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A Practical Approach to Improve the MODIS MCD43A Products in Snow-Covered Areas

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Journal of Remote Sensing

Journal of Remote Sensing 2023年第1期3卷 231-246页

作者： Anxin Ding ziti jiao Xiaoning Zhang Yadong Dong Alexander AKokhanovsky Jing Guo Hailan Jiang School of Resources and Environmental Engineering Hefei University of TechnologyHefei 230009China State Key Laboratory of Remote Sensing Science Beijing Normal UniversityBeijing 100875China Faculty of Geographical Science Institute of Remote Sensing Science and EngineeringBeijing Normal UniversityBeijing 100875China School of Mechatronical Engineering Beijing Institute of TechnologyBeijing 100081China Aerospace Information Research Institute Chinese Academy of Sciences and University of Chinese Academy of SciencesBeijing 100083China German Research Center for Geosciences Telegrafenberg14473 PotsdamGermany

The MODerate Resolution Imaging Spectroradiometer(MODIS)MCD43A products have been extensively applied in the remote sensing field,but recent researchers have demonstrated that these products still had the potential to be further improved by using the latest development of the kernel-driven model[RossThick-LiSparseReciprocal-Snow(RTLSRS)]in snow-covered areas,since the MCD43A product algorithm[RossThick-LiSparseReciprocal(RTLSR)]needed to be improved for the accurate simulation of snow bidirectional reflectance distribution function(BRDF)*** this paper,we proposed a practical approach to improve the MCD43A products,which used the Polarization and Directionality of the Earth's Reflectance(POLDER)observations and random forest algorithm to establish the relationship between the BRDF parameters(MCD43A1)estimated by the RTLSR and RTLSRS *** applied this relationship to correct the MCD43A1 product and retrieve the corresponding albedo(MCD43A3)and nadir reflectance(MCD43A4).The results obtained highlight several aspects:(a)The proposed approach can perform well in correcting BRDF parameters[root mean square error(RMSE)=~0.04].(b)The corrected BRDF parameters were then used to retrieve snow albedo,which matched up quite well with the results of the RTLSRS model.(c)Finally,the snow albedo retrieved by the proposed approach was assessed using ground-based albedo *** indicated that the retrieved snow albedo showed a higher accuracy as compared to the station measurements(RMSE=0.055,bias=0.005),which was better than the results of the MODIS albedo product(RMSE=0.064,bias=-0.018),especially at large *** results demonstrated that this proposed approach presented the potential to further improve the MCD43A products in snow-covered areas.

关键词： BRDF reflectance signature

北半球中高纬植被聚集指数遥感产品长时间序列变化特征的案例研究

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北京师范大学学报（自然科学版） 2024年第3期60卷 386-396页

作者：高歌焦子锑王晨霞尹思阳郭静佟一冬李志龙谭哲友陈偲喆北京师范大学地理科学学部遥感科学与工程研究院北京师范大学遥感科学国家重点实验室北京

植被聚集指数(clumping index,CI(Ω))是表征植被冠层聚集程度的重要结构参数,由于其定量化研究起步较晚,导致对CI季相变化特征的研究不充分,结论争议较大.为此,本文基于长时间序列的MODIS CI产品,从北半球中高纬度植被物候特征敏感区,... 详细信息

植被聚集指数(clumping index,CI(Ω))是表征植被冠层聚集程度的重要结构参数,由于其定量化研究起步较晚,导致对CI季相变化特征的研究不充分,结论争议较大.为此,本文基于长时间序列的MODIS CI产品,从北半球中高纬度植被物候特征敏感区,在13个国际地圈-生物圈计划(IGBP)类型中,优选了84个高质量的代表性像元,开展典型像元CI季相变化特征的案例研究.以归一化植被指数(normalized difference vegetation index,NDVI)作为对比,提出改进的动态阈值法,结合离散Fourier变换方法,分别提取不同地类的生长季开始时间(start of season,SOS)及生长季结束时间(end of season,EOS),最终建立北半球中高纬度各地类生长季与休眠期的经验Ω.结果表明:CI具有较为明显的物候变化规律及季节变化特征,甚至能够识别出耕地的一年两熟迹象,但相对于NDVI相对稳定的季相变化特征,大部分地类的CI表现出较大的变化和不确定性,其中,SOS和EOS多分别在第100和第300天左右变化,生长季则多维持在200d左右;提取物候特征参数的最佳阈值随提取时期、地物类别的变化而变化,其中提取SOS和EOS的最佳阈值多集中在40%~80%和80%~90%;经验Ω呈现出针叶林的聚集效应最强,耕地的聚集效应最弱的特征.本研究对于揭示不同地类CI季相特征及相关应用研究提供了有用的证据和参考.

