劉 艷,汪 宏,張 璞,李 楊

(1.中國(guó)氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所,烏魯木齊 830002;2.四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所,成都 610066)

MOD IS大氣校正精度評(píng)價(jià)及其對(duì)表層雪密度提取影響

劉 艷1,汪 宏2,張 璞1,李 楊1

(1.中國(guó)氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所,烏魯木齊 830002;2.四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所,成都 610066)

以古爾班通古特沙漠為研究區(qū),以中分辨率成像光譜儀 (MOD IS)為遙感數(shù)據(jù)源,結(jié)合 ASD FieldSpec準(zhǔn)同步實(shí)測(cè)積雪反射光譜數(shù)據(jù)對(duì) FLAASH大氣校正能力進(jìn)行了評(píng)價(jià)。研究表明:①校正后的MOD IS各波段積雪反射率與準(zhǔn)同步實(shí)測(cè)積雪反射率波形相似,在第 1～7波段整體相關(guān)系數(shù)達(dá) 0.82,表明 FLAASH大氣校正能極大地提高M(jìn)OD IS地物識(shí)別能力;②校正后的MOD IS第 6波段反射率和歸一化差值積雪指數(shù)(NDSI)與實(shí)測(cè)雪密度呈線性相關(guān),可用回歸擬合構(gòu)建MOD IS雪密度遙感計(jì)算模式。

大氣校正;雪密度;反演;同步地物反射光譜;MOD IS

0 引言

目前,獲取積雪密度的方法主要有:①直接應(yīng)用氣象站積雪密度觀測(cè)記錄插值計(jì)算平均積雪密度[1,2];②利用雪密度函數(shù)計(jì)算積雪密度;③利用星載掃描式多通道微波輻射儀 (SMMR)和特別微波輻射/成像計(jì) (SMM/I)等遙感數(shù)據(jù)獲取積雪密度[3-6]。微波傳感器雖可全天候獲取雪層信息并穿透積雪層獲取地表信息,但空間分辨率較低,難以準(zhǔn)確地從空間上獲取積雪密度。目前,利用可見光 -短波紅外甚高分辨率輻射計(jì) (AVHRR)和多時(shí)相中等分辨率成像光譜儀 (MOD IS)能在晴空條件下比較準(zhǔn)確地獲取較高分辨率的積雪覆蓋信息[7-15],但對(duì)利用光學(xué)遙感數(shù)據(jù)定量獲取雪密度和雪水當(dāng)量的研究甚少。找尋適宜的大氣校正模型對(duì)光學(xué)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行精確的大氣校正,乃是積雪密度參數(shù)光學(xué)遙感反演的一個(gè)關(guān)鍵步驟和前提條件。

本文以古爾班通古特沙漠地區(qū)多時(shí)相MOD IS為例,采用 FLAASH(Fast Line-of-sight Atmospheric Analysis of Spectral Hypercubes)大氣校正模型進(jìn)行大氣校正;結(jié)合該地區(qū) ASD Field Spec準(zhǔn)同步實(shí)測(cè)積雪反射光譜數(shù)據(jù),對(duì)MOD IS 1B FLAASH大氣校正效果進(jìn)行評(píng)價(jià),分析校正后的MOD IS各波段積雪反射率與實(shí)測(cè)雪密度的相關(guān)性,尋找對(duì)雪密度具有良好響應(yīng)的波段及波段反射比,為雪密度光學(xué)遙感定量研究奠定基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

古爾班通古特沙漠地處新疆北部,位于準(zhǔn)噶爾盆地中央 ,地理范圍為 44°11′～46°20′N、84°31′～90°00′E,是我國(guó)最大的固定、半固定沙漠。區(qū)內(nèi)年降雨量為 100～150mm,冬春有降雪,積雪深度可達(dá)10～35 cm,積雪時(shí)間可達(dá) 4個(gè)月。冬季積雪和凍土對(duì)沙漠地表形成有利的保護(hù)層,植被覆蓋和生物結(jié)皮使得沙面整體處于穩(wěn)定的狀態(tài)。

