祁連山區域地表反照率遙感估算

田成明

摘 要：衛星遙感在研究地表反照率時有其獨到的優勢，本研究利用Landsat-5遙感影像，結合除熱紅外波段以外的6個波段進行祁連山區地表反照率的估算，其估算結果與前人的結果基本一致，可以滿足研究區域對地表反照率的要求。

關鍵詞：祁連山 地表反照率 遙感

中圖分類號：P407 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）03（a）-0044-02

地表反照率是地表對太陽輻射的反射通量密度與總入射通量密度之比。反照率的傳統計算方法是用實測資料結合植被特征和土壤類型來估算的[1]。但這種方法往往因觀測資料代表性和地表參數的不確定性而影響其計算精度。由于地表反照率受地球表面覆蓋類型等地表特征和太陽高度角等因素的影響，具有較大的時空分異性。遙感技術克服了上述缺點，同時具有信息量大、覆蓋面廣、實時性強等優點，因此近年來日益受到重視。

本研究應用Landsat-5遙感影像估算研究區地表反照率并驗證其精度，為研究區的生態建設、資源利用與環境評價等方面提供了地表反照率的計算方法。

1 研究區概況及數據準備

1.1 研究區概況

祁連縣位于青海省東北部、海北藏族自治州的西北部，地處祁連山中段。地理坐標為37°25'16''～39°05'18''N，98°05'35''～101°02'06''E，研究區地理位置如圖1所示。研究區南北兩側和中部為高山，其他地區地勢較為平坦，最高海拔5264 m、最低海拔2646 m，平均海拔3500 m。縣境沿祁連山南麓呈北西—南東向的不規則長條形，東北—西南寬約50 km，東南—西北長約300 km，總面積14781 km2。

1.2 數據源

（1）遙感數據。研究中所使用的遙感影像為Landsat-5 TM影像，來源于美國地質勘探局網站（USGS）（http：//glovis.usgs.gov/）。考慮到影像的覆蓋范圍及成像時間的一致性，僅選用了可以覆蓋祁連縣大部分區域的一景影像，其影像軌道號為P134R033，分辨率為28.5 m，成像日期為2009年7月17日，成像時間為北京時間11：50am，影像云覆蓋率為0.35%。

（2）DEM數據。DEM數據來源于中國科學院計算機網絡信息中心國際科學數據鏡像網站（http：//datamirror.cddb/）的全球30 m分辨率數字高程數據產品，該數據是利用ASTER GDEM第一版本（V1）的數據進行加工得來。

（3）土地利用/土地覆蓋數據。土地利用/土地覆蓋數據來源于中國科學院寒區旱區科學數據中心網站（http：//westdc.westgis.ac.cn/）。根據祁連山區的自然特征及本文研究的需要，將土地利用/土地覆被分類系統的類型合并為耕地、林地、草地、水域、城鄉工礦居民用地、沼澤地、裸土裸巖石礫地以及永久性冰川雪地8種類型。

1.3 數據預處理

影像的預處理通過ENVI4.8軟件進行，首先需要對TM影像進行幾何精校正，并且將其重采樣到30 m像元分辨率，裁剪出研究區域的影像，然后通過對研究區域影像進行輻射定標得到波段輻射亮度值，并對輻射亮度值進行大氣校正以及地形校正，消除由于大氣、地形等因素所引起的地表反射率的誤差。由于缺乏衛星過境時詳細的大氣剖面資料，故6S等大氣校正模型不太適用，因而采用了FLAASH模型進行大氣校正。研究區山區較多，為消除地形陰影對傳感器接收地面信息的影響，采用Civico模型對大氣校正后的影像進行地形校正。最后獲得比較準確的地表反射率數據。

2 研究方法

TM影像一共有7個波段，為了充分利用各波段的信息來計算地表反照率，可把除熱紅外波段以外的6個波段都組合起來。在0.3～4.0 mm連續光譜段中忽略1.38～1.50 mm，1.85～2.08 mm，2.35～3.00 mm這三個水汽吸收帶，整個反照率計算公式如下[2]：

其中，為地表反照率，為單波段地表反射率，也就是經過大氣校正和地形校正的反射率。

3 結果與分析

本研究估算結果如圖1所示，經統計分析得出，研究區域的地表反照率在0.1～0.2之間，各土地利用類型的反照率如表1所示，估算所得的結果與蔡福[3]的研究結果相近，可以用于研究區域地表反照率的估算（見圖1）。

經研究發現，估算得到的地表反照率的值較蔡福的研究結果偏小，這是由于該區域于影像獲取前一天夜間有少量的降水，使得該區域的估算值偏小。并且，夏季祁連山區降水較為頻繁，地表較為濕潤，也在一定程度上影響了估算結果。

