MODIS卫星数据地表反照率反演的简化模式

收稿日期:2003211227;修订日期:2004205209基金项目:国家重点基础研究发展规划项目(编号:G 200077907)资助。

作者简介:刘振华(1972-),女,博士生,主要研究方向为地图学与地理信息系统。

MOD I S 卫星数据地表反照率反演的简化模式刘振华,赵英时,宋小宁(中国科学院研究生院中国科学院遥感所,北京　100039)摘要:以内蒙西部地区的M OD IS 遥感图像数据和地表野外同步观测的光谱数据为例,在野外数据量较少且有定标数据的条件下反演地表反照率。

使用6S 大气1辐射传输模型进行大气校正,并通过M OD TRAN 4.0模型获取各波段地表入射光通量和窄波段的地表反照率;在窄波段反照率与宽波段反照率之间存在线性关系的前提下,以各波段的入射光通量占总入射通量的比例作为反演参数,实现窄波段到宽波段的反演。

反演结果证明此方法简便可行。

关　键　词:反照率;M OD IS ;M OD TRAN ;入射光通量;反射光通量中图分类号:T P 75 文献标识码:A 文章编号:100420323(2004)06205082041　引　言地表反照率作为整个太阳光谱的半球反射积分值,随时空变化而变化,在一般情况下变化较为缓慢,但在气候环境突然改变(暴风雪、沙尘暴等)的情况下其值变化非常显著。

地表反照率是研究气候模型、天气预报、资源和灾害监测(干旱、火灾、大气污染及洪水等)和水资源管理的一个重要参数。

M OD IS 产品中提供了面向全球的地表反照率数据。

显然,对于不同气候条件下的区域而言,产品的精度不够,反演其值具有重要意义。

遥感是获取大区域、乃至全球地表反照率的唯一手段。

地表反照率反演的过程大体有以下三步:①遥感图象数据的大气校正;②由校正后的地表反射率反演窄波段的地表反照率;③由窄波段地表反照率到宽波段地表反照率的反演。

其中窄波段地表反照率的反演,一般采用核驱动模型来实现〔1〕,核驱动模型考虑到多角度信息,鉴于本文所用野外实测光谱数据没有考虑角度信息,并假设地表为朗伯体的前提下,就从能量角度出发来获取窄波段的反照率;宽波段反照率的反演通常是要由宽波段传感器(例如:ERB 〔2〕、ScaR a B 〔3〕)测量大量的地表宽波段反照率的值,再与大量的地表窄波段反照率数据进行线性回归获取回归系数,最终得到两者之间的关系模型〔4,5〕,此方法是建立在大量地面实测数据的基础之上,在实测数据很少的情况下,这种方法并不很合理。

本文从地表反照率是反射的全部光通量与入射总的光通量的之比定义出发,运用M OD TRAN 4.0模型得到地表入射光通量和地表反射光通量,计算窄波段的反照率;在由窄波段反照率向宽波段反照率转换中,考虑到区域条件和仪器设备的限制往往很难得到大量的地面实测数据,在假设地表窄波段的反照率和宽波段反照率为线性关系的前提下,从能量角度出发,使用各波段入射光通量占总入射光通量的比例作为其模型系数,实现窄波段反照率到宽波段反照率的反演。

2　数据源简介M OD IS 是EO S 2AM I 系列卫星的主要探测仪器,具有36个波谱通道,分别在0.4～14Λm 的电磁波谱范围内,星下点的空间分辨率分别为250m (2个波段)、500m (5个波段)和1000m (29波段),每日可获取一次全球观测数据,其扫描宽度为2300km 。

由于地表反射能量主要集中在可见光和短波红外波段,故此,在宽波段反照率反演中主要使用的M OD IS 光谱波段是1～4波段(459～876nm )。

野外卫星同步实测数据主要使用A SD 光谱仪和SE 590光谱仪,测量的波谱范围为400～999nm ,即可见光和部分近红外波段,两种仪器的FOV第19卷　第6期2004年12月遥　感　技　术　与　应　用REMOTE SEN SI N G TECHNOLOGY AND A PPL I CA T I O NV ol .19　N o .6D ec .2004值分别为25°和15°。

研究区选择了内蒙古中西部锡盟地区(43.2°～42°N 、115.6°～116.8°E ),该区位于半干旱地区,其东北角为达来诺尔湖,中西部为浑善达克沙地,其余为不同程度的退化草场地。

我们选用了2001年5月21日的M OD IS 图像数据,考虑到大气的影响,在较大的区域内云、气溶胶等大气参数变化较为显著,使用M OD TRAN 模型进行大气校正时,做了多次实验,最终选取影像大小为100×100个像素点〔8〕。

同时在区内进行了同步野外光谱测定,三个样区的同步观测的光谱数据如图1所示。

图1　不同样区同步观察的野外光谱反射数据3　方法3.1　大气校正6S 大气校正模型对不同情况(不同传感器、不同地面状况)下,太阳光在太阳—地面目标—传感器整个传输路径中所受大气的影响进行了描述,在基于地面BRD F 的大气校正算法中,大气顶部的可见光与近红外波段反射率可表示为〔7〕:Θtoa =Θ0+T g {e -Σ Λv e -Σ Λs Θs +Θs [e -Σ Λvt d (Λs )Θ+e -Σ Λv t d (Λv )Θλ′t d (Λs )t d (Λv )Θµ+Θs(e -Σ Λs t d (Λs ))(e -Σ Λv+t d (Λv ))S (Θµ21-S Θµ]}(1)其中:Θtoa 为传感器在大气顶部观测到的反射率,Θ0为未经地面的大气直接反射率,Θs 为地表反射率,S 为大气底层向下的大气半球反射率;Λs 为太阳天顶角的余弦值,Λv 为卫星天顶角的余弦值;e -Σ Λs 和Σd (Λv )分别为观测方向地面反射直达传感器和经大气漫反射到地面的大气透过率;Σ为大气光学路径;Θ、Θλ′、Θµ分别为大气散射到地面的半球反射率、经地面散射到大气的地面的半球反射率和经大气与地面两次反射后的地面半球反射率,它们依赖于大气光学参数和地表反射特性;T g 为大气中等气体对可见光、近红外波段的吸收率。

