陳愛(ài)軍 孟文童 胡慎慎 卞林根

摘要 對(duì)比分析了青藏高原MODIS地表反照率產(chǎn)品和GLASS地表反照率產(chǎn)品的空間分布連續(xù)性、高質(zhì)量反演結(jié)果的比例，應(yīng)用青藏高原CAMP/Tibet試驗(yàn)期間的高精度觀測(cè)數(shù)據(jù)評(píng)估了兩種產(chǎn)品的精度，通過(guò)人工目視解譯MODIS地表反射率圖像并結(jié)合MODIS積雪產(chǎn)品分析了影響兩種產(chǎn)品精度的原因，結(jié)果表明：1）GLASS地表反照率產(chǎn)品具有比MODIS地表反照率產(chǎn)品更好的空間分布連續(xù)性和更高的反演質(zhì)量;2）絕大多數(shù)時(shí)段內(nèi)兩種產(chǎn)品都能與地面觀測(cè)結(jié)果保持較好的一致性，能準(zhǔn)確地反映地表反照率的異常變化過(guò)程;3）局地積雪是影響兩種產(chǎn)品精度的重要因素之一;4）積雪條件下，GLASS地表反照率反演算法比MODIS地表反照率反演算法更具優(yōu)勢(shì)。研究結(jié)果有助于促進(jìn)人們對(duì)地表反照率衛(wèi)星遙感反演產(chǎn)品的認(rèn)識(shí)，改進(jìn)青藏高原地表反照率衛(wèi)星遙感反演算法，提高青藏高原地表反照率衛(wèi)星遙感反演結(jié)果的精度、反演質(zhì)量和空間分布連續(xù)性。

關(guān)鍵詞 地表反照率;精度分析;青藏高原;MODIS;GLASS

地表反照率定義為地表反射太陽(yáng)輻射與入射太陽(yáng)輻射之比，是影響地表輻射能量收支和地-氣相互作用的一個(gè)重要的地表參數(shù)（Dickinson，1995）。地表反照率在很大程度上決定了太陽(yáng)輻射能量在地-氣系統(tǒng)中的分配，影響大氣環(huán)流和生物物理過(guò)程，對(duì)區(qū)域以至全球氣候有著重要影響（Hu and Boos，2017;Planque et al.，2017），因而是不同時(shí)空尺度的氣候模式（Haywood et al.，2016;Li et al.，2016;Levine and Boos，2017）、數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式（Vahmani and Ban-Weiss，2016）以及陸面過(guò)程模式（謝志鵬等，2017）中重要的地表參數(shù)。此外，地表反照率還可以用于監(jiān)測(cè)植被動(dòng)態(tài)（Luke et al.，2016;Wang et al.，2017）、沙漠面積變化（Liu et al.，2017），以及研究干旱對(duì)氣候的影響（Evans et al.，2017）、火災(zāi)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響（Lyons et al.，2008;Saha et al.，2017），反演大氣氣溶膠狀況及區(qū)域能見(jiàn)度變化（林楚勇等，2015;包云軒等，2018），城市化影響（儲(chǔ)鵬等，2016）。

青藏高原平均海拔約4 500 m，被稱(chēng)為“世界屋脊”、“第三極”，是世界海拔最高的高原。青藏高原大范圍熱動(dòng)力作用不僅影響全球大氣環(huán)流，而且對(duì)中國(guó)及亞洲地區(qū)的災(zāi)害性天氣乃至全球氣候變化有著重要影響（Ye，1981;Ye and Wu，1998）。研究并獲得青藏高原地表反照率，對(duì)于促進(jìn)青藏高原輻射能量收支以及地-氣相互作用研究具有重要的科學(xué)意義。

青藏高原地形復(fù)雜、氣候惡劣，衛(wèi)星遙感是獲得青藏高原高精度、高時(shí)空分辨率地表反照率的唯一有效途徑（方宗義等，1996;徐興奎和林朝暉，2002;陳愛(ài)軍等，2009，2018）。目前，已有多種衛(wèi)星遙感反演的地表反照率產(chǎn)品可以提供青藏高原的地表反照率，例如：美國(guó)MODIS （MODerate-resolution Imaging Spectroradiometer）地表反照率產(chǎn)品MCD43（Schaaf et al.，2010），我國(guó)北京師范大學(xué)制作的全球地表衛(wèi)星遙感產(chǎn)品GLASS（Global LAnd Surface Satellites）地表反照率（Liang et al.，2013;Liu et al.，2013），以及歐洲航天局發(fā)布的全球地表反照率GlobAlbedo（Lewis et al.，2012）。

