使用 FLUXNET數(shù)據(jù)驗(yàn)證GLASS地表反照率

王健，孫林

(山東科技大學(xué)測(cè)繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590)

0 引言

地表反照率(Albedo)是指太陽短波波段(0.3～3μm)在半球空間的所有地表入射太陽輻射的反射通量與入射的太陽輻射通量之比。地表反照率在地球能量平衡(EBR)之中是一個(gè)重要參數(shù)，并且也是中長(zhǎng)期天氣預(yù)報(bào)與全球變化研究中的重要參數(shù)，對(duì)地表反照率的研究就顯得尤為重要。[1－5]

當(dāng)前的地表反照率產(chǎn)品存在諸多不足，如受反演算法的影響，需要較長(zhǎng)周期的觀測(cè)數(shù)據(jù)來進(jìn)行反演，時(shí)間分辨率低，受云的影響數(shù)據(jù)缺失較多等[6]。為了彌補(bǔ)這方面的不足，GLASS地表反照率產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生，作為一個(gè)全新的科學(xué)數(shù)據(jù)產(chǎn)品，該產(chǎn)品通過算法改進(jìn)，使產(chǎn)品時(shí)間分辨率僅為1天，極大的提高了產(chǎn)品的使用范圍。

一種科學(xué)產(chǎn)品的應(yīng)用與推廣最主要的影響因素就為其產(chǎn)品精度，所以對(duì)GLASS數(shù)據(jù)的精度驗(yàn)證就顯得尤為重要[7]。為了驗(yàn)證GLASS全球地表反照率產(chǎn)品精度，文章使用全世界廣泛分布的以通量塔為基礎(chǔ)的全球通量觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)(FLUXNET)站點(diǎn)地表實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)多個(gè)區(qū)域不同地表覆蓋類型的GLASS地表反照率產(chǎn)品開展驗(yàn)證工作。

1 GLASS反照率產(chǎn)品

由NASA發(fā)布的MCD43產(chǎn)品作為當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的地表反照率產(chǎn)品，與其它遙感產(chǎn)品一樣，該地表反照率產(chǎn)品也會(huì)受到云像元的影響而出現(xiàn)地表數(shù)據(jù)的缺失現(xiàn)象，目前多數(shù)地表參數(shù)產(chǎn)品通過多天(比如8天、16天)數(shù)據(jù)合成從一定程度上減少缺失數(shù)據(jù)的比例，但是并不能徹底消除缺失。

GLASS地表反照率產(chǎn)品基本思想是通過融合不同數(shù)據(jù)源、不同反演算法產(chǎn)生的初級(jí)產(chǎn)品，開發(fā)與現(xiàn)有地表反照率遙感反演算法具有互補(bǔ)性的新反演算法，得到高精度、時(shí)空連續(xù)一致的全球反照率合成產(chǎn)品。GLASS地表反照率產(chǎn)品反演算法主要采用了基于MODIS地表反射率的反照率反演算法[8－9]AngularBin1(AB1)算法和基于MODIS大氣層頂反射率的反照率反演 AngularBin2(AB2)算法[10]。AB1算法是在太陽/觀測(cè)角度空間網(wǎng)格化的基礎(chǔ)上，建立MODIS波段地表方向反射率與寬波段反照率之間的線性回歸關(guān)系，訓(xùn)練數(shù)據(jù)來自POLDERBRDF數(shù)據(jù)集;AB2算法則進(jìn)一步直接建立MODIS波段大氣層頂方向反射率與寬波段反照率之間的線性回歸關(guān)系。

AB1算法的整體思路是建立MODIS地表方向反射率與地表寬波段反照率之間分格網(wǎng)(angular bin)的線性回歸關(guān)系[7]?？梢詫?shí)現(xiàn)利用Terra/Aqua平臺(tái)上的MODIS傳感器每天經(jīng)過大氣校正后的方向反射率數(shù)據(jù)直接反演地表寬波段反照率，從而大大縮短MODIS地表反照率產(chǎn)品生成所需的時(shí)間窗口，實(shí)現(xiàn)日地表反照率產(chǎn)品的生成。AB1算法在太陽/觀測(cè)角度空間網(wǎng)格化的基礎(chǔ)上，對(duì)每一個(gè)網(wǎng)格建立MODIS波段地表方向反射率與寬波段反照率之間的線性回歸關(guān)系。具有算法簡(jiǎn)單、對(duì)輸入數(shù)據(jù)要求低的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)充分考慮了地表的BRDF和波譜特性。