本實(shí)驗(yàn)在沙漠邊緣建立了積雪參數(shù)野外采集試驗(yàn)場(chǎng)并布設(shè)數(shù)據(jù)采集樣方。試驗(yàn)場(chǎng)地勢(shì)較平坦,積雪覆蓋率達(dá) 90%以上,積雪平均深度達(dá) 6 cm。樣方大小為 360m×360m,被分割為 90m×90m大小的 16個(gè)樣方,用于與MOD IS同步觀測(cè)。

2 數(shù)據(jù)源與計(jì)算方法

2.1 遙感數(shù)據(jù)源

遙感數(shù)據(jù)來自 2008年 12月 6、8和 20日獲取的MOD IS 1B數(shù)據(jù),覆蓋了古爾班通古特沙漠地區(qū),已經(jīng)過輻射校正和幾何糾正等預(yù)處理。

2.2 積雪準(zhǔn)同步觀測(cè)

2008年 12月 6、8和 20日在野外采集場(chǎng)樣方內(nèi)(圖 1)進(jìn)行了積雪表面反射光譜、雪密度和雪深準(zhǔn)同步觀測(cè),觀測(cè)時(shí)間為MOD IS衛(wèi)星過頂前后 5m in內(nèi)。其中,使用 FieldSpec Pro FR(Full Range)ASD光譜儀 (350～2 500 nm)完成了雪表面反射光譜采集;雪密度用 Snow Fork雪密度分析儀采集 (將距地表 2 cm處的雪密度定義為表層雪密度)。

圖 1 MOD IS準(zhǔn)同步試驗(yàn)場(chǎng)示意圖Fig.1 Sketch map of quasi-synchronism test ground for MOD IS

2.3 實(shí)測(cè)積雪反射光譜歸一化計(jì)算

歸一化反射率可部分消除積雪表面光滑度和反射光譜隨時(shí)間和空間變化的干擾。天氣與周圍環(huán)境的細(xì)微變化、光譜儀位置移動(dòng)和太陽(yáng)角變化等都會(huì)影響積雪反射光譜測(cè)量。為了對(duì)不同樣點(diǎn)采集的積雪反射光譜進(jìn)行對(duì)比分析,對(duì)所測(cè)反射光譜進(jìn)行歸一化處理,即以積雪在 0.3～2.5μm范圍內(nèi)的平均反射率為歸一化點(diǎn),利用 ENV I軟件 Spectral Math計(jì)算歸一化積雪反射率,即

式中,S為歸一化積雪反射率;S1為實(shí)測(cè)積雪反射率;為積雪平均反射率。

2.4 MOD IS FLAASH大氣校正參數(shù)輸入

FLAASH大氣校正基于傳感器處單個(gè)像元接受到的太陽(yáng)波譜范圍內(nèi) (不包括熱輻射)標(biāo)準(zhǔn)平面朗伯體 (或近似平面朗伯體)反射光譜輻射亮度[15]。光譜輻射亮度計(jì)算公式為

式中,L＊為傳感器接收到的單個(gè)像元輻射亮度;ρ為該像元地表反射率;ρe為該像元和其周邊像元的混合平均地表反射率;S為大氣球面反照率;為大氣層輻射進(jìn)入傳感器的輻射亮度;A、B分別為大氣條件和下墊面幾何條件決定的系數(shù)。A、B、S和值分別由特定大氣模式、氣溶膠類型、能見度、衛(wèi)星觀測(cè)角度、大陽(yáng)角度和地表平均海拔等決定,這些參數(shù)均可通過其他方式或利用標(biāo)準(zhǔn)大氣模式和氣溶膠模式獲取,并與大氣中的水蒸氣含量、氣溶膠光學(xué)厚度有密切關(guān)系。

