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一种近似用于高发射率城市地表热红外等效发射率的方向性变异核驱动模型及其不确定性分析

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红外与毫米波学报 2015年第1期34卷 66-73页

作者：孙灏陈云浩占文凤王萌杰马伟北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室资源学院北京100875 南京大学江苏省地理信息技术重点实验室国际地球系统科学研究所江苏南京210093 中国冶金地质总局矿产资源研究院北京100025

地表热红外发射率（8~14μm）的方向性变异为遥感地表温度的反演及应用引入了不确定性,这种问题在城市地表显得尤为突出.发展了一种近似用于高发射率城市地表热红外等效发射率的方向性变异（Urban Surface Emissivity Anisotropy,USEA... 详细信息

地表热红外发射率（8~14μm）的方向性变异为遥感地表温度的反演及应用引入了不确定性,这种问题在城市地表显得尤为突出.发展了一种近似用于高发射率城市地表热红外等效发射率的方向性变异（Urban Surface Emissivity Anisotropy,USEA）核驱动模型,并分析了具体应用时的不确定性,其中USEA用非垂直观测的发射率与垂直观测时的发射率之比定量表示.模型有两个基本假设：（1）白天,USEA具有热点效应,热点位置与太阳位置接近;（2）夜晚,USEA无明显热点效应,且主要与观测天顶角相关.该核驱动模型由各向同性核、多次散射核、以及温差核组成,其中各向同性核为常数1,多次散射核描述了USEA与观测天顶角的关系,温差核描述了USEA的热点效应.基于计算机模拟数据的模型评价结果表明,核驱动模型可以表达USEA的时空变化,但城市地表热惯量会导致模型的适用性降低.该核驱动模型在MODIS等传感器的方向性比辐射率数据上,具有一定的应用潜力.

关键词：遥感城市热红外发射率方向性核驱动模型

集合卡曼滤波在遥感反演地表参数中的应用——以核驱动模型反演BRDF为例

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中国科学（D辑） 2005年第8期35卷 790-798页

作者：秦军阎广建刘绍民梁顺林张颢王锦地李小文北京师范大学地理与遥感科学学院遥感与GIS研究中心 Department of Geography 2181 Lefrak HallUniversity of Mary landCollege ParkMD20742USA

遥感反演中使用先验知识,特别是在观测信息不足情况下,对于保证反演计算的稳定性和降低反演结果的不确定性具有重要意义.常用的最优算法,不能较好提供先验知识的后验分布,也就不能直接得到反演结果不确定性,这对于遥感应用是不利的.引... 详细信息

遥感反演中使用先验知识,特别是在观测信息不足情况下,对于保证反演计算的稳定性和降低反演结果的不确定性具有重要意义.常用的最优算法,不能较好提供先验知识的后验分布,也就不能直接得到反演结果不确定性,这对于遥感应用是不利的.引入集合卡曼滤波(EnKF)的方法来实现地表参数的遥感反演,它能在有效获得反演结果的同时给出先验知识的后验分布.为了显示其反演优势,将MODIS标准AMBRALS算法、SCE-UA高效全局最优算法和集合卡曼滤波算法进行了比较.着重讨论了在观测不足时,引入先验知识并以反演结果的不确定性为比较指标的情况下,不同核组合的核驱动模型在不同地表类型上对反照率的反演能力.

关键词：遥感反演先验知识后验分布集合卡曼滤波 BRDF核驱动模型反照率核驱动模型滤波算法地表参数遥感应用

耦合地表方向反射特性的城市地区气溶胶光学厚度遥感反演

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遥感学报 2022年第11期26卷 2219-2233页

作者：田信鹏高志强刘强王德王跃启中国科学院烟台海岸带研究所海岸带环境过程与生态修复重点实验室烟台264003 中国科学院烟台海岸带研究所山东省海岸带环境过程重点实验室烟台264003 鹏成国家实验室深圳518055

地气分离是气溶胶光学厚度AOD(Aerosol Optical Depth)卫星遥感反演中的难点之一,当前大多反演算法一般将地表假定为朗伯体,这使得反演结果在城市等高异质地区具有较大的不确定性。本文利用长时间序列MODIS BRDF/Abledo产品,通过离散余... 详细信息

