【摘要】：北方森林是地球上最大的陸地生態(tài)系統(tǒng),每年積雪覆蓋持續(xù)6到9個月。森林積雪在全球水循環(huán)、地表輻射能量收支和氣候變化中起著至關重要的作用,同時也是全球超過10億人口賴以生存、寶貴的水資源來源。以地表對電磁波各向異性反射理論為基礎的多角度遙感技術在全球森林遙感中發(fā)揮著日益重要的作用,建立了一系列適用于森林地區(qū)的二向反射模型,這些模型在植被生長季被廣泛應用和檢驗。然而,在植被休眠季,森林植被物候變化和積雪的出現(xiàn)使森林生態(tài)系統(tǒng)的反射特性迥異于生長季。對現(xiàn)有遙感二向反射模型和數(shù)據(jù)產(chǎn)品在植被休眠季、特別是積雪林區(qū)的真實性檢驗,以及針對此季節(jié)森林各向異性反射特征的研究和建模等工作還需要加強和改善。目前業(yè)務運行的基于中分辨率成像光譜儀(MODIS)數(shù)據(jù)用于反演地表二向反射分布函數(shù)(BRDF)/反照率的地表二向反射模型沒有直接考慮北方林區(qū)冬季積雪的影響。這使冬季北方林區(qū)的BRDF產(chǎn)品存在較大的不確定性,同時有效反演結果數(shù)量與生長季相比大幅減小。圍繞這些科學問題和應用問題,論文以MODIS BRDF產(chǎn)品為研究對象、多角度成像光譜儀(MISR)地表二向反射率因子(BRF)產(chǎn)品為參考對比數(shù)據(jù),評估了物候變化和積雪對MODIS BRDF產(chǎn)品的地表各向異性反射特性表征能力和精度的影響,研究了積雪林區(qū)MODIS BRDF模型的及反演策略的改進方法。多角度遙感數(shù)據(jù)的預處理是進行BRDF模型產(chǎn)品精度評估和改進的基礎。具體到本論文的研究目標,MODIS BRDF模型產(chǎn)品(MCD43A1)為精度評估及改進對象,MISR地表BRF產(chǎn)品(MILS_BRF)為評估參考基準數(shù)據(jù),即假設MILS_BRF代表地表真實BRF值。MCD43A1和MILS_BRF投影方式為兩種不相同且不常用的投影方式,兩者標稱分辨率也不相同。為了合理利用MILS_BRF對MCD43A1的精度進行評價,并且改善MCD43A1數(shù)據(jù)投影耗時多效率低的問題,需要對這兩種數(shù)據(jù)進行預處理。預處理工作包括MILS_BRF與MCD43A1數(shù)據(jù)的空間精確配準和MCD43A1快速投影變換。針對現(xiàn)有軟件在處理MILS_BRF與MCD43A1數(shù)據(jù)空間配準問題上的不足,本文提出了一種基于自定義投影格點的多角度多源遙感數(shù)據(jù)空間位置精確配準的方法。所提方法輸入?yún)?shù)為目標投影格點,在多源遙感數(shù)據(jù)投影變換前,預定義數(shù)學意義上嚴格相互匹配的投影格點,從而實現(xiàn)了遙感數(shù)據(jù)空間位置的精確配準。同時,所提方法對每種遙感數(shù)據(jù)只進行1次重采樣,避免反復重采樣可能造成的信息損失。對于其它類似多角度遙感數(shù)據(jù)的空間位置精確配準,本文方法的基本思路和目標同樣有效。另外,現(xiàn)有軟件雖能實現(xiàn)MCD43A1投影變換,但并未針對此數(shù)據(jù)及正弦投影的自身特點進行優(yōu)化,因此,本文開發(fā)了一種MCD43A1快速投影變換方法。本方法基于面向矩陣的編程語言、采用圖像矩陣像元1維索引、有效像元點過濾、對應像元一次性整體賦值以及預存同名像元1維索引的方式來加快MODIS正弦投影格式產(chǎn)品的投影變換過程。研究人員已對RossThick-LiSparseR(RTLSR)模型和MODIS BRDF產(chǎn)品進行了大量驗證和精度分析工作,RTLSR模型具有廣泛的適應性,MODIS BRDF產(chǎn)品在很長的時間內(nèi)具有很好的一致性,產(chǎn)品的精度滿足許多應用和研究的要求。然而這些驗證和精度分析工作大多集中在植被生長季節(jié)。相比之下,植被休眠季和積雪覆蓋季節(jié)的驗證工作還需要更多的關注。