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(yáng)短波波段(0.3～3μm)在半球空間的所有地表入射太陽(yáng)輻射的反射通量與入射的太陽(yáng)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(lái)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(guò)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(lèi)型的GLASS地表反照率產(chǎn)品開(kāi)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(guò)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(guò)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(kāi)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(yáng)/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(xiàn)性回歸關(guān)系，訓(xùn)練數(shù)據(jù)來(lái)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(xiàn)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(xiàn)性回歸關(guān)系[7]。可以實(shí)現(xiàn)利用Terra/Aqua平臺(tái)上的MODIS傳感器每天經(jīng)過(guò)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(yáng)/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(xiàn)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(xiàn)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(guò)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(guò)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(hù)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(yáng)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(lái)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(lèi)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(lèi)型為常綠針葉林，威斯康辛州的Lost Creek植被類(lèi)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(guò)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(lái)說(shuō)，覆蓋類(lèi)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(guò)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(lèi)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(lái)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(guò)程模式和氣候模式的性能。

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