FLAASH利用暗目標(biāo)法反演氣溶膠光學(xué)厚度,利用MODTRAN 4模擬大氣吸收并形成一個(gè)查找表,然后利用查找表逐像元地進(jìn)行水蒸氣含量估算。ρ和ρe的區(qū)別主要來自與大氣散射引起的“鄰近像元效應(yīng)”,若ρ=ρe,則校正過程會(huì)忽略鄰域效應(yīng),但在有薄霧或地表存在強(qiáng)烈對(duì)比的條件下會(huì)使短波波段范圍內(nèi)的大氣校正出現(xiàn)明顯誤差。FLAASH利用大氣點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)對(duì)鄰域效應(yīng)進(jìn)行糾正。ρe的估算公式為

式中,Le為某像素和周邊像元的空間平均值,可以通過原始影像計(jì)算得到。

當(dāng)取得所有參數(shù)后,利用式 (2)、(3)即可逐像元地求出整幅圖像的真實(shí)地表反射率。用于本實(shí)驗(yàn)的大氣校正實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的輸入?yún)?shù)見表 1[16]。大氣模式和氣溶膠類型因缺乏實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)而選擇標(biāo)準(zhǔn)模式;能見度參數(shù)選擇沙漠地區(qū)天氣較好情況下的能見度[16]。

表 1 FLAASH大氣校正輸入?yún)?shù)Tab.1 Input parameters of FLAASH at mospheric correction

3 結(jié)果分析

3.1 校正前后視覺對(duì)比

對(duì)比大氣校正前后的 MOD IS 6、2、3波段假彩色合成圖像 (圖 2)可以看出,大氣校正前圖像整體偏暗,對(duì)比度不高 (圖 2(a));大氣校正后圖像對(duì)比度明顯提高,地物顯得更加清晰可辨 (圖 2(b))。大氣校正前后圖像視覺效果和反射輻射亮度發(fā)生了明顯的變化,校正后的圖像更加清楚、色彩明亮,說明 FLAASH校正有效地去除了大氣氣溶膠的影響。

圖 2 大氣校正前后MOD IS圖像視覺對(duì)比Fig.2 Visual comparison between M OD IS images before and after atmospheric correction

3.2 校正前后積雪反射光譜比較

在MOD IS圖像上選取積雪像元,對(duì)MOD IS第 1～7波段計(jì)算反射率、FLAASH大氣校正反射率和實(shí)測(cè)積雪重采樣反射率進(jìn)行了比較 (圖 3)。

圖 3 積雪反射率比較Fig.3 Com par ison of snow reflectance

實(shí)測(cè)反射率數(shù)據(jù)用 ASD光譜測(cè)量?jī)x測(cè)得,光譜分辨率在 350～1 000 nm譜段為 3 nm,在 1 000～2 500 nm譜段為 10 nm;采樣間隔在 350～1 000 nm譜段為 1.4 nm,在 1 000～2 500 nm譜段為 2 nm;數(shù)據(jù)間隔為 1 nm。本實(shí)驗(yàn)利用 ENV I軟件光譜重采樣模塊對(duì) ASD所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣,得到 MOD IS圖像第 1～7波段反射率數(shù)據(jù)。校正后圖像的積雪反射率與實(shí)測(cè)反射率波形相似,在第 1～7波段范圍整體相關(guān)系數(shù)達(dá) 0.82;校正后圖像的高反射波段較實(shí)測(cè)反射率低,吸收波段與實(shí)測(cè)光譜接近。

3.3 校正前后 NDSI比較

MOD IS全球積雪面積產(chǎn)品包括多種類型,并針對(duì)不同下墊面提供了一系列不同的算法,但基本方法是歸一化差值積雪指數(shù) (NDSI)法,其計(jì)算公式為式中,B 4和 B 6分別為MOD IS近紅外波段和紅波段像元的反射率值。

為進(jìn)一步評(píng)價(jià)和驗(yàn)證 FLAASH大氣校正效果,本試驗(yàn)對(duì)校正前后的 NDSI進(jìn)行了比較。按式 (4)分別計(jì)算實(shí)測(cè)積雪光譜數(shù)據(jù)、MOD IS圖像 DN值、MOD IS計(jì)算反射率和MOD IS校正反射率及其 NDSI值,并提取上述各參數(shù)在試驗(yàn)場(chǎng)觀測(cè)點(diǎn)的 3像元 ×3像元范圍的亮度平均值 (表 2)。