关键词：聚集指数时间序列植被物候 MODIS

Efficient algorithm for improving the hotspot effect of the operational MODIS BRDF product

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遥感学报 2014年第4期18卷 804-825页

作者： DONG Yadong jiao ziti ZHANG Hu Li Jiayue jiao Guangping SHI Hanyu School of Geography Beijing Normal University Beijing 100875 China State Key Laboratory of Remote Sensing Science Beijing 100875 China Key Laboratory of Environmental Remote Sensing and Digital City Beijing 100875 China

核驱动的Ross Thick-LiSparse Reciprocal (RTLSR)双向反射函数(BRDF)模型已广泛地应用于MODIS等星载传感器的业务化产品处理中。但是,对于多年MODIS 二向反射产品历史数据,如何基于RTMLSR模型发展一种简单有效快速的方法,进行热点效应... 详细信息

核驱动的Ross Thick-LiSparse Reciprocal (RTLSR)双向反射函数(BRDF)模型已广泛地应用于MODIS等星载传感器的业务化产品处理中。但是,对于多年MODIS 二向反射产品历史数据,如何基于RTMLSR模型发展一种简单有效快速的方法,进行热点效应的校正是一个迫切需要解决的问题。本文提出了一种简单有效的方法,不需要对观测数据重新反演,直接在现有MODIS 二向反射产品的基础上进行热点校正,方便用户对历史MODIS 二向反射产品的使用。该方法应用POLDER-3/BRDF数据库和部分经MODIS业务化算法筛选的反射率数据进行验证,并与RTLSR模型和RTMLSR模型的结果进行比较,结果表明:(1)该方法比现有的MODIS业务化RTLSR算法,对热点反射率有明显改善,拟合相对误差平均降低了10.12% ;(2)该方法相对于RTMLSR模型在热点反射率拟合效果上差别不大,相对误差相差2.10% ;(3)该方法对热点和冷点归一化的植被指数(NDHD)的估算效果有一定程度的改善,相对于RTLSR模型降低了约4.99%,与RTMLSR模型的相对误差相差1.32%,该方法对直接应用现有MODIS BRDF 产品,基于热点方向反射率反演植被结构参数(如植被聚集指数)的精度提高有现实应用价值。

关键词：核驱动模型 AMBRALS 双向反射分布函数热点 MODIS BRDF和反照率产品

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一种多角度观测系统几何精度的评估方法

测绘科学技术学报 2015年第1期32卷 7-12页

作者：王捷肖爱平焦子锑焦广平北京林业大学工学院北京100083 北京师范大学地理学与遥感科学学院北京100875

多角度观测系统用于地面遥感实验中测量地物的双向反射特性。配合高光谱分辨率遥感卫星影像,可以反演得到地物的三维结构信息。多角度观测系统的几何精度直接影响到观测地物的范围及采集数据的准确性。对其进行评估,不仅为实验人员选择... 详细信息

多角度观测系统用于地面遥感实验中测量地物的双向反射特性。配合高光谱分辨率遥感卫星影像,可以反演得到地物的三维结构信息。多角度观测系统的几何精度直接影响到观测地物的范围及采集数据的准确性。对其进行评估,不仅为实验人员选择实验设备提供精度参数,而且有助于实验人员确定观测范围。以激光脚点最小包络圆半径作为评估参数,提供了一种评估多角度观测系统几何精度的方法;对自主研发的多角度观测系统的几何精度进行了计算与评估。对不同光谱仪视场下的理论观测范围与考虑系统几何精度后的实际观测范围进行了计算,并给出了参考。

关键词：精度光谱仪多角度观测双向反射遥感

双冠层反射率模型分析各向异性平整指数(AFX)对植被参数的敏感性

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遥感学报 2017年第1期21卷 1-11页

作者：白冬妮焦子锑董亚冬张小宁李阳何丹丹北京师范大学地理学与遥感科学学院北京100875 北京师范大学遥感科学国家重点实验室北京100875 北京师范大学环境遥感与数字城市北京市重点实验室北京100875

二向反射分布函数包含地表反射的方向性特征信息。研究二向反射分布函数BRDF(Bidirectional Reflectance Distribution Function)形状对植被结构参数的敏感性,有助于理解植被的二向性反射规律,进而反演植被参数。本文耦合双冠层反射率... 详细信息

