第一作者简介: 刘 艳(1978-),女,副研究员,主要从事遥感在积雪、植被变化监测等方面的研究。
以古尔班通古特沙漠为研究区,以中分辨率成像光谱仪(MODIS)为遥感数据源,结合ASD FieldSpec准同步实测积雪反射光谱数据对FLAASH大气校正能力进行了评价。研究表明: ①校正后的MODIS各波段积雪反射率与准同步实测积雪反射率波形相似, 在第1~7波段整体相关系数达0.82,表明FLAASH大气校正能极大地提高MODIS地物识别能力; ②校正后的MODIS 第6波段反射率和归一化差值积雪指数(NDSI)与实测雪密度呈线性相关,可用回归拟合构建MODIS雪密度遥感计算模式。
With Gurbantunggut desert as the study area and by using moderate resolution imaging spectrometer (MODIS) 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: ① Snow reflectance from 1st to 7th band of MODIS is similar to the simultaneously measured snow reflectivity,and the correlation coefficient of all bands is 0.82 on the whole, indicating that FLAASH can greatly enhance the capability for identifing surface features of M0DIS . ② On the basis of linear relationship between snow reflectance after correction at MODIS channel 6 and NDSI and measured snow density, a snow density remote computation model can be built by way of regression and fitting.
目前, 获取积雪密度的方法主要有: ①直接应用气象站积雪密度观测记录插值计算平均积雪密度[1, 2]; ②利用雪密度函数计算积雪密度; ③利用星载扫描式多通道微波辐射仪 (SMMR)和特别微波辐射/成像计(SMM/I)等遥感数据获取积雪密度[3, 4, 5, 6]。微波传感器虽可全天候获取雪层信息并穿透积雪层获取地表信息, 但空间分辨率较低, 难以准确地从空间上获取积雪密度。目前, 利用可见光-短波红外甚高分辨率辐射计(AVHRR)和多时相中等分辨率成像光谱仪(MODIS)能在晴空条件下比较准确地获取较高分辨率的积雪覆盖信息[7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15], 但对利用光学遥感数据定量获取雪密度和雪水当量的研究甚少。找寻适宜的大气校正模型对光学遥感数据进行精确的大气校正, 乃是积雪密度参数光学遥感反演的一个关键步骤和前提条件。
本文以古尔班通古特沙漠地区多时相MODIS为例, 采用FLAASH(Fast Line-of-sight Atmospheric Analysis of Spectral Hypercubes)大气校正模型进行大气校正; 结合该地区ASD FieldSpec准同步实测积雪反射光谱数据, 对MODIS 1B FLAASH大气校正效果进行评价, 分析校正后的MODIS各波段积雪反射率与实测雪密度的相关性, 寻找对雪密度具有良好响应的波段及波段反射比, 为雪密度光学遥感定量研究奠定基础。
古尔班通古特沙漠地处新疆北部, 位于准噶尔盆地中央, 地理范围为44° 11'~46° 20'N、84° 31'~90° 00'E, 是我国最大的固定、半固定沙漠。区内年降雨量为100~150 mm, 冬春有降雪, 积雪深度可达10~35 cm, 积雪时间可达4个月。冬季积雪和冻土对沙漠地表形成有利的保护层, 植被覆盖和生物结皮使得沙面整体处于稳定的状态。
本实验在沙漠边缘建立了积雪参数野外采集试验场并布设数据采集样方。试验场地势较平坦, 积雪覆盖率达90%以上, 积雪平均深度达6 cm。样方大小为360 m× 360 m, 被分割为90 m× 90 m大小的16个样方, 用于与MODIS同步观测。
遥感数据来自2008年12月6、8和20日获取的MODIS 1B数据, 覆盖了古尔班通古特沙漠地区, 已经过辐射校正和几何纠正等预处理。