表 2 積雪在MOD IS第 4和 6波段的 DN值 /計(jì)算反射率 /校正反射率 /NDSITab.2 Snow DN values and reflectance before and after correction at the B4 and B6 ofM OD IS image and NDSI values computed from these images

經(jīng)分析認(rèn)為:①理論上,DN值未經(jīng)過任何校正,只是進(jìn)入傳感器中的輻射能的一種數(shù)字轉(zhuǎn)換形式,不能從本質(zhì)上地反映地物的輻射特性 (實(shí)際上,用DN值計(jì)算的 NDSI明顯低于用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算的NDSI);②大氣頂層MOD IS計(jì)算反射率雖然經(jīng)過了輻射定標(biāo)校正,但它是地面反射率和大氣反射率的總和,仍不能真實(shí)地反映地物的輻射特性 (因而用MOD IS計(jì)算反射率計(jì)算的 NDSI明顯低于用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算的NDSI);③用校正后的地表反射率計(jì)算的NDSI與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算的 NDSI比較接近 (相關(guān)系數(shù)達(dá) 0.6),這表明經(jīng)大氣校正后的圖像能基本消除大氣的影響,能比較真實(shí)地反映地物的輻射特性。校正前后 NDSI變化趨勢(shì)基本上相同 (圖 4),NDSI峰值和谷值的出現(xiàn)位置整體上十分吻合,說明大氣校正前后圖像總體特征相同。

圖 4 MOD IS影像大氣校正前后某一剖面的 NDSI值Fig.4 NDSI of MODIS images before and after at mospheric correction

圖像均值代表圖像的整體亮度水平;標(biāo)準(zhǔn)差反映圖像中灰度值的離散程度,標(biāo)準(zhǔn)差越大,灰度級(jí)分布越分散,圖像目視效果越好,圖像所含信息量也越豐富。統(tǒng)計(jì)校正前、后的 NDSI數(shù)據(jù),得到校正前NDSI平均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為 0.283和0.236、校正后 NDSI平均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為 0.311和 0.241,這說明經(jīng)大氣校正后 NDSI的信息量更豐富。同時(shí),大氣校正后計(jì)算的 NDSI值更接近于用地面同步實(shí)測(cè)積雪光譜數(shù)據(jù)計(jì)算的 NDSI值。因此,FLAASH大氣校正在一定程度上有效地降低了大氣對(duì)遙感圖像的影響,獲得了地表真實(shí)反射率,達(dá)到了降低大氣影響、增強(qiáng)圖像信息的目的。

3.4 與實(shí)測(cè)雪密度比較

以 2008年 12月 6日和 20日在試驗(yàn)場(chǎng)樣方內(nèi)同步采集的 23組數(shù)據(jù) (反射率和雪密度)為例,進(jìn)行實(shí)測(cè)積雪密度與MOD IS圖像校正前后波段反射率相關(guān)分析。首先,計(jì)算MOD IS數(shù)據(jù)在可見光和近紅外波段的中心波長(zhǎng),提取對(duì)應(yīng)各中心波長(zhǎng)處的ASD實(shí)測(cè)歸一化積雪反射率,得到基于MOD IS圖像波段的歸一化 ASD反射率數(shù)據(jù);其次,在 ERDAS軟件的定位器中輸入實(shí)測(cè)雪密度時(shí)記錄的地理坐標(biāo),ERDAS自動(dòng)在經(jīng)過幾何糾正的MOD IS影像上進(jìn)行定位。為了減小 GPS記錄實(shí)測(cè)點(diǎn)地理坐標(biāo)存在的誤差和圖像幾何糾正時(shí)存在的誤差,本實(shí)驗(yàn)在圖像匹配點(diǎn)周圍選取 3像元 ×3像元的窗口,以所選像元的平均值作為最終像元值;最后,進(jìn)行雪密度和 ASD反射率、真實(shí)反射率和計(jì)算反射率相關(guān)分析,分別就單波段和波段組合模式進(jìn)行了分析(表3)。