地表反照率作為重要的氣候變量，全球氣候觀測(cè)系統(tǒng)GCOS （Global Climate Observing System）要求其絕對(duì)精度不低于0.05（https：//public.wmo.int/en/programmes/global-climate-observing-system）。青藏高原衛(wèi)星遙感反演地表反照率的精度一直備受關(guān)注，不少研究分析和評(píng)估了青藏高原MODIS地表反照率產(chǎn)品的精度（Wang，2004;余予等，2010;陳愛(ài)軍等，2012a），也有不少研究分析和評(píng)估了青藏高原GLASS地表反照率產(chǎn)品的精度（Liu et al.，2009;Wang et al.，2010;齊文棟等，2014;王立釗等，2014;陳愛(ài)軍等，2015）。由于觀測(cè)站點(diǎn)和資料有限，只能分析和評(píng)估有限的衛(wèi)星遙感反演結(jié)果的精度，少有研究深入分析影響衛(wèi)星遙感反演結(jié)果精度的因素。反演質(zhì)量是分析和評(píng)估大范圍衛(wèi)星遙感反演結(jié)果精度的一條重要途徑（Jin，2003;陳愛(ài)軍等，2016a，2016b）。此外，地表反照率衛(wèi)星遙感反演結(jié)果的空間分布連續(xù)性，也是氣候和陸面過(guò)程模擬與應(yīng)用研究必須考慮的一個(gè)重要因素。

MODIS地表反照率是目前唯一能夠近實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)化提供青藏高原地表反照率的衛(wèi)星遙感反演產(chǎn)品（Schaaf et al.，2010），GLASS地表反照率則是我國(guó)自主研發(fā)、時(shí)間序列最長(zhǎng)的地表反照率衛(wèi)星遙感反演產(chǎn)品（Liang et al.，2013;Liu et al.，2013），兩者對(duì)于青藏高原地表輻射能量收支和地-氣相互作用研究均有重要的應(yīng)用價(jià)值。本文應(yīng)用MODIS地表反照率和GLASS地表反照率反演質(zhì)量數(shù)據(jù)，對(duì)比分析了兩者在青藏高原大范圍的空間分布連續(xù)性和高質(zhì)量反演結(jié)果的比例，應(yīng)用青藏高原CAMP/Tibet國(guó)際合作科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)期間獲得的高精度地表反照率觀測(cè)結(jié)果評(píng)估它們的精度，通過(guò)人工目視解譯MODIS地表反射率圖像并結(jié)合MODIS積雪產(chǎn)品，分析和討論了影響衛(wèi)星遙感反演結(jié)果精度的因素。

1 研究數(shù)據(jù)

1.1 MODIS地表反照率數(shù)據(jù)

MODIS是搭載在美國(guó)地球觀測(cè)系統(tǒng)EOS（Earth Observing System）上午星Terra和下午星Aqua的一個(gè)重要的探測(cè)器（https：//modis.gsfc.nasa.gov/）。美國(guó)航空航天局NASA （National Aeronautics and Space Administration） 利用其觀測(cè)數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)了大量的大氣、陸地、海洋和冰雪產(chǎn)品，MODIS地表反照率產(chǎn)品就是其中的陸地產(chǎn)品之一。

MODIS地表反照率采用半經(jīng)驗(yàn)的線性RossThick-LiSparse-R核驅(qū)動(dòng)的二向反射分布函數(shù)BRDF（Bidirectional Reflectance Distribution Function）模型，利用經(jīng)過(guò)大氣校正后的Terra和Aqua雙星MODIS數(shù)據(jù)反演地表BRDF參數(shù)。反演時(shí)，根據(jù)反演周期內(nèi)累積的高質(zhì)量多角度晴空觀測(cè)總數(shù)（記為N），采用全反演（the full inversion）或者當(dāng)量反演（the magnitude inversion）獲得反演結(jié)果，或者直接賦予填充值（無(wú)反演結(jié)果）（Lucht et al.，2000）。這里的高質(zhì)量多角度晴空觀測(cè)，是指衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)時(shí)，衛(wèi)星-像元-太陽(yáng)之間形成的觀測(cè)幾何角度盡可能地遍及整個(gè)半球空間。如果N≥7，首先嘗試全反演;如果3≤N<7，首先嘗試當(dāng)量反演;如果N<3，直接賦予填充值。全反演失敗，則嘗試當(dāng)量反演，當(dāng)量反演失敗則直接賦予填充值（Lucht et al.，2000）。所謂的當(dāng)量反演，是用高質(zhì)量多角度晴空觀測(cè)數(shù)據(jù)修正先驗(yàn)的（a priori）BRDF參數(shù)，使它們更加符合地表的實(shí)際狀態(tài)。然后，對(duì)BRDF積分獲得地表黑空反照率BSA（Black-Sky Albedo）和白空反照率WSA（White-Sky Albedo）。

Aqua衛(wèi)星發(fā)射前，MODIS地表反照率僅由Terra MODIS數(shù)據(jù)生成，每隔16 d反演一次，產(chǎn)品編號(hào)MOD43（Schaaf et al.，2002）。之后，則由16 d期間的Terra和Aqua雙星MODIS數(shù)據(jù)每隔8 d反演一次，以便提高反演質(zhì)量和效率，產(chǎn)品編號(hào)改為MCD43（Schaaf et al.，2010）。