二向反射分布函数包含地表反射的方向性特征信息。研究二向反射分布函数BRDF(Bidirectional Reflectance Distribution Function)形状对植被结构参数的敏感性,有助于理解植被的二向性反射规律,进而反演植被参数。本文耦合双冠层反射率模型和核驱动的罗斯厚核-李氏稀疏互易核模型,利用EFAST全局敏感性分析方法,以各向异性平整指数为BRDF形状变化的衡量指标,研究了不同天空光比例(SKYL)下,各向异性平整指数AFX对植被参数敏感度的变化,以及SKYL=0.1时AFX的敏感性。结果表明:(1)在红波段,上、下层叶面积指数、上层叶绿素含量,以及上层叶倾角分布是AFX的敏感参数,在近红外波段,上、下层叶面积指数LAI是AFX的敏感参数。(2)冠层尺度上的参数敏感度总体大于叶片尺度。(3)晴天时(SKYL=0.1),红波段主敏感度较大的参数分别是上层LAI、上层叶倾角分布和下层叶片结构参数,近红外波段主敏感度较大的参数主要是上、下层LAI。

关键词： ACRM模型核驱动模型 AFX 植被结构参数敏感性分析

发展几何光学遥感建模理论,推动定量遥感科学前行——深切缅怀李小文院士

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遥感学报 2019年第1期23卷 1-10页

作者：柳钦火阎广建焦子锑肖青闻建光梁顺林王锦地中国科学院遥感与数字地球研究所遥感科学国家重点实验室北京100101 中国科学院大学资源与环境学院北京100190 北京师范大学地理科学学部遥感科学国家重点实验室北京100875 马里兰大学地理科学系美国马里兰20742

李小文长期致力于遥感基础研究,是植被几何光学遥感建模的先驱。他创建了Li-Strahler几何光学模型,论文入选"国际光学工程学会(SPIE)"里程碑系列文集。以李小文为首席科学家,带领国内外科学团队,在植被二向性反射建模、热红外遥感辐射... 详细信息

李小文长期致力于遥感基础研究,是植被几何光学遥感建模的先驱。他创建了Li-Strahler几何光学模型,论文入选"国际光学工程学会(SPIE)"里程碑系列文集。以李小文为首席科学家,带领国内外科学团队,在植被二向性反射建模、热红外遥感辐射方向性建模、遥感信息尺度效应、定量遥感综合实验与真实性检验方面做出了卓越成就。本文总结了李小文的主要学术思想,对定量遥感相关研究进展进行了总结和回顾,对遥感科学及相关领域具有重要的借鉴和参考意义。

关键词：几何光学建模热红外辐射方向性定量遥感反演尺度效应遥感综合试验

机载WIDAS地表观测的BRDF原型反演算法验证

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遥感学报 2019年第4期23卷 620-629页

作者：何丹丹焦子锑董亚冬张小宁张虎丁安心北京师范大学地理科学学部遥感科学与工程研究院北京100875 遥感科学国家重点实验室北京师范大学北京100875 天津师范大学城市与环境学院天津300387

地表反照率表征地面对太阳辐射的反射能力,在地表能量平衡中起着重要的作用。2008年黑河的WATER实验中,针对机载红外广角双模式成像仪(WIDAS)观测角度小的特点,发展了一种基于MODIS二向性反射分布函数(BRDF)原型估算WIDAS反照率的算法... 详细信息

地表反照率表征地面对太阳辐射的反射能力,在地表能量平衡中起着重要的作用。2008年黑河的WATER实验中,针对机载红外广角双模式成像仪(WIDAS)观测角度小的特点,发展了一种基于MODIS二向性反射分布函数(BRDF)原型估算WIDAS反照率的算法。然而,在2012年黑河HiWATER实验中,WIDAS的观测角度范围由早期30°观测天顶角升级为最大观测天顶角52°,这一改造对数据预处理(辐射定标、大气校正和多角度配准)产生影响,使WIDAS数据出现明显的噪声,为WIDAS地表反照率的反演带来新挑战。针对新问题,采用新的地表观测数据,进一步验证了BRDF原型算法反演机载WIDAS反照率的能力。为了获取准实时BRDF先验知识,基于核驱动模型和各向异性平整指数(AFX)首先准实时提取了实验区5种MODIS的BRDF原型;然后,将其作为先验知识应用到黑河WIDAS机载数据的反照率反演中;最后,利用实验区的反照率实测数据进行算法验证。本研究比较了3个算法处理该问题的能力:(1)基于BRDF原型作为先验知识的算法;(2)完全基于核驱动的全反演算法;(3)基于朗伯假设的方法,通过算法对比分析,可更好地分析验证算法(1)的性能。结果表明:(1)BRDF原型算法反演精度最高且稳定,尤其是当观测数据位于垂直主平面时,全反演算法由于缺少大角度观测数据的约束,更容易出现异常值;BRDF原型算法的最大绝对误差为0.034,相对于全反演算法和朗伯假设方法精度分别提高了约18%和71%;(2)针对2012年黑河机载WIDAS观测噪声较大的新问题,BRDF原型反演算法表现出了良好的抗噪声性能。通过对WIDAS反照率反演和验证进一步表明,在多角度观测数据信息量不足以进行全反演,且观测受噪声影响较大时,BRDF原型作为先验知识,提供了一种有效解决该问题的手段,对提高反照率反演的精度、增强反演的稳定性有重要作用。