地气分离是气溶胶光学厚度AOD(Aerosol Optical Depth)卫星遥感反演中的难点之一,当前大多反演算法一般将地表假定为朗伯体,这使得反演结果在城市等高异质地区具有较大的不确定性。本文利用长时间序列MODIS BRDF/Abledo产品,通过离散余弦变换的惩罚最小二乘估计时空滤波算法构建了地表BRDF形状因子先验数据集。通过耦合考虑地表各向异性反射特性的辐射传输前向模型及半经验核驱动模型,以先验数据集为驱动进行地表参数估算,实现考虑地表BRDF效应的气溶胶遥感反演。基于该算法,以北京为研究区开展了Landsat 8 OLI传感器反演实验,并使用AERONET地基观测数据及与朗伯假设和地表反射率数据库支持反演进行交叉对比,结果表明,新算法在城市/植被地区的反演点对在期望误差线内比重为84.6%/86.0%,可以有效改善朗伯假设对AOD的高估。通过与MODIS气溶胶产品(MOD04/MCD19A2)对比,新算法获取的AOD与AERONET观测值具有更高的一致性,城市站点反演结果在误差线内占比较DT、DB、DTDB及MAIAC产品分别提高了46.8%、13.9%、14.7%及4.4%,且有效对比点数高于MODIS产品。新算法可以获取500 m空间分辨AOD,能提供空间更为连续的气溶胶细节信息,显示了在支持区域污染精细管控及污染物溯源等领域的应用潜力。

关键词：气溶胶光学厚度地表方向反射核驱动模型 MODIS Landsat 8 OLI

新几何光学核驱动BRDF模型反演地表反照率的算法

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遥感学报 2002年第4期6卷 246-251页

作者：杨华李小文高峰北京师范大学遥感与GIS研究中心资源与环境科学系北京100875 北京市重点实验室环境遥感与数字城市 Department of Geography and Center for Remote Sensing Boston University

MODIS的反照率和二向反射产品由基于核驱动模型的AMBRALS程序提供。目前AMBRALS算法系统中所用的描述几何光学散射的核为LiSparseR核。新提出的一个几何光学核—LiTransit核兼有LiSparse核向LiDense核过渡的优点 ,比LiSparseR核更符合... 详细信息

MODIS的反照率和二向反射产品由基于核驱动模型的AMBRALS程序提供。目前AMBRALS算法系统中所用的描述几何光学散射的核为LiSparseR核。新提出的一个几何光学核—LiTransit核兼有LiSparse核向LiDense核过渡的优点 ,比LiSparseR核更符合几何光学模型的基本原理。验证结果表明 :与LiSparseR核比较 ,RossThick—LiTransit的核组合更能反映直入扇出反照率随太阳天顶角变化的趋势。因此在下一代的AM BRALS算法系统中 ,将用新的LiTransit核取代LiSparseR核。目前AMBRALS算法系统为了快速处理每天大量的数据 ,用多项式拟合核的半球积分。因此 ,为了替换LiSparseR核 ,同时又不影响整个算法的系统性 ,本文研究了LiTransit核的多项式拟合。结果表明 :拟合的多项式与核半球积分的相关性很好。

关键词：几何光学 BRDF模型地表反照率核驱动模型 LiTransit核 MODIS AMBRALS

基于AMTIS航空遥感影象和核驱动模型的作物株型遥感识别

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基于AMTIS航空遥感影象和核驱动模型的作物株型遥感识别

第六届成像光谱技术与应用研讨会

作者：黄文江王纪华刘良云王之杰宋晓宇牛铮国家农业信息化工程技术研究中心国家农业信息化工程技术研究中心国家农业信息化工程技术研究中心国家农业信息化工程技术研究中心国家农业信息化工程技术研究中心国家农业信息化工程技术研究中心

作物群体具有一定的冠层几何结构（株型）,对于不同株型的品种,在相同的叶面积指数时冠层反射光谱往往不同,使得利用冠层反射光谱来反演叶面积指数等生物物理和生物化学参数时存在不同株型产生的误差本研究定量研究了不同叶面积指数条件... 详细信息