2008年12月6、8和20日在野外采集场样方内(图1)进行了积雪表面反射光谱、雪密度和雪深准同步观测, 观测时间为MODIS卫星过顶前后5 min内。其中, 使用FieldSpec Pro FR(Full Range)ASD光谱仪(350~2 500 nm)完成了雪表面反射光谱采集; 雪密度用Snow Fork雪密度分析仪采集(将距地表2 cm处的雪密度定义为表层雪密度)。
归一化反射率可部分消除积雪表面光滑度和反射光谱随时间和空间变化的干扰。天气与周围环境的细微变化、光谱仪位置移动和太阳角变化等都会影响积雪反射光谱测量。为了对不同样点采集的积雪反射光谱进行对比分析, 对所测反射光谱进行归一化处理, 即以积雪在0.3~2.5 μ m范围内的平均反射率为归一化点, 利用ENVI软件Spectral Math计算归一化积雪反射率, 即
S=(S1-
式中, S为归一化积雪反射率; S1 为实测积雪反射率;
FLAASH大气校正基于传感器处单个像元接受到的太阳波谱范围内(不包括热辐射)标准平面朗伯体(或近似平面朗伯体)反射光谱辐射亮度[15]。光谱辐射亮度计算公式为
L* =Aρ /(1-ρ eS)+Bρ e/(1-ρ eS)+
式中, L* 为传感器接收到的单个像元辐射亮度; ρ 为该像元地表反射率; ρ e为该像元和其周边像元的混合平均地表反射率; S为大气球面反照率;
FLAASH利用暗目标法反演气溶胶光学厚度, 利用MODTRAN 4模拟大气吸收并形成一个查找表, 然后利用查找表逐像元地进行水蒸气含量估算。ρ 和ρ e的区别主要来自与大气散射引起的“ 邻近像元效应” , 若ρ =ρ e, 则校正过程会忽略邻域效应, 但在有薄雾或地表存在强烈对比的条件下会使短波波段范围内的大气校正出现明显误差。FLAASH利用大气点扩散函数对邻域效应进行纠正。ρ e的估算公式为
Le≈ ρ e(A+B)/(1-ρ eS)+
式中, Le 为某像素和周边像元的空间平均值, 可以通过原始影像计算得到。
当取得所有参数后, 利用式(2)、(3)即可逐像元地求出整幅图像的真实地表反射率。用于本实验的大气校正实验数据的输入参数见表1[16]。大气模式和气溶胶类型因缺乏实测数据而选择标准模式; 能见度参数选择沙漠地区天气较好情况下的能见度[16]。
![]() | 表1 FLAASH大气校正输入参数 Tab.1 Input parameters of FLAASH atmospheric correction |
对比大气校正前后的MODIS 6、2、3波段假彩色合成图像(图2)可以看出, 大气校正前图像整体偏暗, 对比度不高(图2(a)); 大气校正后图像对比度明显提高, 地物显得更加清晰可辨(图2(b))。大气校正前后图像视觉效果和反射辐射亮度发生了明显的变化, 校正后的图像更加清楚、色彩明亮, 说明FLAASH 校正有效地去除了大气气溶胶的影响。
在MODIS图像上选取积雪像元, 对MODIS第1~7波段计算反射率、FLAASH大气校正反射率和实测积雪重采样反射率进行了比较(图3)。
实测反射率数据用ASD光谱测量仪测得, 光谱分辨率在350~1 000 nm谱段为3 nm, 在1 000~2 500 nm 谱段为10 nm; 采样间隔在350~1 000 nm谱段为1.4 nm, 在1 000~2 500 nm谱段为2 nm; 数据间隔为1 nm。本实验利用ENVI软件光谱重采样模块对ASD所测数据进行重采样, 得到MODIS图像第1~7波段反射率数据。校正后图像的积雪反射率与实测反射率波形相似, 在第1~7波段范围整体相关系数达0.82; 校正后图像的高反射波段较实测反射率低, 吸收波段与实测光谱接近。
MODIS全球积雪面积产品包括多种类型, 并针对不同下垫面提供了一系列不同的算法, 但基本方法是归一化差值积雪指数(NDSI)法, 其计算公式为
NDSI=(B4-B6)/(B4+B6)(4)
式中, B4和B6分别为MODIS近红外波段和红波段像元的反射率值。
为进一步评价和验证FLAASH大气校正效果, 本试验对校正前后的NDSI进行了比较。按式(4)分别计算实测积雪光谱数据、MODIS图像DN值、MODIS计算反射率和MODIS校正反射率及其NDSI值, 并提取上述各参数在试验场观测点的3像元× 3像元范围的亮度平均值(表2)。
![]() | 表2 积雪在MODIS 第4和6波段的DN值/计算反射率/校正反射率/NDSI Tab.2 Snow DN values and reflectance before and after correction at the B4 and B6 of MODIS image and NDSI values computed from these images |