关键词：遥感黑河 MODIS 机载WIDAS 核驱动模型 AFX BRDF原型地表反照率

利用BRDF原型和单方向反射率数据估算地表反照率

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遥感学报 2015年第3期19卷 355-367页

作者：张虎焦子锑董亚冬李佳悦李小文北京师范大学地理学与遥感科学学院北京100875 遥感科学国家重点实验室北京师范大学北京100875 北京师范大学环境遥感与数字城市北京市重点实验室北京100875

地表反照率是影响地表能量收支平衡的决定性参数之一,精确反演地表反照率需要考虑地表各向异性反射特征。本文尝试以双向反射分布函数BRDF原型为地表各向异性反射的先验知识,通过单方向反射率反演地表反照率。首先根据地面实测及MODIS... 详细信息

地表反照率是影响地表能量收支平衡的决定性参数之一,精确反演地表反照率需要考虑地表各向异性反射特征。本文尝试以双向反射分布函数BRDF原型为地表各向异性反射的先验知识,通过单方向反射率反演地表反照率。首先根据地面实测及MODIS多角度反射率数据对反演方法进行分析和精度评价,然后借助MODIS BRDF产品统计出研究区的主导BRDF原型,并联合环境一号卫星(HJ-1)单方向反射率数据反演30 m地表反照率,最终将结果与地表实测数据进行比较。结果表明:BRDF原型对BRDF的变化进行了约束,且能够适用于几十米尺度的遥感数据反照率的反演;不同级别的各向异性反射特征的分布是不均一的,借助于主导BRDF原型能够使大部分样本的地表反照率满足精度要求;利用研究区MODIS BRDF产品统计得到的主导BRDF原型为先验知识,通过HJ-1数据反演得到的地表反照率与地表实测反照率有较高的一致性,而朗伯假定条件下的反照率高于实测结果。本文算法简单高效,可为产生全国范围的中高分辨卫星反照率产品提供有价值的算法参考。

关键词： HJ-1 MODIS 方向反射率反照率双向反射分布函数BRDF AFX BRDF原型

MODIS二向反射模型方差函数的研究与应用

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遥感学报 2015年第5期19卷 750-760页

作者：李佳悦焦子锑张虎董亚冬黄兴英焦广平李小文北京师范大学遥感科学国家重点实验室遥感与地理信息系统研究中心地理学与遥感科学学院北京100875 北京师范大学环境遥感与数字城市北京市重点实验室北京100875

地表二向性反射分布函数(BRDF)是表征地物反射随太阳和观测方向变化的物理量。在统计意义上,BRDF表示均值统计量,BRVF(Bidirectional Reflectance Variance Function)表示方差统计量,它们对研究地表各向异性反射特征有着重要意义。本文... 详细信息

地表二向性反射分布函数(BRDF)是表征地物反射随太阳和观测方向变化的物理量。在统计意义上,BRDF表示均值统计量,BRVF(Bidirectional Reflectance Variance Function)表示方差统计量,它们对研究地表各向异性反射特征有着重要意义。本文首先采用误差传播理论,推导出基于MODIS BRDF模型的BRVF表达形式。研究结果表明,BRVF的空间分布模式主要由几何光学核Kgeo和体散射核Kvol的一次项和二次项权重和决定。然后利用EOS地面验证核心站点(EOS Land Validation Core Sites)的MODIS BRDF产品,对BRVF空间分布模式随地表类型、光谱波段和观测角度范围进行验证。验证结果表明,基于MODIS BRDF产品的验证与理论推导有较好的一致性。BRVF空间分布模式和地表类型有关,通常在热点处有一个峰值。在大观测天顶角(>60°)下,BRVF随着角度的增大而增大。BRVF在近红外波段整体上大于红波段,表明其波段依赖性。最后,将上述理论成果初步应用于69组地表测量数据的模拟中。模拟结果表明,当大角度缺少观测数据时,模型外延所引起的方向反射方差显著增大,对地表反照率的反演精度和不确定性有较大影响。其中,红波段的白天空反照率的相对误差最大可达38.26%。本研究对利用小角度观测数据进行地表反照率反演的不确定性分析有指导意义;对大角度观测数据缺失情况下,先验知识在地表反照率的反演应用可提供有意义的理论支撑。

关键词：二向性反射方差函数BRVF BRDF MODIS 地表类型 EOS地面验证点误差传播反照率核驱动模型