积雪林区MODIS二向反射模型产品精度评估与改进

发布时间：2020-07-30 14:25

【摘要】：北方森林是地球上最大的陆地生态系统,每年积雪覆盖持续6到9个月。森林积雪在全球水循环、地表辐射能量收支和气候变化中起着至关重要的作用,同时也是全球超过10亿人口赖以生存、宝贵的水资源来源。以地表对电磁波各向异性反射理论为基础的多角度遥感技术在全球森林遥感中发挥着日益重要的作用,建立了一系列适用于森林地区的二向反射模型,这些模型在植被生长季被广泛应用和检验。然而,在植被休眠季,森林植被物候变化和积雪的出现使森林生态系统的反射特性迥异于生长季。对现有遥感二向反射模型和数据产品在植被休眠季、特别是积雪林区的真实性检验,以及针对此季节森林各向异性反射特征的研究和建模等工作还需要加强和改善。目前业务运行的基于中分辨率成像光谱仪(MODIS)数据用于反演地表二向反射分布函数(BRDF)/反照率的地表二向反射模型没有直接考虑北方林区冬季积雪的影响。这使冬季北方林区的BRDF产品存在较大的不确定性,同时有效反演结果数量与生长季相比大幅减小。围绕这些科学问题和应用问题,论文以MODIS BRDF产品为研究对象、多角度成像光谱仪(MISR)地表二向反射率因子(BRF)产品为参考对比数据,评估了物候变化和积雪对MODIS BRDF产品的地表各向异性反射特性表征能力和精度的影响,研究了积雪林区MODIS BRDF模型的及反演策略的改进方法。多角度遥感数据的预处理是进行BRDF模型产品精度评估和改进的基础。具体到本论文的研究目标,MODIS BRDF模型产品(MCD43A1)为精度评估及改进对象,MISR地表BRF产品(MILS_BRF)为评估参考基准数据,即假设MILS_BRF代表地表真实BRF值。MCD43A1和MILS_BRF投影方式为两种不相同且不常用的投影方式,两者标称分辨率也不相同。为了合理利用MILS_BRF对MCD43A1的精度进行评价,并且改善MCD43A1数据投影耗时多效率低的问题,需要对这两种数据进行预处理。预处理工作包括MILS_BRF与MCD43A1数据的空间精确配准和MCD43A1快速投影变换。针对现有软件在处理MILS_BRF与MCD43A1数据空间配准问题上的不足,本文提出了一种基于自定义投影格点的多角度多源遥感数据空间位置精确配准的方法。所提方法输入参数为目标投影格点,在多源遥感数据投影变换前,预定义数学意义上严格相互匹配的投影格点,从而实现了遥感数据空间位置的精确配准。同时,所提方法对每种遥感数据只进行1次重采样,避免反复重采样可能造成的信息损失。对于其它类似多角度遥感数据的空间位置精确配准,本文方法的基本思路和目标同样有效。另外,现有软件虽能实现MCD43A1投影变换,但并未针对此数据及正弦投影的自身特点进行优化,因此,本文开发了一种MCD43A1快速投影变换方法。本方法基于面向矩阵的编程语言、采用图像矩阵像元1维索引、有效像元点过滤、对应像元一次性整体赋值以及预存同名像元1维索引的方式来加快MODIS正弦投影格式产品的投影变换过程。研究人员已对RossThick-LiSparseR(RTLSR)模型和MODIS BRDF产品进行了大量验证和精度分析工作,RTLSR模型具有广泛的适应性,MODIS BRDF产品在很长的时间内具有很好的一致性,产品的精度满足许多应用和研究的要求。然而这些验证和精度分析工作大多集中在植被生长季节。相比之下,植被休眠季和积雪覆盖季节的验证工作还需要更多的关注。以MILS_BRF为参考对比数据,本文评估了 MODIS BRDF产品最新版本MCD43A1 C6在的不同观测几何上的性能,并初步分析了物候变化和降雪事件对产品精度的影响。