MODIS地表反照率產(chǎn)品MCD43以500 m、1 km和0.05°氣候網(wǎng)格等三種空間分辨率（分別編號(hào)A、B、C）提供地表BRDF模型參數(shù)、地表BRDF參數(shù)反演質(zhì)量、地表反照率和BRDF校正后的天底反射率NBAR（Nadir BRDF Adjusted Reflectance）等四種產(chǎn)品（分別編號(hào)1、2、3和4）。空間分辨率為500 m和1 km的MODIS地表反照率產(chǎn)品采用正弦投影，空間分辨率為0.05°氣候網(wǎng)格的產(chǎn)品則采用等經(jīng)緯度投影?？臻g分辨率相同的MODIS地表反照率產(chǎn)品，具有完全一致的時(shí)空關(guān)系。

MODIS陸地正弦投影網(wǎng)格（http：//landdb1.nascom.nasa.gov/developers/is_tiles/is_grid.html）編號(hào)為h24v05、h25v05、h26v05、h25v06和h26v06的5個(gè)區(qū)域正好覆蓋青藏高原。本文所用數(shù)據(jù)為這5個(gè)區(qū)域2002—2004年空間分辨率為1 km的MCD43正弦投影數(shù)據(jù)，包括MCD43B3和MCD43B2。MCD43B3主要提供MODIS 1—7通道和可見(jiàn)光（0.3～0.7 μm）、近紅外（0.7～5.0 μm）及短波（0.3～5.0 μm）等3個(gè)寬波段的地表黑空反照率BSA和白空反照率WSA（Schaaf et al.，2002）。MCD43B2主要提供地表BRDF參數(shù)反演質(zhì)量，其中：質(zhì)量標(biāo)志0、1和255分別表示地表BRDF參數(shù)為“全反演結(jié)果”、“當(dāng)量反演結(jié)果”和“填充值”（https：//lpdaac.usgs.gov/products/modis_products_table/mcd43b2）。研究還采用了部分僅由Terra MODIS數(shù)據(jù)制作的MOD43B3和MOD43B2數(shù)據(jù)。

研究數(shù)據(jù)由美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局USGS （United States Geological Survey）地球資源觀測(cè)與科學(xué)EROS （Earth Resource Observation and Science）數(shù)據(jù)中心提供，數(shù)據(jù)質(zhì)量能夠滿足科學(xué)研究的需要（https：//www.umb.edu/spectralmass/terra_aqua_modis）。

1.2 GLASS地表反照率

GLASS地表反照率是北京師范大學(xué)開(kāi)發(fā)的5個(gè)全球地表衛(wèi)星遙感產(chǎn)品之一（Liang et al.，2013;梁順林等，2014）。該產(chǎn)品首先采用AB（Angular Bin）算法生成初級(jí)產(chǎn)品（逐日的地表反照率），然后采用基于統(tǒng)計(jì)學(xué)的時(shí)域?yàn)V波STF（Statistics-based Temporal Filter）算法對(duì)初級(jí)產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理，包括數(shù)據(jù)的時(shí)間序列平滑，以及缺失數(shù)據(jù)的填補(bǔ)，獲得多天合成的終級(jí)產(chǎn)品（梁順林等，2014）。AB算法實(shí)際是一種直接反演算法：利用衛(wèi)星觀測(cè)的多波段方向性地表反射率，采用線性統(tǒng)計(jì)反演關(guān)系獲得可見(jiàn)光、近紅外和短波波段等三個(gè)寬波段的反照率（劉強(qiáng)等，2012）。具體而言，可以采用AB1算法或AB2算法，前者的多波段方向性地表反射率經(jīng)過(guò)大氣校正，后者則未經(jīng)大氣校正。

目前，對(duì)外公開(kāi)發(fā)布的GLASS地表反照率產(chǎn)品的時(shí)間范圍為1981—2013年。1981—1999年的GLASS地表反照率產(chǎn)品由AVHRR（Advanced Very High Resolution Radiometer）生成，僅采用AB1算法生成初級(jí)產(chǎn)品，終級(jí)產(chǎn)品GLASS02B05每隔8 d由33 d期間（產(chǎn)品標(biāo)記日及其前后16 d）的初級(jí)產(chǎn)品采用STF算法融合而成。GLASS02B05采用等經(jīng)緯度投影，空間分辨率為0.05°。2000—2013年的GLASS地表反照率產(chǎn)品由MODIS數(shù)據(jù)生成，每天由Terra和Aqua MODIS數(shù)據(jù)分別采用AB1算法和AB2算法獲得4種初級(jí)產(chǎn)品（GLASS02A2X，X=1，2，3，4）。然后，每隔8 d采用STF算法融合17 d期間（產(chǎn)品標(biāo)記日及其前后8 d）的4種初級(jí)產(chǎn)品，生成終級(jí)產(chǎn)品GLASS02A06。GLASS02A06采用與MCD43相同的正弦投影方式，空間分辨率為1 km（Liang et al.，2013;Liu et al.，2013;梁順林等，2014）。