作物群体具有一定的冠层几何结构（株型）,对于不同株型的品种,在相同的叶面积指数时冠层反射光谱往往不同,使得利用冠层反射光谱来反演叶面积指数等生物物理和生物化学参数时存在不同株型产生的误差本研究定量研究了不同叶面积指数条件下,作物株型对冠层反射光谱的影响。本研究将多角度观测数据和进行核驱动模型参数反演,提出运用基于核参数各向同性核所占比例（fiso）,几何光学核所占比例（fgeo）和体散射核所占比例（fvol）构建了植被结构参数敏感指数（SPEI）来进行作物株型的遥感识别的理论依据,并将植被结构参数敏感指数（SPEI）与结构散射指数（SSI）和归一化差异参数指数（NDFI）等对紧凑型品种京411和披散型品种中优9507的实测多角度冠层方向反射率数据进行了核参数的反演,表明对于不同参数对作物株型结构表现出的敏感性依次为:SPEI＞SSI＞NDFI。对于采用多角度AMTIS不同观测角度的遥感数据,通过核驱动模型,利用可见光和近红外波段的各向同性核所占比例,几何光学核所占比例和体散射核所占比例构建的的植被结构参数敏感指数（SPFI）、归一化差异参数指数（NDFI）和结构散射指数（SSI）分别对飞行重点区域进行填图,运用SPFI进行不同株型的品种初步区分效果较NDFI和SSI好,表明运用SPFI进行不同株型的品种初步区分是可行的。在生产上具有一定的应用前景。

关键词： AMTIS 株型核驱动模型冬小麦植被结构参数敏感指数（SPEI）

来源： cnki会议评论

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二向反射遥感反演最优角度采样方法研究

遥感技术与应用 2023年第1期38卷 66-77页

作者：张腾游冬琴闻建光唐勇中国科学院空天信息创新研究院遥感科学国家重点实验室北京100083 中国科学院大学资源与环境学院北京100049

地物具有二向反射特性,可由二向反射分布函数(Bi-directional Reflectance Distribution Function,BRDF)刻画,它是光学定量遥感反演的基础。BRDF的反演依赖于多角度观测,由于卫星、航空和地基观测的角度有限,如何设计可行的稀疏角度采样... 详细信息

地物具有二向反射特性,可由二向反射分布函数(Bi-directional Reflectance Distribution Function,BRDF)刻画,它是光学定量遥感反演的基础。BRDF的反演依赖于多角度观测,由于卫星、航空和地基观测的角度有限,如何设计可行的稀疏角度采样,对实现BRDF的高质量反演至关重要。研究引入角度信息量,基于模型模拟和传感器观测的多角度数据,通过计算不同角度组合用于核驱动模型BRDF反演的角度信息量与反演误差,探究了角度信息量与反演误差之间的关系,确定了BRDF反演的最优观测平面和角度数目,进而得到不同太阳天顶角对应的优选角度组合。验证结果表明:优选出的角度组合在大多数地表上可实现高质量的BRDF反演。研究成果可为多角度观测实验、多角度卫星载荷设计以及地表二向反射反演提供重要参考。

关键词： BRDF 核驱动模型遥感反演角度采样

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

机载WIDAS数据的Landsat卫星反照率初步验证

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遥感学报 2019年第1期23卷 53-61页

作者：何丹丹焦子锑董亚冬张小宁丁安心尹思阳崔磊常雅轩北京师范大学地理科学学部北京100875 北京师范大学遥感科学国家重点实验室北京100875

随着精细化监测的需求,中高空间分辨率的地表反照率产品逐渐成为气候模型的主要输入。目前,中高空间分辨率反照率产品的验证主要基于地表站点的通量塔观测数据,区域机载飞行数据的验证依然相对较少。因此,本文基于区域机载数据验证Land... 详细信息