AB2算法的整體思路是建立MODIS大氣層頂方向反射率與地表寬波段反照率之間分格網(wǎng)(angular bin)的線性回歸關(guān)系。該算法可以實(shí)現(xiàn)利用Terra/Aqua平臺(tái)上的MODIS傳感器每天獲取的大氣層頂方向反射率數(shù)據(jù)直接反演地表寬波段反照率，從而大大縮短MODIS地表反照率產(chǎn)品生成所需的時(shí)間窗口，實(shí)現(xiàn)日地表反照率產(chǎn)品的生成。

數(shù)據(jù)組在生產(chǎn)過程中收集了1985—1999年間的AVHRR和2000—2010年間的MODIS共15年的全球地表數(shù)據(jù)，其中基于 AVHRR數(shù)據(jù)產(chǎn)品的GLASS反照率產(chǎn)品分辨率為5km，基于MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品為1km分辨率。

2 通量網(wǎng)(FLUXNET)

圖1 FLUXNET觀測(cè)站點(diǎn)全球分布圖

圖2 觀測(cè)塔站、區(qū)域網(wǎng)絡(luò)、全球網(wǎng)絡(luò)關(guān)系圖

FLUXNET是一個(gè)以全世界廣泛分布的通量塔為基礎(chǔ)的全球通量觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)。通量塔網(wǎng)絡(luò)遍布世界各大主要國(guó)家，在北美、歐洲、亞洲、非洲都有它的子網(wǎng)絡(luò)存在(如美洲通量網(wǎng) Ameriflux，亞洲通量網(wǎng)Asiaflux等)。到2009年為止，共有超過500個(gè)可長(zhǎng)期觀測(cè)數(shù)據(jù)的通量塔站點(diǎn)加入到 FLUXNET中，覆蓋的經(jīng)緯度范圍從北緯70°至南緯30°，用戶可以從中獲得這些站點(diǎn)的植被、土壤、水文、氣象等信息。其中圖1所示為FLUXNET站點(diǎn)各子網(wǎng)絡(luò)全球分布圖，從圖2中可以看到FLUXNET站點(diǎn)分三級(jí)網(wǎng)絡(luò)，自上而下依次為全球網(wǎng)絡(luò)FLUXNET，中間為區(qū)域網(wǎng)絡(luò)，如美洲通量網(wǎng)，中國(guó)通量網(wǎng)等。最底層為各觀測(cè)站點(diǎn)的通量塔。

FLUXNET提供的數(shù)據(jù)中有相當(dāng)一部分站點(diǎn)進(jìn)行了太陽短波輻射入射與出射的觀測(cè)(提供每半小時(shí)的觀測(cè)數(shù)據(jù))，可以應(yīng)用于地表反照率數(shù)據(jù)的驗(yàn)證。

文章采用的地面驗(yàn)證數(shù)據(jù)來自全球通量網(wǎng)輻射觀測(cè)站點(diǎn)。輻射觀測(cè)站點(diǎn)每10s觀測(cè)一次輻射通量數(shù)據(jù)，觀測(cè)數(shù)據(jù)為短波波段(280～3000nm)的上行和下行輻射通量。文章采用地方時(shí)11:30—12:30間的短波波段輻射通量數(shù)據(jù)計(jì)算反照率，把該時(shí)間段內(nèi)的上行和下行輻射通量取平均后做比值，得到的值即作為該地當(dāng)天的短波波段反照率真實(shí)值。