MILS_BRF观测几何和数据覆盖的时空特征会对这种评估工作的结论产生重要影响。本文分析了 2011年～2015年研究区的MILS_BRF产品覆盖和观测几何的时空分布特征。分析结果给出了关于研究区的MILS_BRF时空特征和观测几何局限性的明确和综合的信息。结果和分析表明,当使用MILS_BRF评估BRDF模型的准确性时,有必要考虑其产品覆盖和观测几何的时空特征。首先,需要考虑MILS_BRF覆盖率/覆盖位置的年内变化,以避免由于不同月份或地表类型的数据可用性的差异而导致的误导性解释。此外,分析BRDF模型在不同方位角或不同观测天顶角的性能时,必须考虑MILS_BRF观测几何的年内变化特征,以排除MILS_BRF观测几何的年内变化模式的干扰,并辨识出BRDF模型本身的性能特征。此外,研究区冬季连续4个月份,主要由农田和农田/自然植被混合地表组成的大面积产品空缺区的发现为改进MILS_BRF反演算法提供了一个潜在的方向。以MILS_BRF为参考对比数据,本文对MODIS BRDF产品精度的分析结果表明,MCD43A1C6产品整体性能优异,能较好地表征地表各向异性反射特性,对于所有可用对比样本,对地表BRF预测的均方根误差(RMSE)为0.0262,相关系数(R)为0.9537。但模型精度在不同月份差异明显,与研究区的物候变化有关。MCD43A1 C6产品标记为“雪”的像元的BRDF模型精度明显较低(RMSE/R= 0.0903/0.8401)。本文定义短暂积雪事件为在标称比较日期,MODIS雪覆盖(MOD10A1和MYD10A1)合成产品雪覆盖比例不小于30%,但MCD43A1模型参数未作为雪像元反演的情形。短暂降雪事件进一步降低了模型精度(RMSE/R = 0.1001/0.7715)。还需要特别注意,短暂降雪像元在MCD43A1C6产品中被标记为“最佳质量、完全反演”和“无雪”,这与MODIS雪覆盖产品数据相矛盾或不一致。这些结果为MODIS BRDF产品用户提供了有意义的信息,对其研究区受到物候和积雪变化影响的用户尤其重要。当前业务运行的MODIS半经验核驱动RTLSR二向反射模型并没有包含描述积雪这种高反射率和具有明显前向散射特征的反射核。MODIS BRDF产品精度分析表明积雪林区的产品精度明显低于林区生长季。同时植被休眠季和积雪季节这一区域MODIS BRDF产品全反演数据量明显少于生长季。因此,本文研究了考虑积雪反射特征、改进积雪林区BRDF模型及其反演策略的方法。选取了积雪反射核的实现形式,添加到RTLSR模型中,扩展其核的种类。增加积雪反射核后理论上将提高模型在积雪林区的精度,但在相同输入数据下,可能会减少全反演数据量。本文假设林木结构和积雪背景的组合变化是北方林区BRDF的主要影响因素,而1～2年的树木生长量对林木结构影响不大。基于此假设在原输入数据的基础上试验了添加历史同期数据。研究了加入积雪反射核后,9种不同核组合方式及基于同期不同历史年份数据情景下,模型反演精度及有效反演像元数量之间的差异。研究区2011-2015年数据表明,4核2年模型和数据组合反演策略在深冬季节(12月和1月)性能最佳(平均均方根误差/相关系数为RMSE/R =0.0279/0.9403),优于现有业务模型精度(平均RMSE/R = 0.0319/0.9142);同时,全反演像元数量增加为现有业务模型的2倍以上。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S771.8
【图文】：