表 3 不同積雪反射率與同步實(shí)測(cè)雪密度的相關(guān)系數(shù)Tab.3 Correlation coefficients between different snow reflectance and density

結(jié)果表明,FLAASH大氣校正后近紅外波段(B6、B7)反射率和 NDSI與實(shí)測(cè)雪密度間相關(guān)系數(shù)得到顯著提高。雪密度與 B6和 B7具有很高的相關(guān)性,B7常被用來識(shí)別陸地和云,B6被用來區(qū)別云雪差異。因此,本試驗(yàn)以校正后的MOD IS第 6波段和 NDSI與實(shí)測(cè)雪密度數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合,得到兩種回歸模式 (表 4)。

表 4 雪密度的遙感回歸模式及相關(guān)分析Tab.4 Remote sen sing arithmetic model of snow density and regression analysis

同時(shí),選取試驗(yàn)區(qū) 8個(gè)樣本點(diǎn)的實(shí)測(cè)值對(duì)雪密度的遙感回歸模式進(jìn)行了驗(yàn)證(表 5)。

表 5 雪密度驗(yàn)證結(jié)果Tab.5 Results of accuracy evaluation of snow density

4 結(jié)論

(1)FLAASH校正前后MOD IS影像的視覺效果和反射輻射亮度發(fā)生了明顯變化,校正后的圖像更加清楚。大氣校正大大恢復(fù)了積雪光譜反射特征。校正后的MOD IS圖像積雪波段反射率與 ASD實(shí)測(cè)反射率波形相似,高反射波段較實(shí)測(cè)反射率低,吸收波段與實(shí)測(cè)光譜接近。

(2)FLAASH校正后的MOD ISNDSI更加接近根據(jù)ASD實(shí)測(cè)積雪光譜數(shù)據(jù)計(jì)算的 NDSI。校正后MOD IS的第 6波段和 NDSI同 Snow Fo rk實(shí)測(cè)雪密度間具有很好的線性相關(guān)性,適合用于雪密度的光學(xué)遙感反演;對(duì)回歸擬合建立的MOD IS雪密度計(jì)算模式進(jìn)行的精度評(píng)價(jià),驗(yàn)證了利用積雪反射率反演雪密度的可行性。經(jīng) FLAASH大氣校正的MOD IS數(shù)據(jù)能為雪密度的光學(xué)定量遙感反演提供良好的數(shù)據(jù)源。

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(責(zé)任編輯:劉心季)

Accuracy Evaluation of MODIS Atmospheric Correction and Its Effects on Surface-Snow Density Ex traction

LIU Yan1,WANG Hong2,ZHANG Pu1,LI Yang1
(1.Institute of Desert Meteorology,CMA,Urumqi830002,China;2.Institute of Remote Sensing Applications,Sichuan Academy of Agricultural Sciences,Chengdu 610066,China)

With Gurbantung gut desert as the study area and by using moderate resolution imaging spectrometer(MOD IS)data,which is a kind of optical remote sensing data,in combination with snow reflectance spectra simultaneously measured by ASD Field Spec,the authors evaluated the correction capability of FLAASH model.Some results have been attained:①Snow reflectance from 1st to 7 th band of MOD IS is similar to the simultaneously measured snow reflectivity,and the correlation coefficient of all bands is 0.82 on the who le,indicating that FLAASH can greatly enhance the capability for identifing surface features of M 0D IS.②On the basis of linear relationship between snow reflectance after correction at MOD IS channel6 and NDSI and measured snow density,a snow density remote computation model can be built by way of regression and fitting.

Atmospheric correction;Snow density;Retrieval;Synchronous ground reflectance spectra;MOD IS

劉 艷 (1978-),女,副研究員,主要從事遙感在積雪、植被變化監(jiān)測(cè)等方面的研究。

TP 751.1

A

1001-070X(2011)01-0128-05

2010-04-06;

2010-05-16

中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)項(xiàng)目(編號(hào):IDM 200808、IDM 200704)和新疆氣象局基金項(xiàng)目(編號(hào):C2006003)共同資助。