本文研究所用數(shù)據(jù)為2002—2004年的GLASS02A06（第1版），數(shù)據(jù)區(qū)域與研究所用MCD43數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)。GLASS02A06主要提供短波波段（0.3～3.0 μm）的黑空反照率BSA和白空反照率WSA，同時(shí)提供反照率的總體質(zhì)量及其他數(shù)據(jù)信息（Liu et al.，2013;王立釗等，2014）。GLASS02A06采用質(zhì)量標(biāo)記0、1、2和3分別表示產(chǎn)品的總體質(zhì)量“好”、“可接受”、“較差”和“不可用”。研究所用數(shù)據(jù)由北京師范大學(xué)全球陸表特征參量產(chǎn)品免費(fèi)提供（http：//glass-product.bnu.edu.cn）。

1.3 地面觀測(cè)數(shù)據(jù)

本文所用地面觀測(cè)數(shù)據(jù)為BJ、NPAM、TGL和XDT等四個(gè)站點(diǎn)在青藏高原CAMP/Tibet國(guó)際合作科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)期間獲得的高精度地表下行和上行太陽(yáng)短波總輻射觀測(cè)資料。這四個(gè)站點(diǎn)位于MODIS陸地正弦投影網(wǎng)格編號(hào)為h25v05的區(qū)域，處于青藏高原中部（表1）。觀測(cè)站點(diǎn)所處位置都比較開(kāi)闊，周?chē)貏?shì)也比較平坦，下墊面能夠代表藏北高原大范圍的地表特征，具有較好的代表性。所有儀器在試驗(yàn)前都經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的標(biāo)定和校準(zhǔn)，試驗(yàn)期間也得到較好的維護(hù)和保養(yǎng)，因而觀測(cè)資料的質(zhì)量較好，具有較好的準(zhǔn)確性和可比性。研究所用數(shù)據(jù)由中國(guó)科學(xué)院青藏高原研究所提供，其中：BJ站和NPAM站的觀測(cè)數(shù)據(jù)為2002年資料，時(shí)間分辨率為1 h;XDT站和TGL站的觀測(cè)數(shù)據(jù)為2006年，時(shí)間分辨率為30 min。

1.4 其他數(shù)據(jù)

研究還采用了MODIS陸地正弦投影網(wǎng)格編號(hào)為h25v05區(qū)域的另外兩類(lèi)數(shù)據(jù)：一類(lèi)是空間分辨率為500 m經(jīng)過(guò)大氣校正的MODIS地表反射率產(chǎn)品，包括Terra MODIS數(shù)據(jù)生成的MOD09GA和Aqua MODIS數(shù)據(jù)生成的MYD09GA（https：//modis.gsfc.nasa.gov/data/dataprod/mod09.php）;另一類(lèi)是空間分辨率為1 km的MODIS積雪產(chǎn)品，包括Terra MODIS數(shù)據(jù)制作的MOD10A1和Aqua MODIS數(shù)據(jù)制作的MYD10A1（https：//modis.gsfc.nasa.gov/data/dataprod/mod10.php）。對(duì)于大氣校正后的MODIS地表反射率數(shù)據(jù)，研究主要利用它們提供的MODIS 1—7通道經(jīng)過(guò)大氣校正的地表反射率數(shù)據(jù)及其質(zhì)量信息。對(duì)于MODIS積雪產(chǎn)品，研究主要利用它們提供的MODIS云/雪判識(shí)結(jié)果及其質(zhì)量信息。這些數(shù)據(jù)均由美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局USGS地球資源觀測(cè)與科學(xué)EROS數(shù)據(jù)中心提供，數(shù)據(jù)質(zhì)量能夠滿足科學(xué)研究的需要。

2 研究方法

2.1 地面輻射觀測(cè)數(shù)據(jù)處理

首先，參考陳愛(ài)軍等（2015）的處理方法，以下行太陽(yáng)短波總輻射不低于600 W/m2為標(biāo)準(zhǔn)篩選出“晴空”輻射觀測(cè)資料，以上行總輻射與下行總輻射之比計(jì)算時(shí)間分辨率為1 h或30 min的“晴空”地表反照率，然后采用算術(shù)平均計(jì)算日平均地表反照率。

然后，采用與研究所用GLASS地表反照率產(chǎn)品GLASS02A06完全一致的時(shí)域窗口，應(yīng)用算術(shù)平均計(jì)算17 d平均地表反照率。由于積雪覆蓋對(duì)地表反照率的影響較大，研究參考陳愛(ài)軍等（2015）的處理方法，以日平均地表反照率0.4為標(biāo)準(zhǔn)將17 d分為“積雪日”（不低于0.4）和“無(wú)雪日”（低于0.4），根據(jù)17 d期間“積雪日”和“無(wú)雪日”的多寡，選擇對(duì)應(yīng)條件的日平均地表反照率計(jì)算17 d平均地表反照率。

