雪對MODIS短波反照率產(chǎn)品質(zhì)量的影響

吳宏伊，童 玲

(電子科技大學(xué)自動化工程學(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，同時它也是地表覆蓋分類等研究的基礎(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)測和應(yīng)用的重要部分。

由于具有大范圍、長時間觀測的優(yōu)點，遙感衛(wèi)星已經(jīng)廣泛應(yīng)用于地表反照率監(jiān)測。MODIS的地表反照率產(chǎn)品具有中等分辨率、覆蓋全球、時間跨度大(2000年到現(xiàn)在)的特點，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實測數(shù)據(jù)，已經(jīng)證實了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估。

以地面站點的觀測數(shù)據(jù)對衛(wèi)星產(chǎn)品進行驗證和評估是將其應(yīng)用于環(huán)境科學(xué)的基礎(chǔ)[6]。本文針對不同地表植被類型，以美洲的19個地表站點的實測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，全面評價MODIS的地表短波反照率產(chǎn)品質(zhì)量，并針對雪的影響，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)對地表反射率模型進行反演。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，含有不同的觀測視角信息，用它們擬合半經(jīng)驗的地表反射率模型可確定模型的相關(guān)參數(shù)，進而計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?zāi)Ｐ褪荝TLSR(ross-thick-lisparse-reciprocal)模型，它具有一個常數(shù)項和兩個核的線性核驅(qū)動模型[7]：

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

MODIS提供3個可見光和4個近紅外波段的窄帶反照率產(chǎn)品，其波長范圍分別為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，通過太陽輻射光譜和各波段濾波器透過率函數(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的波長范圍。

2 數(shù)據(jù)處理

MODIS搭載在美國地球觀測系統(tǒng)計劃中的Terra和Aaqua衛(wèi)星上，是被動式成像分光輻射計，共有490個探測器，分布在36個光譜波段，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(可見光)和第6波段(近紅外)的觀測數(shù)據(jù)可以用來鑒別地表是否有雪覆蓋。當(dāng)MODIS反照率算法的16天時間窗口內(nèi)的大部分地表反射率數(shù)據(jù)是對有雪地表的觀測，并且這些受雪影響的數(shù)據(jù)進入反演算法時，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]。通過這個質(zhì)量控制數(shù)據(jù)，全部19個站點的反照率產(chǎn)品被分為沒雪和有雪兩類，并分別進行質(zhì)量評估。

表1 站點信息

AmeriFLUX是全球微氣象觀測網(wǎng)絡(luò)FLUXNET的重要組成部分。它建于1996年，能提供半小時的高時間分辨率的CO2、水、能量和動力學(xué)等生態(tài)和環(huán)境參數(shù)測量數(shù)據(jù)。AmeriFLUX的超過120個地面站點覆蓋了北美、中美和南美的廣大區(qū)域。AmeriFLUX的2級標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)文件包含了豐富的測量信息，包括輻射能量、溫度、CO2濃度和土壤水等。在信息缺失的時間點上都有統(tǒng)一的填充信息，便于區(qū)別和使用。本文選取了19個AmeriFLUX站點，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)可以觀測到植被-雪混合地表的反照率數(shù)據(jù)。表1總結(jié)了站點的位置和植被信息。在驗證中，地面站點的短波反射輻射與入射輻射的比值作為地表反照率測量值用于與MODIS反照率進行對比和統(tǒng)計分析。由于MODIS的地表反照率是通過16天內(nèi)的反射率數(shù)據(jù)反演得到的，它反映了這個時間區(qū)間內(nèi)地表反照率的總體情況。相應(yīng)的地面站點數(shù)據(jù)進行了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)品的觀測數(shù)據(jù)分別在當(dāng)?shù)貢r間10:30和13:30采集，即進入反演過程的數(shù)據(jù)是集中在當(dāng)?shù)貢r間的正午前后采集的。對應(yīng)于MODIS的觀測時間，每天正午前后2 h內(nèi)的站點數(shù)據(jù)被選取來進行平均處理。

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站點數(shù)據(jù)的對比結(jié)果。有些站點沒有顯示出全年的對比情況，這是由于衛(wèi)星產(chǎn)品或地面實測數(shù)據(jù)在某些時間出現(xiàn)了缺失，圖中僅顯示了能進行對比分析的數(shù)據(jù)。在UCI_1850、UCI_1930、UCI_1964、UCI_1981、Metolius_Intermediate_Pine、Barlett_Experimental_Forest、UMBS、Willow_Creek這8個由森林覆蓋的站點，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，反照率值保持在0.1左右。其他11個站點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。在沒有雪的影響時，MODIS的反演質(zhì)量非常好，與地面實測值幾乎一致。從圖中有雪的標(biāo)注(十字符號)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MODIS反照率數(shù)據(jù)和地面實測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，表2總結(jié)了統(tǒng)計結(jié)果。各個站點的平均偏差在0.01～0.06之間，均方根誤差一般都在0.05～0.07之間。下面，各種植被類型的數(shù)據(jù)將區(qū)別有無雪的影響進行具體地評估。

針對常綠針葉林、草地、濕地、灌木林和農(nóng)田這5種植被類型，本文分別統(tǒng)計了沒雪和有雪的情況下，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個植被覆蓋為落葉闊葉林的站點缺乏有雪標(biāo)記的數(shù)據(jù)，因此沒有對這3個站點評估雪的影響。但是，從圖1中這3個站點的對比結(jié)果中可以看出，在2005年前100天時間內(nèi)，地面實測的反照率值在0.2～0.3，結(jié)合此時處于冬-春季節(jié)，可以判定這段時間內(nèi)的MODIS產(chǎn)品出現(xiàn)的較大反演誤差正是由雪引起的。這說明MODIS地表反照率的質(zhì)量控制數(shù)據(jù)存在對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站點實測反照率(星形符號)的時間序列對比

圖2 5種植被類型以及全部數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果的柱狀圖

圖2是5種植被類型以及全部數(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都有所下降。

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

雪對MODIS地表反照率產(chǎn)品產(chǎn)生影響最大的是常綠針葉林。沒有雪覆蓋時，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，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。總的來說，在沒有雪的情況，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，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)星像元和地表觀測的尺度差異，在像元的大觀測范圍內(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間遠遠少于地面積雪的時間，另外位于觀測塔頂?shù)妮椛涠扔嬘^測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的MODIS反照率在有雪時質(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引起的地表變化迅速得多。此時在MODIS反演時間窗口內(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 各站點反演質(zhì)量統(tǒng)計結(jié)果

4 結(jié)論與討論

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

對于由冰雪引起的反照率反演質(zhì)量下降，可以從以下方面進行改進：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冰雪反射率的模擬能力可以改善這一問題；另一方面，利用長時間、多地區(qū)的反照率數(shù)據(jù)建立冰雪地表反照率的經(jīng)驗信息，可以作為冰雪反照率反演時的背景場，提高反演質(zhì)量。

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