4 結論與討論

影像的預處理對于遙感反演陸地非均勻表面地表反照率結果有著較為重要的影響。本研究中采用經輻射校正和地形校正后的波譜反射率求取，有效的消除了大氣、地形所造成的誤差。使得反演得到的地表反照率較為準確。

雖然使用的Landsat5-TM衛星已經停止使用，但是環境與災害監測預報小衛星HJ-1A/1B衛星與Landsat5-TM的參數基本相同，因此可以在今后的研究工作中使用HJ-1A/1B衛星來獲取遙感影像進行地表反照率遙感反演，并且其4d的重訪時間相對于TM衛星16d的衛星重訪時間更能反映地表地物在時間尺度上的波譜特征變化，易于蒸散發在時間尺度上的推廣。當然，也可以選擇空間分辨率更高、拍攝周期更短的遙感衛星來提高蒸散發遙感反演的精度以及更快速的獲取日蒸散發的變化狀況。由于缺少當時的大氣資料，故大氣校正采用的FLAASH模型，在校正的精度上較6S模型低一些，此后的工作中可以獲取大氣資料后使用6S模型進行大氣校正，以求得更為準確的地表反射率。

參考文獻

[1] 陳渝蓉，高國棟.我國輻射平衡各分量的計算方法及時空分布特征[J].南京大學學報：自然科學版，1976（2）：89-110.

[2] 劉三超，張萬昌，蔣建軍，等.用TM影像和DEM獲取黑河流域地表反射率和反照率[J].地理科學，2003，23（5）：585-591.

[3] 蔡福，祝青林，何洪林，等.中國月平均地表反照率的估算及其時空分布[J]. 資源科學，2005（1）：114-120.endprint

摘 要：衛星遙感在研究地表反照率時有其獨到的優勢，本研究利用Landsat-5遙感影像，結合除熱紅外波段以外的6個波段進行祁連山區地表反照率的估算，其估算結果與前人的結果基本一致，可以滿足研究區域對地表反照率的要求。

關鍵詞：祁連山 地表反照率 遙感

中圖分類號：P407 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）03（a）-0044-02

地表反照率是地表對太陽輻射的反射通量密度與總入射通量密度之比。反照率的傳統計算方法是用實測資料結合植被特征和土壤類型來估算的[1]。但這種方法往往因觀測資料代表性和地表參數的不確定性而影響其計算精度。由于地表反照率受地球表面覆蓋類型等地表特征和太陽高度角等因素的影響，具有較大的時空分異性。遙感技術克服了上述缺點，同時具有信息量大、覆蓋面廣、實時性強等優點，因此近年來日益受到重視。

本研究應用Landsat-5遙感影像估算研究區地表反照率并驗證其精度，為研究區的生態建設、資源利用與環境評價等方面提供了地表反照率的計算方法。

1 研究區概況及數據準備

1.1 研究區概況

祁連縣位于青海省東北部、海北藏族自治州的西北部，地處祁連山中段。地理坐標為37°25'16''～39°05'18''N，98°05'35''～101°02'06''E，研究區地理位置如圖1所示。研究區南北兩側和中部為高山，其他地區地勢較為平坦，最高海拔5264 m、最低海拔2646 m，平均海拔3500 m。縣境沿祁連山南麓呈北西—南東向的不規則長條形，東北—西南寬約50 km，東南—西北長約300 km，總面積14781 km2。

1.2 數據源

（1）遙感數據。研究中所使用的遙感影像為Landsat-5 TM影像，來源于美國地質勘探局網站（USGS）（http：//glovis.usgs.gov/）。考慮到影像的覆蓋范圍及成像時間的一致性，僅選用了可以覆蓋祁連縣大部分區域的一景影像，其影像軌道號為P134R033，分辨率為28.5 m，成像日期為2009年7月17日，成像時間為北京時間11：50am，影像云覆蓋率為0.35%。

（2）DEM數據。DEM數據來源于中國科學院計算機網絡信息中心國際科學數據鏡像網站（http：//datamirror.cddb/）的全球30 m分辨率數字高程數據產品，該數據是利用ASTER GDEM第一版本（V1）的數據進行加工得來。

（3）土地利用/土地覆蓋數據。土地利用/土地覆蓋數據來源于中國科學院寒區旱區科學數據中心網站（http：//westdc.westgis.ac.cn/）。根據祁連山區的自然特征及本文研究的需要，將土地利用/土地覆被分類系統的類型合并為耕地、林地、草地、水域、城鄉工礦居民用地、沼澤地、裸土裸巖石礫地以及永久性冰川雪地8種類型。