2.2 衛(wèi)星遙感反演產(chǎn)品處理

無(wú)論是MODIS地表反照率，還是GLASS地表反照率產(chǎn)品，它們提供的只是黑空反照率和白空反照率（Schaaf et al.，2002;劉強(qiáng)等，2012），也就是太陽(yáng)輻射完全直射和完全漫射條件下的地表反照率，并不是真實(shí)的地表反照率。真實(shí)的地表反照率需要根據(jù)實(shí)際天空漫射光比例對(duì)兩者進(jìn)行線性加權(quán)平均（Pinty et al.，2005），即：

2.3 數(shù)據(jù)比較方法

采用“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”的比較方式對(duì)比分析地表反照率地面觀測(cè)結(jié)果與衛(wèi)星遙感反演結(jié)果之間的差異，即：將站點(diǎn)對(duì)應(yīng)像元的衛(wèi)星遙感反演結(jié)果與站點(diǎn)的地面觀測(cè)進(jìn)行比較。由于GLASS地表反照率GLASS02A06與MODIS地表反照率MCD43B3和MOD43B3的時(shí)域合成窗口存在差異，本文將時(shí)間標(biāo)記為第9天的GLASS02A06與時(shí)間標(biāo)記為第1天的MCD43B3或MOD43B3進(jìn)行比較（圖1），并依次類(lèi)推讓兩種衛(wèi)星遙感反演產(chǎn)品在時(shí)域上盡可能對(duì)應(yīng)一致，同時(shí)忽略?xún)烧邥r(shí)域合成周期相差1 d引起的差異。另外，本文忽略地面觀測(cè)結(jié)果、GLASS地表反照率短波波段、MODIS地表反照率短波波段的譜寬差異。

3 反演結(jié)果對(duì)比

3.1 反演效率

反演效率，即有效反演結(jié)果的比例，可以反映地表反照率反演結(jié)果的空間分布連續(xù)性。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明：2002—2004年青藏高原GLASS地表反照率的反演效率幾乎達(dá)到100%，最低也超過(guò)99.9%（圖2a）;MODIS地表反照率的反演效率則相對(duì)偏低，最高約98%，一般在80%以上，最低時(shí)甚至不足60%（圖2b）。

這表明GLASS地表反照率的空間分布連續(xù)性更好，更加有利于氣候和陸面過(guò)程模擬與應(yīng)用研究，而MODIS地表反照率的空間分布連續(xù)性仍有較大的改進(jìn)空間。分析其中的原因，與兩種衛(wèi)星遙感反演產(chǎn)品的算法有著密切關(guān)系。根據(jù)GLASS地表反照率算法，只要有晴空觀測(cè)數(shù)據(jù)即可由AB算法獲得日產(chǎn)品，而且終級(jí)產(chǎn)品由17 d期間的日產(chǎn)品采用STF算法融合而成，因而反演效率較高。然而，MODIS地表反照率反演算法對(duì)高質(zhì)量多角度晴空觀測(cè)總數(shù)有著較高的要求，即使當(dāng)量反演也要求至少3個(gè)，全反演則要求至少7個(gè)（Schaaf et al.，2010）。

3.2 高質(zhì)量反演結(jié)果的比例

反演質(zhì)量是評(píng)價(jià)大范圍衛(wèi)星遙感反演結(jié)果精度的一個(gè)重要指標(biāo)（Jin，2003）。地表反照率高質(zhì)量反演結(jié)果的精度更高，而低質(zhì)量反演結(jié)果的精度具有較大的不確定性（陳愛(ài)軍等，2012a，2012b，2015）。分析結(jié)果表明：2002—2004年，青藏高原MODIS地表反照率高質(zhì)量反演結(jié)果的比例一般介于40%和80%，最高約90%（2003年第281天開(kāi)始的8 d期間），最低不足1%（2002年第73天開(kāi)始的8 d期間）;GLASS地表反照率高質(zhì)量反演結(jié)果的比例大多超過(guò)80%，最高約98%（2002年第313天開(kāi)始的8 d期間），最低約56%（2002年第1天開(kāi)始的8 d期間） （圖3）。

另外，不同反演周期的GLASS地表反照率和MODIS地表反照率高質(zhì)量反演結(jié)果的比例存在較大的差異?？傮w而言，青藏高原GLASS地表反照率高質(zhì)量反演結(jié)果的比例要高于MODIS地表反照率高質(zhì)量反演結(jié)果的比例，且相對(duì)穩(wěn)定。其中的原因，主要與各反演周期的晴空觀測(cè)總數(shù)有關(guān)：即使晴空觀測(cè)總數(shù)不足，GLASS地表反照率反演算法也可以通過(guò)融合多天的反演結(jié)果最終獲得質(zhì)量較高的反演結(jié)果，而MODIS地表反照率反演算法不僅對(duì)晴空觀測(cè)總數(shù)有要求，而且只有高質(zhì)量多角度晴空觀測(cè)總數(shù)不少于7個(gè)時(shí)才有可能通過(guò)全反演獲得高質(zhì)量反演結(jié)果，必然影響其高質(zhì)量反演結(jié)果的比例。

