对象,利用深度动态学习神经网络和辐射传输模型(MODTRAN)进行地表温度反演研究,选择最适合于MODIS地表温度反演的波段组合,从而为国产卫星风云系列和高分数据红外波段反演地表温度提供参考算法。【方法】根据中红外波段受太阳的影响以及水汽波段的特征,将反演组合波段分成3组。第1组适合白天和晚上同时反演地表温度的组合(MODIS波段29、31、32和33);第2组适合白天的热红外波段和水汽波段组合(MODIS波段29、31、32、33和水汽波段);第3组是只适合晚上的中外波段(MODIS 20、22、23)与热红外波段(MODIS 29、31、32和33)的组合。【结果】利用辐射传输模型(MODTRAN)和深度动态神经网络(NN)反演分析表明,深度动态学习神经网络能够被用来精确地从单景MODIS数据中反演地表温度,克服了传统MODIS白天/黑夜产品算法的缺陷。3种类型的组合地表温度的平均反演误差都在1 K以下,最高精度为热红外波段与水汽波段的组合,平均最高精度为0.251 K,标准差是0.255 K,相关系数是1。【结论】利用深度动态学习神经网络和辐射传输模型彻底解决了地表温度和发射率病态反演难题,为风云系列卫星和高分数据地表温度反演算法提供参考算法模式,深度动态学习神经网络与辐射传输模型相结合反演地表温度和发射率在地表温度反演史上具有里程牌意义。     

草地碳循环遥感研究进展

【目的】草地生态系统是我国最大的陆地生态系统,对维护国家生态安全和畜牧业发展有重要作用。但我国草地类型多样、地理背景复杂、覆盖度低等特点制约了在大尺度上草地的高精度监测。卫星遥感技术的应用极大地提高了我国草地监测能力,在草地碳循环、生产力、生物量等方面得到了广泛应用。【方法】文章在回顾国内外草地碳循环遥感的最新进展基础上,从草地遥感观测手段、碳循环及其关键参数(初级生产力、生物量、叶面积指数、光合有效辐射分量、光能利用率和物候)反演等方面进行了总结,阐述了各种遥感影像在草地碳循环监测中的价值,对比和分析了草地关键参数遥感监测方法优缺点及应用前景。【结果】遥感技术的应用促进了草地碳循环监测能力的提升,结合遥感技术开展草地生态研究也是未来发展趋势。【结论】随着遥感数据的不断丰富和遥感建模及反演理论的深入发展,遥感手段将为草地生态系统研究及应用发挥更为重要的作用。