季节性积雪,森林区,北半球,季节变化

地球陆地约３３％的面积被森林覆盖Ｗ。其中，位于北半球、具有明显季节变逡逑化特征及季节性积雪现象的森林面积约为２．１邋ｘｌ0７邋ｋｍ２，超过全球森林总面积的逡逑４３％［２＾邋（图１．１）。北方森林提供着重要的生态系统服务，包括生物多样性、全逡逑球气候调节、碳储存和水资源的储存与供给等［３］。据估计，北方森林存储了约７１４逡逑Ｐｇ碳，占全球陆地生物圈碳储总量的３７％以上［５，６］。如果不能保护森林生物多样逡逑性、减少毁林和森林退化造成的碳排放中、防止北方森林转换为温室气体的净来逡逑源，可能会严重加剧全球气候变化［７，８］。北半球季节性积雪对地球表面和大气系逡逑统的之间交互影响非常大，同时也是区域和全球范围内敏感的气候变化指标逡逑北方森林积雪在冬季作为一个高容量的冰冻蓄水库，保存大气降水直到融雪径流逡逑开始，具有潜在的洪水风险，但也构成了一个宝贵的能源和供水来源［１（Ｍ３］。逡逑地表积雪、地表各向异性反射特性及反照率是两组重要

论文结构,林区,产品精度,二向反射

了核组合与历史同期数据配合反演的策略，以解决核的增加后全反演像元减少的逡逑问题。逡逑根据研宄内容，本文的技术路线如图１．２所示。逡逑／邋ＭＯＤＩＳ邋７逦／￣ＭＩＳＲ逦７逡逑／科学数据／逦／科学数据／■］逡逑／逦（正弦投影）／逦／邋（ＳＯＭ）邋／逡逑ｆ—１逦｜时空特征逡逑正弦投影逦分析逡逑快速变换逦＿ｚｌｌ＿逡逑Ｖ＾ｍｏｄｉｓ／ｍｉｓｒＶ邋广逦＊逦Ｉ逡逑４精}0准逡逑多角度遥感逦＾逦ｒ——＾逡逑数据预处理逦逦逡逑逦逦邋邋邋ｉ逦逡逑（Ｍ０ＤＩＳ邋ＢＲＤＦ＾逦邋．邋ＭＯＤＩＳ邋ＢＲＤＦ邋．逡逑模ｊ邋、业务模型Ｊ￣￣＾模型精度评估Ｉ逡逑逦邋邋邋１逦Ｉ逡逑雪林区ＢＲＤＩ＾逦｜逡逑积雪林区ＢＲＤＦ模型＾改进模型７邋—逡逑及反演策略改进邋NB逦ｙ逡逑图１．２积雪林区ＭＯＤＩＳ二向反射模型产品精度评估与改进技术路线逡逑１．３．２论文结构逡逑基于研宄内容，论文结构组织如下：逡逑第１章基于选题依据与意义，通过文献回顾评述了陆地表面和积雪林区各向逡逑异性反射模型、多角度遥感数据预处理、ＭＯＤＩＳ邋ＢＲＤＦ产品精度评估以及各向逡逑异性反射模型反演方法的研究现状和趋势。逡逑第２章介绍地表各向异性反射特性的定量描述方式。逡逑第３章从多角度遥感观测和遥感ＢＲＤＦ模型系数产品生产及地表ＢＲＦ反演逡逑的角度，介绍了邋ＭＯＤＩＳ传感器和ＭＩＳＲ传感器的成像几何特征、波谱特征，以逡逑及ＭＯＤＩＳ邋ＢＲＤＦ产品和ＭＩＳＲ地表ＢＲＦ产品。逡逑１２逡逑

二向反射,观测方向,分布函数,几何要素

二向反射分布函数出发，介绍了反射率与反射率因子，以性的各种表征方式以及它们之间的联系与区别。逡逑反射分布函数逡逑大部分表面对电磁波的反射能力本质上是各向异性的，既关，也与观测方向（出射方向）有关。这种各向异性反射反射、漫反射或两者的线性叠加来准确表征。为了准确完向异性反射特性，美国国家标准局Ｎｉｃｏｄｅｍｕｓ等（１９７７布函数（Ｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ邋Ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ邋Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ邋Ｆｕｎｃｔｉｏｎ，邋ＢＲ：逡逑ｄＥ人入）逡逑ｌ逡逑

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