以MILS_BRF為參考對比數(shù)據(jù),本文評估了 MODIS BRDF產(chǎn)品最新版本MCD43A1 C6在的不同觀測幾何上的性能,并初步分析了物候變化和降雪事件對產(chǎn)品精度的影響。MILS_BRF觀測幾何和數(shù)據(jù)覆蓋的時空特征會對這種評估工作的結論產(chǎn)生重要影響。本文分析了 2011年～2015年研究區(qū)的MILS_BRF產(chǎn)品覆蓋和觀測幾何的時空分布特征。分析結果給出了關于研究區(qū)的MILS_BRF時空特征和觀測幾何局限性的明確和綜合的信息。結果和分析表明,當使用MILS_BRF評估BRDF模型的準確性時,有必要考慮其產(chǎn)品覆蓋和觀測幾何的時空特征。首先,需要考慮MILS_BRF覆蓋率/覆蓋位置的年內(nèi)變化,以避免由于不同月份或地表類型的數(shù)據(jù)可用性的差異而導致的誤導性解釋。此外,分析BRDF模型在不同方位角或不同觀測天頂角的性能時,必須考慮MILS_BRF觀測幾何的年內(nèi)變化特征,以排除MILS_BRF觀測幾何的年內(nèi)變化模式的干擾,并辨識出BRDF模型本身的性能特征。此外,研究區(qū)冬季連續(xù)4個月份,主要由農(nóng)田和農(nóng)田/自然植被混合地表組成的大面積產(chǎn)品空缺區(qū)的發(fā)現(xiàn)為改進MILS_BRF反演算法提供了一個潛在的方向。以MILS_BRF為參考對比數(shù)據(jù),本文對MODIS BRDF產(chǎn)品精度的分析結果表明,MCD43A1C6產(chǎn)品整體性能優(yōu)異,能較好地表征地表各向異性反射特性,對于所有可用對比樣本,對地表BRF預測的均方根誤差(RMSE)為0.0262,相關系數(shù)(R)為0.9537。但模型精度在不同月份差異明顯,與研究區(qū)的物候變化有關。MCD43A1 C6產(chǎn)品標記為“雪”的像元的BRDF模型精度明顯較低(RMSE/R= 0.0903/0.8401)。本文定義短暫積雪事件為在標稱比較日期,MODIS雪覆蓋(MOD10A1和MYD10A1)合成產(chǎn)品雪覆蓋比例不小于30%,但MCD43A1模型參數(shù)未作為雪像元反演的情形。短暫降雪事件進一步降低了模型精度(RMSE/R = 0.1001/0.7715)。還需要特別注意,短暫降雪像元在MCD43A1C6產(chǎn)品中被標記為“最佳質量、完全反演”和“無雪”,這與MODIS雪覆蓋產(chǎn)品數(shù)據(jù)相矛盾或不一致。這些結果為MODIS BRDF產(chǎn)品用戶提供了有意義的信息,對其研究區(qū)受到物候和積雪變化影響的用戶尤其重要。當前業(yè)務運行的MODIS半經(jīng)驗核驅動RTLSR二向反射模型并沒有包含描述積雪這種高反射率和具有明顯前向散射特征的反射核。MODIS BRDF產(chǎn)品精度分析表明積雪林區(qū)的產(chǎn)品精度明顯低于林區(qū)生長季。同時植被休眠季和積雪季節(jié)這一區(qū)域MODIS BRDF產(chǎn)品全反演數(shù)據(jù)量明顯少于生長季。因此,本文研究了考慮積雪反射特征、改進積雪林區(qū)BRDF模型及其反演策略的方法。選取了積雪反射核的實現(xiàn)形式,添加到RTLSR模型中,擴展其核的種類。增加積雪反射核后理論上將提高模型在積雪林區(qū)的精度,但在相同輸入數(shù)據(jù)下,可能會減少全反演數(shù)據(jù)量。本文假設林木結構和積雪背景的組合變化是北方林區(qū)BRDF的主要影響因素,而1～2年的樹木生長量對林木結構影響不大�；诖思僭O在原輸入數(shù)據(jù)的基礎上試驗了添加歷史同期數(shù)據(jù)。研究了加入積雪反射核后,9種不同核組合方式及基于同期不同歷史年份數(shù)據(jù)情景下,模型反演精度及有效反演像元數(shù)量之間的差異。研究區(qū)2011-2015年數(shù)據(jù)表明,4核2年模型和數(shù)據(jù)組合反演策略在深冬季節(jié)(12月和1月)性能最佳(平均均方根誤差/相關系數(shù)為RMSE/R =0.0279/0.9403),優(yōu)于現(xiàn)有業(yè)務模型精度(平均RMSE/R = 0.0319/0.9142);同時,全反演像元數(shù)量增加為現(xiàn)有業(yè)務模型的2倍以上。