1.3 數據預處理

影像的預處理通過ENVI4.8軟件進行，首先需要對TM影像進行幾何精校正，并且將其重采樣到30 m像元分辨率，裁剪出研究區域的影像，然后通過對研究區域影像進行輻射定標得到波段輻射亮度值，并對輻射亮度值進行大氣校正以及地形校正，消除由于大氣、地形等因素所引起的地表反射率的誤差。由于缺乏衛星過境時詳細的大氣剖面資料，故6S等大氣校正模型不太適用，因而采用了FLAASH模型進行大氣校正。研究區山區較多，為消除地形陰影對傳感器接收地面信息的影響，采用Civico模型對大氣校正后的影像進行地形校正。最后獲得比較準確的地表反射率數據。

2 研究方法

TM影像一共有7個波段，為了充分利用各波段的信息來計算地表反照率，可把除熱紅外波段以外的6個波段都組合起來。在0.3～4.0 mm連續光譜段中忽略1.38～1.50 mm，1.85～2.08 mm，2.35～3.00 mm這三個水汽吸收帶，整個反照率計算公式如下[2]：

其中，為地表反照率，為單波段地表反射率，也就是經過大氣校正和地形校正的反射率。

3 結果與分析

本研究估算結果如圖1所示，經統計分析得出，研究區域的地表反照率在0.1～0.2之間，各土地利用類型的反照率如表1所示，估算所得的結果與蔡福[3]的研究結果相近，可以用于研究區域地表反照率的估算（見圖1）。

經研究發現，估算得到的地表反照率的值較蔡福的研究結果偏小，這是由于該區域于影像獲取前一天夜間有少量的降水，使得該區域的估算值偏小。并且，夏季祁連山區降水較為頻繁，地表較為濕潤，也在一定程度上影響了估算結果。

4 結論與討論

影像的預處理對于遙感反演陸地非均勻表面地表反照率結果有著較為重要的影響。本研究中采用經輻射校正和地形校正后的波譜反射率求取，有效的消除了大氣、地形所造成的誤差。使得反演得到的地表反照率較為準確。

雖然使用的Landsat5-TM衛星已經停止使用，但是環境與災害監測預報小衛星HJ-1A/1B衛星與Landsat5-TM的參數基本相同，因此可以在今后的研究工作中使用HJ-1A/1B衛星來獲取遙感影像進行地表反照率遙感反演，并且其4d的重訪時間相對于TM衛星16d的衛星重訪時間更能反映地表地物在時間尺度上的波譜特征變化，易于蒸散發在時間尺度上的推廣。當然，也可以選擇空間分辨率更高、拍攝周期更短的遙感衛星來提高蒸散發遙感反演的精度以及更快速的獲取日蒸散發的變化狀況。由于缺少當時的大氣資料，故大氣校正采用的FLAASH模型，在校正的精度上較6S模型低一些，此后的工作中可以獲取大氣資料后使用6S模型進行大氣校正，以求得更為準確的地表反射率。

參考文獻

[1] 陳渝蓉，高國棟.我國輻射平衡各分量的計算方法及時空分布特征[J].南京大學學報：自然科學版，1976（2）：89-110.

[2] 劉三超，張萬昌，蔣建軍，等.用TM影像和DEM獲取黑河流域地表反射率和反照率[J].地理科學，2003，23（5）：585-591.

[3] 蔡福，祝青林，何洪林，等.中國月平均地表反照率的估算及其時空分布[J]. 資源科學，2005（1）：114-120.endprint

摘 要：衛星遙感在研究地表反照率時有其獨到的優勢，本研究利用Landsat-5遙感影像，結合除熱紅外波段以外的6個波段進行祁連山區地表反照率的估算，其估算結果與前人的結果基本一致，可以滿足研究區域對地表反照率的要求。

關鍵詞：祁連山 地表反照率 遙感

中圖分類號：P407 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）03（a）-0044-02

地表反照率是地表對太陽輻射的反射通量密度與總入射通量密度之比。反照率的傳統計算方法是用實測資料結合植被特征和土壤類型來估算的[1]。但這種方法往往因觀測資料代表性和地表參數的不確定性而影響其計算精度。由于地表反照率受地球表面覆蓋類型等地表特征和太陽高度角等因素的影響，具有較大的時空分異性。遙感技術克服了上述缺點，同時具有信息量大、覆蓋面廣、實時性強等優點，因此近年來日益受到重視。

本研究應用Landsat-5遙感影像估算研究區地表反照率并驗證其精度，為研究區的生態建設、資源利用與環境評價等方面提供了地表反照率的計算方法。

1 研究區概況及數據準備

1.1 研究區概況

祁連縣位于青海省東北部、海北藏族自治州的西北部，地處祁連山中段。地理坐標為37°25'16''～39°05'18''N，98°05'35''～101°02'06''E，研究區地理位置如圖1所示。研究區南北兩側和中部為高山，其他地區地勢較為平坦，最高海拔5264 m、最低海拔2646 m，平均海拔3500 m。縣境沿祁連山南麓呈北西—南東向的不規則長條形，東北—西南寬約50 km，東南—西北長約300 km，總面積14781 km2。