随着精细化监测的需求,中高空间分辨率的地表反照率产品逐渐成为气候模型的主要输入。目前,中高空间分辨率反照率产品的验证主要基于地表站点的通量塔观测数据,区域机载飞行数据的验证依然相对较少。因此,本文基于区域机载数据验证Landsat反照率产品。针对内蒙古自治区根河森林试验区所获取的机载红外广角双模式成像仪(WIDAS)多角度反射率数据,应用BRDF原型反演算法估算其反照率,分析了应用机载数据验证中高空间分辨率反照率产品的潜力。2016年内蒙古根河森林试验区机载WIDAS飞行多角度观测的可用多角度范围为25°,以前的研究表明BRDF原型反照率反演算法表现出对小观测角度的反照率反演结果的鲁棒性。因此,机载WIDAS反照率在一定程度可用于星载反照率的验证。首先,基于核驱动模型和各向异性平整指数(AFX)提取了试验区4种MODIS二向性反射分布函数(BRDF)原型;然后,将其作为先验知识应用到根河森林WIDAS机载数据的反照率反演中;最后,用WIDAS反照率和单个地面通量塔观测的反照率对Landsat卫星数据的反照率进行初步验证。验证结果表明Landsat反照率与WIDAS反照率结果较为一致,但略有低估,总体均方根误差(RMSE)约为0.02,偏差为0.0057。在多角度观测范围较小时,BRDF原型的反照率反演算法可为星载地表反照率的验证提供了一种有效的验证手段。

关键词：机载WIDAS 核驱动模型 AFX BRDF原型 Landsat 地表反照率

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多角度遥感的叶面积指数反演

多角度遥感的叶面积指数反演

作者：孔祥玉天津师范大学

学位级别：硕士

叶面积指数（Leaf Area Index,LAI）反映了生态系统中植被冠层结构特征和生物物理变化规律,已被广泛应用于生态系统碳循环、全球气候模型等众多陆表生态生物模型的研究中。因此,如何快速实时地获取大面积、高质量的LAI成为了定量遥感研... 详细信息

叶面积指数（Leaf Area Index,LAI）反映了生态系统中植被冠层结构特征和生物物理变化规律,已被广泛应用于生态系统碳循环、全球气候模型等众多陆表生态生物模型的研究中。因此,如何快速实时地获取大面积、高质量的LAI成为了定量遥感研究的热点问题之一。目前在利用遥感数据实现LAI的反演中,受限于反演方法的局限性和不充足的观测数据,导致反演结果精度低。针对这一问题,可以充分利用多角度遥感观测数据中提供的丰富地物结构信息,从传统的单一天顶方向反演改善为由多个角度解译信息的反演方法。本研究提出了一种适用于多角度遥感的LAI反演方法,基于广泛应用于植被反演的PROSAIL模型与核驱动的BRDF模型,利用LANDSAT多光谱反射率数据和MODIS BRDF产品（MCD43A1）反演了多角度LAI。对比MODIS LAI产品（MOD15A2H）和地面实测LAI数据,验证了反演方法的可行性和反演结果的精度。主要研究内容和结论如下:（1）基于PROSAIL模型分析了LAI的敏感性。采用RMSE和EFAST两种方法定量评价了LAI对模型模拟反射率在参数和角度上的敏感关系,确定了LAI变化会引起模拟反射率的显著变化,并主要表现在热点及其附近的几何位置;同时考虑PROSAIL模型的BRDF效应,进一步分析了LAI对核驱动模型3个核系数的影响机制,结果均为较高敏感性。（2）耦合PROSAIL模型与核驱动模型,及改善其耦合差异。通过比较两个模型在模拟多角度反射率上的差异,发现模型耦合具有较好一致性但热点附近差异较大。为改善模型间的耦合差异,对核驱动模型的热点效应问题进行了讨论。基于已有研究,我们提出了以不同太阳天顶角划定热点因子的新思路,最终引入热点因子改进后的RTLSR＿C模型显著提高了热点方向的模拟反射率,有效优化了模型的耦合效果。（3）基于PROSAIL模型和核驱动模型反演多角度LAI。建立充足LAI采样值与PROSAIL模拟多角度反射率间的关系查找表,借助于MODIS LAI产品的备用算法建立了NDVI与LAI的统计关系,通过比较计算地表观测的NDVI初步筛选出可能的LAI取值范围,有效地提高了反演精度和速度。利用LANDSAT反射率数据反演了天顶方向LAI,以及利用MODIS BRDF产品通过模型耦合拟合多角度反射率,从而反演了天顶和冷、热点方向LAI。最终对比MODIS LAI产品和地面实测数据进行精度验证。结果表明,LAI反演结果在空间上连续性好,冷、热点方向的反演结果精度高于单一天顶方向。因此,本文利用多角度遥感反演LAI的方法是可行的,能提高一定的反演精度,该方法可进一步应用于任意角度下的LAI反演。

关键词：叶面积指数多角度遥感 PROSAIL模型核驱动模型敏感性分析