3.3 精度分析

對(duì)比分析TGL、XDT、NPAM和BJ站的地面觀測(cè)結(jié)果MODIS地表反照率和GLASS地表反照率，絕大多數(shù)時(shí)段內(nèi)它們都有較好的一致性（圖4）。盡管某些時(shí)段存在一定的差異，但是仍然能夠保持較為一致的變化趨勢(shì)，較好地反映地表因?yàn)榻?jīng)歷降雪、融雪過(guò)程而引起的地表反照率異常變化過(guò)程，例如：在TGL站第65、73、81、89、97天開(kāi)始的時(shí)段，以及第289、297、305、313、321、329、337天開(kāi)始的時(shí)段（圖4a）。

MODIS地表反照率或GLASS地表反照率在某些時(shí)段也與地面觀測(cè)結(jié)果存在較大的差異，大致可以分為以下幾種情形：第一種是MODIS地表反照率與地面觀測(cè)結(jié)果基本一致或相差較小，而GLASS地表反照率明顯高于地面觀測(cè)結(jié)果，例如：TGL站第41天開(kāi)始的8 d期間（圖4a）和XDT站第41天開(kāi)始的8 d期間（圖4b）;第二種是GLASS地表反照率與地面觀測(cè)結(jié)果基本一致或者相差較小，而MODIS地表反照率明顯低于地面觀測(cè)結(jié)果，例如：XDT站2006年第297天開(kāi)始的8 d期間（圖4b）;第三種是MODIS地表反照率和GLASS地表反照率均顯著高于地面觀測(cè)結(jié)果，例如：NPAM站2002年第25天開(kāi)始的8 d期間（圖4c）;第四種是MODIS地表反照率和GLASS地表反照率均顯著低于地面觀測(cè)結(jié)果，例如：BJ站2002年第17、25、33、57、65天開(kāi)始的8 d期間（圖4d）。深入分析MODIS地表反照率或GLASS地表反照率與地面觀測(cè)結(jié)果存在較大差異的原因，結(jié)果表明：云覆蓋是導(dǎo)致第一種情形的主要原因。以TGL站2006年第41天開(kāi)始的8 d期間為例，第33—49天期間，人工目視解譯結(jié)果表明：TGL站及其周邊區(qū)域除8次無(wú)雪之外，其余9次均為云覆蓋。因此，導(dǎo)致GLASS地表反照率明顯高于地面觀測(cè)結(jié)果的唯一可能原因是將云覆蓋誤判為積雪，因而反演結(jié)果高達(dá)0.47。MODIS地表反照率雖然比GLASS地表反照率的輸入數(shù)據(jù)少1 d，但是通過(guò)MODIS積雪產(chǎn)品提供的云雪判識(shí)結(jié)果對(duì)輸入數(shù)據(jù)的質(zhì)量進(jìn)行了嚴(yán)格控制，只能以地表無(wú)雪狀態(tài)的觀測(cè)數(shù)據(jù)反演地表BRDF參數(shù)和反照率，反演結(jié)果與地面觀測(cè)結(jié)果非常接近。這說(shuō)明云雪判識(shí)是衛(wèi)星遙感反演地表反照率必不可少的環(huán)節(jié)，有助于提高反演結(jié)果的精度，尤其是GLASS地表反照率。

第二種情形的原因，與地表處于積雪狀態(tài)和MODIS地表反照率當(dāng)量反演結(jié)果的不確定性有關(guān)。根據(jù)MODIS積雪產(chǎn)品提供的云雪判識(shí)結(jié)果，Terra和Aqua衛(wèi)星于2006年第289—304天期間過(guò)境觀測(cè)時(shí)，XDT站5次無(wú)雪、11次積雪、1次云覆蓋。根據(jù)MODIS地表反照率反演算法，應(yīng)該采用晴空積雪狀態(tài)下的觀測(cè)數(shù)據(jù)反演。理想情況下，完全可能通過(guò)全反演獲得反演結(jié)果，然而實(shí)際反演結(jié)果不僅是當(dāng)量反演結(jié)果，而且低至0.23（圖4b），與地面觀測(cè)結(jié)果的絕對(duì)偏差高達(dá)0.36。這既說(shuō)明MODIS地表反照率反演算法在積雪狀態(tài)下存在一定的局限性，也說(shuō)明MODIS地表反照率當(dāng)量反演結(jié)果存在較大的不確定性。相反，GLASS地表反照率反演結(jié)果為0.56，與地面觀測(cè)結(jié)果的絕對(duì)偏差只有0.03，顯示出該反演算法的優(yōu)勢(shì)，尤其地表處于積雪狀態(tài)。