采用上述6S 大气校正模型对M OD IS 卫星影像数据进行大气校正,获得地表反射率,校正结果经地面同步实测值的验证,结果可行〔8〕。

3.2　窄波段反照率反演地表反照率(Α)为以太阳光为入射光的全波段半球反射率。

也可以认为是在地表反射的全部能量与接受的全部能量的比值:Α=F uF d(2)F u 为地表反射光通量;F d 为地表接受的入射光通量。

作为能量平衡的一个重要参数的地表反照率(Α(Ηi ,Κ))可以通过下式更清楚的反映其为一个光谱能量积分的比值:Α(Ηi,Κ)=∫Κ2Κ1F u (Ηi ,Κ)d Κ∫Κ2Κ1F d(Ηi,Κ)d Κ=∫Κ2Κ1Θs(Ηi,Κ)F d(Ηi,Κ)d Κ∫Κ2Κ1F d (Ηi,Κ)d Κ(3)在假设地表为朗伯体的条件下,地表的入射光通量F 的表达式如下〔6〕:F =F 0+Θs1-S ΘsΠΛi E 0Σ(Λi )(4)Λi 为太阳天顶角的余弦;F 0为地表反射率(Θs )为零的情况下的入射光通量;S 是大气底层向下的大气半球反射率;E 0为大气顶层的辐射通量密度;Σ(Λi )为大气透过率。

M OD TRAN 4.0辐射传输模型来计算地表入射光通量,通过M OD TRAN 使用的光谱辐射照度模式,每输入一个地表反射率的值,输出一个入射光通量值。

为了计算各窄波段的入射光通量,求解方程(4)中的三个未知参量,需要至少三个定标的地表反射率值,确定三个未知参量(F 0,S ,E 0Σ(Λi )),这样对于任意一个地表光谱反射率的值都能确定其对应的入射光通量值。

确定各窄波段的入射光通量值后,将其和地表反射率结合,获取各窄波段的地表反射光通量值,再由公式(3)最终得到窄波段的光谱反照率(Α1～Α4)。

3.3　地表宽波段反照率的反演由地表窄波段反照率获取地表宽波段反照率过去多为经验公式,通过对大量的数据模拟进行线性回归,来获取两者的模型参数,建立转换公式。

考虑到太阳光以可见光为主,根据反照率定义,在宽波段反照率的计算中主要建立宽波段(Α)与M OD IS 第1到第4各窄波段光谱反照率(Α1～Α4)的线性关系(公式推导见附页),可表达为:Α=ϑ1Α1+ϑ2Α2+ϑ3Α3+ϑ4Α4(5)其中:Α1～Α4为M OD IS 波段1到波段4的地表窄波905第6期 刘振华等:M OD IS 卫星数据地表反照率反演的简化模式 段反照率,可由公式4获取;k 1～k 4为由地表窄波段反照度反演宽波段反照率的关系参数。

在野外获取的数据量较少,但有定标数据情况下,可以从能量角度出发,直接利用M OD TRAN 4.0反演的单一波段的入射光通量占整个宽波段的入射光通量的比例作为其换算系数,求得地表实测宽波段反照率。

4　研究区反照率反演在进行地表窄波段的反照率反演之前,使用大气校正模型(6S 模型)对2001年5月20日M OD IS 影像数据进行大气校正〔8〕,获取地表反射率值。

同时应用M OD TRAN 辐射传输模型求取窄波段的地表入射光通量和地表反射光通量,确定方程(4)的三个未知参量,通过此方程获得研究区内每个像元点对应的地表上行辐射通量和下行辐射通量。

地表同步观测所得的反射光通量和入射光通量如图(2、3)所示。

由表1可以看出使用M OD TRAN 4.0模型计图2　不同样区的入射光通量 图3　研究区的光谱反照率图算得到的地表入射光通量及反射光通量与地表测量值相比较,误差不大,能用来反演地表反照率。

表1　湖水样区波段1的总辐射通量值测量方法辐射能量入射光通量值反射光通量值M OD TRAN 计算值749.056060.7897地表实测值731.238460.0994误差精度5.7%0.5%根据公式(2),分别计算窄波段的反照率值和整个宽波段的反照率值,同时根据各波段的入射光通量值在可见光和近红外波段范围内的总入射光通量中所占的比例作为宽波段向窄波段转换的系数,获取的窄波段到宽波段的反照率的反演公式。

可见光(波段1、2、3、4)的反照率值表达式如下: Α=0.207016Α1+0.243559Α2+0.371632Α3+0.17793Α4(6)研究区内的所获得的反照率的结果如表2和图4所示。

表2　不同样区的光谱反照率值反照率样地湖水草地沙地宽波段反照率(计算值)0.062220.143610.201569宽波段反照率(实测值)0.064280.146720.193504误差精度3.3%2.1%4.1%由表2可以看出,计算得出的数据与地表同步实测的反照率值比较(暂未考虑两者的尺度效应),误差相对值较小,由此可知,在数据量相对较少且有地表定标数据的前提下,可以从能量角度出发采用上述方法反演在特定大气条件下的地表宽波段的反照率,方法简便可行。