3 精度驗(yàn)證

本研究共選擇4個(gè)FLUXNET站點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。這些站點(diǎn)分布在北美洲和亞洲，地表覆蓋類型包括草地和針葉以及混交林地。各站點(diǎn)的基本信息(如表1所示)，其中山東禹城站點(diǎn)和北京大興站點(diǎn)為農(nóng)田區(qū)域，美國(guó)華盛頓州的Wind River站點(diǎn)植被類型為常綠針葉林，威斯康辛州的Lost Creek植被類型為混交林。圖3a為禹城輻射觀測(cè)站點(diǎn)，圖3(b)為地表覆蓋物分布圖，圖4(a)為Wind River輻射觀測(cè)站點(diǎn)，圖4(b)為地表覆蓋物分布。

表1 各觀測(cè)站點(diǎn)基本信息

對(duì)選定的4個(gè)FLUXNET站點(diǎn)中的反照率驗(yàn)證產(chǎn)品，按照影像獲取時(shí)間以及其經(jīng)緯度坐標(biāo)與站點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)獲取時(shí)間及所在位置匹配對(duì)應(yīng)并進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。提取像元的反照率值與地面觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間序列的對(duì)比分析。使用2005年全年觀測(cè)數(shù)據(jù)，剔除掉其中數(shù)據(jù)缺失，受云像元干擾以及有明顯錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)，平均每個(gè)站點(diǎn)的有效數(shù)據(jù)可達(dá)330天。各個(gè)站點(diǎn)分別比較驗(yàn)證結(jié)果如圖5所示。

通過對(duì)比，我們可以看出在 Wind River站點(diǎn)(圖5(c))精度最高，均方根誤差約為0.0565，禹城站點(diǎn)(圖5(a))的精度其次，均方根誤差約為0.0776，Lost Creek 站點(diǎn)(圖 5(d))均方根誤差為0.0809，大興站點(diǎn)(圖5(b))的精度最低，均方根誤差為0.164。雖然同屬農(nóng)田區(qū)域大興站點(diǎn)與禹城相比卻有明顯的區(qū)別，在Google Earth上目視解譯可以明顯看出，大興地區(qū)的地表相對(duì)禹城來說，覆蓋類型并不均一。

圖3 山東禹城輻射觀測(cè)站點(diǎn)

圖4 Wind River輻射觀測(cè)站點(diǎn)

4 結(jié)論

文章首先利用全球通量網(wǎng)輻射站點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，處理得到地面觀測(cè)反照率，作為地表反照率的真值。之后利用GLASS 2005全年的時(shí)間序列的反照率產(chǎn)品與對(duì)應(yīng)地點(diǎn)的實(shí)測(cè)產(chǎn)品進(jìn)行精度驗(yàn)證。通過大量數(shù)據(jù)的對(duì)比表明，直接使用地表實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)GLASS反照率產(chǎn)品精度驗(yàn)證，兩者的一致性較差。對(duì)于兩者數(shù)據(jù)的尺度方面，GLASS數(shù)據(jù)可以看做一個(gè)面像元，而實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)僅為一個(gè)點(diǎn)像元，地面站點(diǎn)實(shí)測(cè)值與低空間分辨率反照率數(shù)據(jù)直接對(duì)比驗(yàn)證，對(duì)于地表均一、大面積的區(qū)域驗(yàn)證效果較好，對(duì)于混合像元嚴(yán)重的區(qū)域，二者的直接驗(yàn)證和比較是不可行的。從Google Earth上對(duì)4各站點(diǎn)的目視解譯中我們看出，大興站點(diǎn)的地面覆蓋類型較復(fù)雜，當(dāng)使用這個(gè)點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)面數(shù)據(jù)的驗(yàn)證時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)較大的誤差，另外三個(gè)站點(diǎn)的覆蓋較為均一，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與反演數(shù)據(jù)較為接近。GLASS反照率產(chǎn)品的算法中使用了濾波融合，可能會(huì)濾掉一些符合情況但變化較大的點(diǎn)，相對(duì)地面觀測(cè)數(shù)據(jù)的一些峰值點(diǎn)GLASS表現(xiàn)的都較為平滑。

圖5 GLASS數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比圖

隨著遙感反演精度的進(jìn)一步提高和業(yè)務(wù)化的逐漸推進(jìn)，在不遠(yuǎn)的將來完全可以將衛(wèi)星遙感反照率產(chǎn)品直接引入模式應(yīng)用[10]，提高陸面過程模式和氣候模式的性能。

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