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瞿瑛:《Remote Sensing of Environment》基于MODIS数据的北极海冰反照率遥感估算方法研究

发布时间:2017-09-01 16:21 点击数:

地表反照率是一个广泛应用于辐射与能量平衡研究的重要地表特征参量,决定着地球表层与大气之间辐射能量的分配过程。近年来,在全球气候变暖的影响下,北极海冰反照率正在发生着显著变化,因此基于卫星遥感观测数据对北极海冰反照率进行监测具有重要的研究意义。但是目前绝大多数地表反照率产品仅覆盖陆地表面区域,而缺少包含极地海冰和海洋覆盖区域的反照率产品,仅有的几种产品也通常忽略海冰反射的各向异性,空间和时间分辨率也相对较低。

本文提出了一种基于MODIS传感器数据的海冰反照率直接反演算法,可以用于生成长时间序列、较高时间和空间分辨率的北极海冰反照率数据集。传统的地表反照率遥感估算方法,通常需要假定地表反射特性在一个时间窗口(如16天)内保持不变,但是该假设在降雪/融雪、海冰冻融、森林砍伐和火灾发生时并不成立。本文提出的直接反演算法克服了该假设的限制,实现了仅基于单角度的遥感观测数据直接估算地表反照率,因此可以应用于高时间分辨率地表反照率数据集的生成。该方法的整体思路是基于BRDF数据库生成训练数据集,建立大气层顶遥感观测的反射率和海冰反照率之间的回归关系(图1)。其中本文采用的BRDF数据库是基于POLDER BRDF数据集、ART和TCOWA模型模拟结果混合生成的。

 

图1 海冰反照率直接反演系数查找表生成流程图

     采用本文提出的直接反演算法估算的北极海冰反照率如图2所示,该方法能够获得相比于CLARA等反照率数据集更高时间和空间分辨率的海冰反照率产品(如图3所示)。将该算法的估算结果与2007年Tara 极地海洋探险中地面观测数据比较,可以发现该方法的 R2 为 0.67,均方根误差为0.068。验证结果表明该方法适用于对北极地区海冰反照率进行遥感监测,不仅能够基于先验BRDF 知识库校正海冰反射的各向异性,并且能够生成长时间序列、具有较高时空分辨率的北极海冰反照率产品。该方法已经被应用于GLASS第二期全球地表反照率数据集的生成中,将为全球气候变化和地表辐射与能量平衡研究提供高质量的数据集。

 

图2 北极海冰反照率(白空反照率,2007年166-170天均值)

 

图3北极海冰反照率产品区域对比图

(a) 和 (b)为本文算法估算得到的反照率 (1 km), (c) 和 (d) 为CLARA 反照率产品 (25 km);(a) 和 (c)为 Banks, Prince Patrick和Melville群岛附近海域; (b) 和 (d) 为Kara海附近海域

 

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