经分析认为: ①理论上, DN值未经过任何校正, 只是进入传感器中的辐射能的一种数字转换形式, 不能从本质上地反映地物的辐射特性(实际上, 用DN值计算的NDSI明显低于用实测数据计算的NDSI); ②大气顶层MODIS计算反射率虽然经过了辐射定标校正, 但它是地面反射率和大气反射率的总和, 仍不能真实地反映地物的辐射特性(因而用MODIS计算反射率计算的NDSI明显低于用实测数据计算的NDSI); ③用校正后的地表反射率计算的NDSI与实测数据计算的NDSI比较接近(相关系数达0.6), 这表明经大气校正后的图像能基本消除大气的影响, 能比较真实地反映地物的辐射特性。校正前后NDSI变化趋势基本上相同(图4), NDSI峰值和谷值的出现位置整体上十分吻合, 说明大气校正前后图像总体特征相同。
图像均值代表图像的整体亮度水平; 标准差反映图像中灰度值的离散程度, 标准差越大, 灰度级分布越分散, 图像目视效果越好, 图像所含信息量也越丰富。统计校正前、后的NDSI数据, 得到校正前NDSI平均值和标准差分别为0.283和0.236、校正后NDSI平均值和标准差分别为0.311和0.241, 这说明经大气校正后NDSI的信息量更丰富。同时, 大气校正后计算的NDSI值更接近于用地面同步实测积雪光谱数据计算的NDSI值。因此, FLAASH大气校正在一定程度上有效地降低了大气对遥感图像的影响, 获得了地表真实反射率, 达到了降低大气影响、增强图像信息的目的。
以2008年12月6日和20日在试验场样方内同步采集的23组数据(反射率和雪密度)为例, 进行实测积雪密度与MODIS图像校正前后波段反射率相关分析。首先, 计算MODIS数据在可见光和近红外波段的中心波长, 提取对应各中心波长处的ASD实测归一化积雪反射率, 得到基于MODIS图像波段的归一化ASD反射率数据; 其次, 在ERDAS软件的定位器中输入实测雪密度时记录的地理坐标, ERDAS自动在经过几何纠正的MODIS影像上进行定位。为了减小GPS记录实测点地理坐标存在的误差和图像几何纠正时存在的误差, 本实验在图像匹配点周围选取3像元× 3像元的窗口, 以所选像元的平均值作为最终像元值; 最后, 进行雪密度和ASD反射率、真实反射率和计算反射率相关分析, 分别就单波段和波段组合模式进行了分析(表3)。
![]() | 表3 不同积雪反射率与同步实测雪密度的相关系数 Tab.3 Correlation coefficients between different snow reflectance and density |
结果表明, FLAASH大气校正后近红外波段(B6、B7)反射率和NDSI与实测雪密度间相关系数得到显著提高。雪密度与B6和B7具有很高的相关性, B7常被用来识别陆地和云, B6被用来区别云雪差异。因此, 本试验以校正后的MODIS 第6波段和NDSI与实测雪密度数据进行回归拟合, 得到两种回归模式(表4)。
![]() | 表4 雪密度的遥感回归模式及相关分析 Tab.4 Remote sensing arithmetic model of snow density and regression analysis |
同时, 选取试验区8个样本点的实测值对雪密度的遥感回归模式进行了验证(表5)。
![]() | 表5 雪密度验证结果 Tab.5 Results of accuracy evaluation of snow density |
(1)FLAASH校正前后MODIS影像的视觉效果和反射辐射亮度发生了明显变化, 校正后的图像更加清楚。大气校正大大恢复了积雪光谱反射特征。校正后的MODIS图像积雪波段反射率与ASD实测反射率波形相似, 高反射波段较实测反射率低, 吸收波段与实测光谱接近。
(2)FLAASH校正后的MODIS NDSI更加接近根据ASD实测积雪光谱数据计算的NDSI。校正后MODIS的第6波段和NDSI同SnowFork实测雪密度间具有很好的线性相关性, 适合用于雪密度的光学遥感反演; 对回归拟合建立的MODIS雪密度计算模式进行的精度评价, 验证了利用积雪反射率反演雪密度的可行性。经FLAASH大气校正的MODIS数据能为雪密度的光学定量遥感反演提供良好的数据源。
The authors have declared that no competing interests exist.
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