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：S771.8
【圖文】：

地球陸地約３３％的面積被森林覆蓋Ｗ。其中，位于北半球、具有明顯季節(jié)變逡逑化特征及季節(jié)性積雪現(xiàn)象的森林面積約為２．１邋ｘｌ0７邋ｋｍ２，超過全球森林總面積的逡逑４３％［２＾邋（圖１．１）。北方森林提供著重要的生態(tài)系統(tǒng)服務，包括生物多樣性、全逡逑球氣候調(diào)節(jié)、碳儲存和水資源的儲存與供給等［３］。據(jù)估計，北方森林存儲了約７１４逡逑Ｐｇ碳，占全球陸地生物圈碳儲總量的３７％以上［５，６］。如果不能保護森林生物多樣逡逑性、減少毀林和森林退化造成的碳排放中、防止北方森林轉換為溫室氣體的凈來逡逑源，可能會嚴重加劇全球氣候變化［７，８］。北半球季節(jié)性積雪對地球表面和大氣系逡逑統(tǒng)的之間交互影響非常大，同時也是區(qū)域和全球范圍內(nèi)敏感的氣候變化指標逡逑北方森林積雪在冬季作為一個高容量的冰凍蓄水庫，保存大氣降水直到融雪徑流逡逑開始，具有潛在的洪水風險，但也構成了一個寶貴的能源和供水來源［１（Ｍ３］。逡逑地表積雪、地表各向異性反射特性及反照率是兩組重要

了核組合與歷史同期數(shù)據(jù)配合反演的策略，以解決核的增加后全反演像元減少的逡逑問題。逡逑根據(jù)研宄內(nèi)容，本文的技術路線如圖１．２所示。逡逑／邋ＭＯＤＩＳ邋７邐／￣ＭＩＳＲ邐７逡逑／科學數(shù)據(jù)／邐／科學數(shù)據(jù)／■］逡逑／邐（正弦投影）／邐／邋（ＳＯＭ）邋／逡逑ｆ—１邐｜時空特征逡逑正弦投影邐分析逡逑快速變換邐＿ｚｌｌ＿逡逑Ｖ＾ｍｏｄｉｓ／ｍｉｓｒＶ邋廣邐＊邐Ｉ逡逑４精}0準逡逑多角度遙感邐＾邐ｒ——＾逡逑數(shù)據(jù)預處理邐邐逡逑邐邐邋邋邋ｉ邐逡逑（Ｍ０ＤＩＳ邋ＢＲＤＦ＾邐邋．邋ＭＯＤＩＳ邋ＢＲＤＦ邋．逡逑模ｊ邋、業(yè)務模型Ｊ￣￣＾模型精度評估Ｉ逡逑邐邋邋邋１邐Ｉ逡逑雪林區(qū)ＢＲＤＩ＾邐｜逡逑積雪林區(qū)ＢＲＤＦ模型＾改進模型７邋—逡逑及反演策略改進邋NB邐ｙ逡逑圖１．２積雪林區(qū)ＭＯＤＩＳ二向反射模型產(chǎn)品精度評估與改進技術路線逡逑１．３．２論文結構逡逑基于研宄內(nèi)容，論文結構組織如下：逡逑第１章基于選題依據(jù)與意義，通過文獻回顧評述了陸地表面和積雪林區(qū)各向逡逑異性反射模型、多角度遙感數(shù)據(jù)預處理、ＭＯＤＩＳ邋ＢＲＤＦ產(chǎn)品精度評估以及各向逡逑異性反射模型反演方法的研究現(xiàn)狀和趨勢。逡逑第２章介紹地表各向異性反射特性的定量描述方式。逡逑第３章從多角度遙感觀測和遙感ＢＲＤＦ模型系數(shù)產(chǎn)品生產(chǎn)及地表ＢＲＦ反演逡逑的角度，介紹了邋ＭＯＤＩＳ傳感器和ＭＩＳＲ傳感器的成像幾何特征、波譜特征，以逡逑及ＭＯＤＩＳ邋ＢＲＤＦ產(chǎn)品和ＭＩＳＲ地表ＢＲＦ產(chǎn)品。逡逑１２逡逑

二向反射分布函數(shù)出發(fā)，介紹了反射率與反射率因子，以性的各種表征方式以及它們之間的聯(lián)系與區(qū)別。逡逑反射分布函數(shù)逡逑大部分表面對電磁波的反射能力本質上是各向異性的，既關，也與觀測方向（出射方向）有關。這種各向異性反射反射、漫反射或兩者的線性疊加來準確表征。為了準確完向異性反射特性，美國國家標準局Ｎｉｃｏｄｅｍｕｓ等（１９７７布函數(shù)（Ｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ邋Ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ邋Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ邋Ｆｕｎｃｔｉｏｎ，邋ＢＲ：逡逑ｄＥ人入）逡逑ｌ逡逑

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本文編號：2775663