1.2 數據源

（1）遙感數據。研究中所使用的遙感影像為Landsat-5 TM影像，來源于美國地質勘探局網站（USGS）（http：//glovis.usgs.gov/）。考慮到影像的覆蓋范圍及成像時間的一致性，僅選用了可以覆蓋祁連縣大部分區域的一景影像，其影像軌道號為P134R033，分辨率為28.5 m，成像日期為2009年7月17日，成像時間為北京時間11：50am，影像云覆蓋率為0.35%。

（2）DEM數據。DEM數據來源于中國科學院計算機網絡信息中心國際科學數據鏡像網站（http：//datamirror.cddb/）的全球30 m分辨率數字高程數據產品，該數據是利用ASTER GDEM第一版本（V1）的數據進行加工得來。

（3）土地利用/土地覆蓋數據。土地利用/土地覆蓋數據來源于中國科學院寒區旱區科學數據中心網站（http：//westdc.westgis.ac.cn/）。根據祁連山區的自然特征及本文研究的需要，將土地利用/土地覆被分類系統的類型合并為耕地、林地、草地、水域、城鄉工礦居民用地、沼澤地、裸土裸巖石礫地以及永久性冰川雪地8種類型。

1.3 數據預處理

影像的預處理通過ENVI4.8軟件進行，首先需要對TM影像進行幾何精校正，并且將其重采樣到30 m像元分辨率，裁剪出研究區域的影像，然后通過對研究區域影像進行輻射定標得到波段輻射亮度值，并對輻射亮度值進行大氣校正以及地形校正，消除由于大氣、地形等因素所引起的地表反射率的誤差。由于缺乏衛星過境時詳細的大氣剖面資料，故6S等大氣校正模型不太適用，因而采用了FLAASH模型進行大氣校正。研究區山區較多，為消除地形陰影對傳感器接收地面信息的影響，采用Civico模型對大氣校正后的影像進行地形校正。最后獲得比較準確的地表反射率數據。

2 研究方法

TM影像一共有7個波段，為了充分利用各波段的信息來計算地表反照率，可把除熱紅外波段以外的6個波段都組合起來。在0.3～4.0 mm連續光譜段中忽略1.38～1.50 mm，1.85～2.08 mm，2.35～3.00 mm這三個水汽吸收帶，整個反照率計算公式如下[2]：

其中，為地表反照率，為單波段地表反射率，也就是經過大氣校正和地形校正的反射率。

3 結果與分析

本研究估算結果如圖1所示，經統計分析得出，研究區域的地表反照率在0.1～0.2之間，各土地利用類型的反照率如表1所示，估算所得的結果與蔡福[3]的研究結果相近，可以用于研究區域地表反照率的估算（見圖1）。

經研究發現，估算得到的地表反照率的值較蔡福的研究結果偏小，這是由于該區域于影像獲取前一天夜間有少量的降水，使得該區域的估算值偏小。并且，夏季祁連山區降水較為頻繁，地表較為濕潤，也在一定程度上影響了估算結果。

4 結論與討論

影像的預處理對于遙感反演陸地非均勻表面地表反照率結果有著較為重要的影響。本研究中采用經輻射校正和地形校正后的波譜反射率求取，有效的消除了大氣、地形所造成的誤差。使得反演得到的地表反照率較為準確。

雖然使用的Landsat5-TM衛星已經停止使用，但是環境與災害監測預報小衛星HJ-1A/1B衛星與Landsat5-TM的參數基本相同，因此可以在今后的研究工作中使用HJ-1A/1B衛星來獲取遙感影像進行地表反照率遙感反演，并且其4d的重訪時間相對于TM衛星16d的衛星重訪時間更能反映地表地物在時間尺度上的波譜特征變化，易于蒸散發在時間尺度上的推廣。當然，也可以選擇空間分辨率更高、拍攝周期更短的遙感衛星來提高蒸散發遙感反演的精度以及更快速的獲取日蒸散發的變化狀況。由于缺少當時的大氣資料，故大氣校正采用的FLAASH模型，在校正的精度上較6S模型低一些，此后的工作中可以獲取大氣資料后使用6S模型進行大氣校正，以求得更為準確的地表反射率。

參考文獻

[1] 陳渝蓉，高國棟.我國輻射平衡各分量的計算方法及時空分布特征[J].南京大學學報：自然科學版，1976（2）：89-110.

[2] 劉三超，張萬昌，蔣建軍，等.用TM影像和DEM獲取黑河流域地表反射率和反照率[J].地理科學，2003，23（5）：585-591.

[3] 蔡福，祝青林，何洪林，等.中國月平均地表反照率的估算及其時空分布[J]. 資源科學，2005（1）：114-120.endprint