對(duì)于第三種情形，較為合理的解釋是地面觀測(cè)站點(diǎn)無(wú)雪，而站點(diǎn)對(duì)應(yīng)的像元存在積雪。根據(jù)MODIS積雪產(chǎn)品提供的云雪判識(shí)結(jié)果，2002年第17—33天期間NPAM站有9次積雪、3次無(wú)雪狀態(tài)，另有5次云覆蓋狀態(tài)。人工目視解譯結(jié)果也顯示該站有10次積雪、3次無(wú)雪狀態(tài)，其余4次云覆蓋狀態(tài)。在此期間，GLASS地表反照率和MODIS地表反照率分別高達(dá)0.54和0.73（圖4c），都是較為合理的結(jié)果。然而，這17天期間的地表反照率地面觀測(cè)結(jié)果表明該站并無(wú)積雪，只有第21天的地表反照率略高，為0.34，其余大多約0.22。因此，只有NAPM站對(duì)應(yīng)的像元因?yàn)榉e雪覆蓋引起衛(wèi)星觀測(cè)的地表反射率偏高，導(dǎo)致地表反照率反演結(jié)果偏高。比較而言，這期間GLASS地表反照率應(yīng)該比MODIS當(dāng)量反演結(jié)果的可靠性更高。另外，這期間MODIS地表反照率仍然為當(dāng)量反演結(jié)果，也再次說(shuō)明MODIS地表反照率反演算法在積雪狀態(tài)下的局限性，以及當(dāng)量反演結(jié)果的不確定性。

第四種情形則與站點(diǎn)對(duì)應(yīng)像元存在局地積雪有著密切關(guān)系。以BJ站2002年第57天開(kāi)始的8 d期間為例，人工目視解譯結(jié)果表明：2002年第49—66天期間，BJ站及周邊區(qū)域出現(xiàn)6次積雪，而且BJ站多次處于薄雪區(qū)或積雪邊緣區(qū)，另有7次云覆蓋和4次無(wú)雪。BJ站地面觀測(cè)的日平均地表反照率普遍較高，最高約0.80，最低也有0.41，只有2 d的日平均地表反照率約為0.30。顯然，BJ站出現(xiàn)了積雪和消融過(guò)程，因而17 d平均的地表反照率超過(guò)0.60（圖4d）。然而，由于站點(diǎn)對(duì)應(yīng)的像元經(jīng)常處于薄雪或積雪邊緣區(qū)，積雪覆蓋比例較小，對(duì)衛(wèi)星觀測(cè)的地表反射率的影響較小，導(dǎo)致地表反照率衛(wèi)星遙感反演結(jié)果偏低。其他幾個(gè)類(lèi)似的情形，也與2002年第57天開(kāi)始的8 d期間的情況基本類(lèi)似。

導(dǎo)致第三、四種情形的實(shí)質(zhì)都是局地積雪的影響，根本原因在于衛(wèi)星遙感反演結(jié)果與地面觀測(cè)結(jié)果比較時(shí)存在“點(diǎn)”對(duì)“面”的差異。采用對(duì)應(yīng)時(shí)次的高空間分辨率、高精度衛(wèi)星遙感反演結(jié)果，無(wú)疑是消除這種差異、實(shí)現(xiàn)“面”對(duì)“面”比較的一條有效途徑。然而，目前仍然是定量評(píng)估衛(wèi)星遙感反演結(jié)果精度的難點(diǎn)之一。

綜合TGL、XDT、NPAM和BJ等4個(gè)站點(diǎn)的地面觀測(cè)結(jié)果，統(tǒng)計(jì)分析它們與衛(wèi)星遙感反演結(jié)果的均方根誤差，結(jié)果表明：MODIS地表反照率和GLASS地表反照率與地面觀測(cè)結(jié)果的均方根誤差分別高達(dá)0.086 1和0.077 1;即使只考慮高質(zhì)量反演結(jié)果，也仍然高達(dá)0.078 7和0.077 5。盡管MODIS地表反照率的均方根誤差略小，仍然無(wú)法達(dá)到全球氣候觀測(cè)系統(tǒng)GCOS對(duì)地表反照率的絕對(duì)精度不低于0.05的要求。不過(guò)，結(jié)合人工分析剔除錯(cuò)誤的反演結(jié)果，MODIS地表反照率和GLASS地表反照率的均方根誤差均減小至0.05以?xún)?nèi)，分別為0.028 0和0.032 9;如果只考慮高質(zhì)量反演結(jié)果，則進(jìn)一步減小至0.020 6和0.033 0。

4 結(jié)論

本文采用MODIS和GLASS地表反照率反演質(zhì)量數(shù)據(jù)，分析了兩種衛(wèi)星遙感反演結(jié)果在青藏高原大范圍的空間分布連續(xù)性和高質(zhì)量反演結(jié)果的比例，應(yīng)用青藏高原CAMP/Tibet 試驗(yàn)期間BJ、NPAM、TGL和XDT等4個(gè)站點(diǎn)的高精度地面觀測(cè)結(jié)果評(píng)估了兩種遙感反演結(jié)果的精度，通過(guò)人工目視解譯MODIS地表反射率圖像并結(jié)合MODIS積雪產(chǎn)品提供的云雪判識(shí)結(jié)果，分析和討論了影響衛(wèi)星遙感反演結(jié)果精度的因素，結(jié)論如下：

1）GLASS地表反照率和MODIS地表反照率的反演效率和高質(zhì)量反演結(jié)果的比例在不同的反演周期存在較大的差異：GLASS地表反照率的反演效率超過(guò)99.9%，高質(zhì)量反演結(jié)果的比例大多超過(guò)80%，最高約98%;MODIS地表反照率的反演效率一般超過(guò)80%，但最低不足60%，高質(zhì)量反演結(jié)果的比例一般介于40%和80%，最低不足1%。相對(duì)而言，GLASS地表反照率具有比MODIS地表反照率更好的空間分布連續(xù)性和更高的反演質(zhì)量。

2）MODIS地表反照率和GLASS地表反照率在絕大多數(shù)時(shí)段內(nèi)都能與地面觀測(cè)結(jié)果保持較好的一致性，能夠準(zhǔn)確地反映地表積雪及消融過(guò)程引起地表反照率的異常變化過(guò)程，但是部分時(shí)段也與地面觀測(cè)結(jié)果存在較大的差異。

3）局地積雪是導(dǎo)致地表反照率衛(wèi)星遙感反演結(jié)果與地面觀測(cè)結(jié)果產(chǎn)生差異的重要原因，云雪判識(shí)有助于提高GLASS地表反照率的反演精度。GLASS地表反照率反演算法在積雪條件下比MODIS地表反照率反演算法更具優(yōu)勢(shì)，反演結(jié)果的精度更高。

4）青藏高原地表反照率衛(wèi)星遙感反演結(jié)果的精度存在不確定性：即使MODIS地表反照率和GLASS地表反照率高質(zhì)量反演結(jié)果，如果未經(jīng)人工分析，與地面觀測(cè)結(jié)果的均方根誤差高達(dá)0.078 7和0.077 5;經(jīng)過(guò)人工分析并剔除錯(cuò)誤的反演結(jié)果后，與地面觀測(cè)結(jié)果的均方根誤差可以減小至0.028 0和0.032 9，能夠滿足全球氣候觀測(cè)系統(tǒng)GCOS要求地表反照率的絕對(duì)精度不低于0.05的要求。

本文研究結(jié)果有助于進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)MODIS地表反照率和GLASS地表反照率反演算法，提高青藏高原地表反照率衛(wèi)星遙感反演結(jié)果的精度、反演質(zhì)量和空間分布連續(xù)性，促進(jìn)地表反照率衛(wèi)星遙感反演產(chǎn)品在青藏高原輻射能量收支和地-氣相互作用研究中的應(yīng)用。

致謝：衷心感謝中國(guó)科學(xué)院青藏高原研究所提供的地面觀測(cè)數(shù)據(jù)。

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In this paper，the spatial distribution continuity and ratio of the high-quality retrievals over the Tibetan Plateau of two land surface albedo products，namely MODIS（MODerate resolution Imaging Spectroradiometer）land surface albedo and GLASS （Global LAnd Surface Satellite Products System）land surface albedo，were comparatively analyzed.Next，the accuracies of these two products were evaluated using the high-precision ground observation data obtained during the CAMP/Tibet experiments.Furthermore，the factors affecting the accuracies of these two products were analyzed through artificial visual interpretation combined with the MODIS snow product.The results of the study are as follows：1）The product of the GLASS land surface albedo is superior to that of the MODIS land surface albedo in terms of both spatial distribution continuity and the ratio of the high-quality retrievals.2）These two products both have high consistency with land surface albedo ground measurements during most of the retrieval periods，and rather accurately reflect the abnormal changing processes of land surface albedo.3）The patchy snow is an important factor affecting the accuracies of these two products when performing comparison with the ground measurements.4）The inversion algorithm of the GLASS land surface albedo has a great advantage over that of the MODIS land surface albedo under snow conditions.The above results are conducive to the users to acquiring better knowledge of these two products.In addition，the results also contribute to the improvements of the algorithm of satellite remote sensing land surface albedo over the Tibetan Plateau，so as to assist in obtaining retrievals with better precision，quality and spatial distribution continuity.

the land surface albedo;accuracy analysis;the Tibetan Plateau;MODIS（MODerate resolution Imaging Spectroradiometer）;GLASS （Global LAnd Surface Satellite Products System）

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20171030001

（責(zé)任編輯：劉菲）