遙感方法獲知地表反照率的時空變化：現(xiàn)狀與未來

周紅敏 王錦地

摘 要：地表反照率表征地球表面對太陽輻射的反射能力，決定著地表與大氣之間輻射能量的分配過程，是影響地球氣候系統(tǒng)的關(guān)鍵變量。在全球變化日益突出的今天，地表反照率與全球變化的相互影響機(jī)制已經(jīng)成為地球科學(xué)研究領(lǐng)域的熱點問題之一。地表反照率的細(xì)微變化，會影響到地氣系統(tǒng)的能量收支平衡，進(jìn)而引起區(qū)域以至全球氣候變化。由于地表反照率受地球表面覆蓋類型等地表特征的影響，因而利用遙感資料計算大面積區(qū)域地表反照率日益受到重視。

關(guān)鍵詞：遙感方法；地表反照率；時空變化

1 地表反照率的意義和用處

地表反照率是指短波波段地表所有反射輻射能量與入射輻射能量之間的比值。地表反照率是一個廣泛用于地表能量平衡、中長期天氣預(yù)報和全球變化研究的重要參量。地球表面反照率的時空變化對全球氣候變化有著非常重要的影響，以海冰為例，反照率降低，直接引起地表吸收的太陽輻射增多，溫度升高，導(dǎo)致冰雪融化加劇，從而引起反照率進(jìn)一步降低。地表反照率與我們的日常生活息息相關(guān)，比如我們每天關(guān)注的天氣預(yù)報，就是根據(jù)衛(wèi)星遙感和地面觀測數(shù)據(jù)通過數(shù)值天氣預(yù)報模型模擬預(yù)測出來的，其中地表反照率就是模擬模型的非常重要的輸入?yún)?shù)；又如，為了使用最少的投入獲得最大收益，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是目前農(nóng)業(yè)發(fā)展的趨勢，科學(xué)的管理方案確定需要監(jiān)測農(nóng)田小氣候環(huán)境，農(nóng)田地表反照率就是農(nóng)田小氣候的重要影響和觀測要素。科學(xué)研究、日常應(yīng)用對地表反照率的數(shù)據(jù)需求是多種多樣的，從時間上的動態(tài)變化來說，從一天內(nèi)以分鐘計的日內(nèi)變化，一年或多年內(nèi)以幾小時或幾個月計不等；從空間上的變化來說，從地面觀測的幾米范圍到全球覆蓋不等。

遙感是目前唯一可行的獲取全球范圍地表時空變化信息的方法，從衛(wèi)星獲取的電磁波信號中高精度的估算出地表參數(shù)，包括地表反照率，并做成高級遙感產(chǎn)品是我國遙感基礎(chǔ)研究與應(yīng)用推廣工作重點需要解決的問題，這對全球范圍的氣候變化研究、提升我國遙感科技綜合實力、為國家重大科技決策支持具有重要的意義。

2 遙感獲知地表反照率的發(fā)展

從遙感衛(wèi)星獲得的電磁波信號中定量提取地表信息是遙感理論與方法的主要內(nèi)容，遙感應(yīng)用是把提取的地表信息用于社會與人類生活的方方面面，例如天氣預(yù)報與林業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐。遙感基礎(chǔ)理論研究主要包括遙感模型的建立、檢驗和應(yīng)用。遙感模型的建立簡稱建模，是基于地面觀測等各種數(shù)據(jù)源，用物理和數(shù)學(xué)模型描述地表狀況和遙感信號之間的定量關(guān)系，比如將地表反照率描述成太陽入照角度的函數(shù)，這就是最簡單的遙感模型，叫做經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀８_的是利用物理的方法來描述光線的傳播、能量的傳遞與各種地面目標(biāo)參量（例如地表反照率）的關(guān)系，我們把它叫做遙感物理建模。遙感理論的發(fā)展是遙感應(yīng)用的基礎(chǔ)，利用遙感模型生產(chǎn)的遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品則是遙感應(yīng)用的原料。

目前，國內(nèi)外已有十余種全球尺度的地表反照率遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品，最主要的有美國國家航空航天局（NASA）基于美國地球觀測系統(tǒng)系列EOS（Earth Observation System）衛(wèi)星數(shù)據(jù)生產(chǎn)的中等分辨率地表反照率產(chǎn)品（MODIS Albedo Product）；利用搭載在法國和美國合作的衛(wèi)星列車計劃中的多角度偏振傳感器數(shù)據(jù)生產(chǎn)的POLDER反照率產(chǎn)品等，還有一些聯(lián)合多種傳感器數(shù)據(jù)生產(chǎn)的全球地表反照率產(chǎn)品，比如歐盟生產(chǎn)的CYCLOPES全球反照率產(chǎn)品，我國北京師范大學(xué)自主研發(fā)的全球陸表特征參量（GLASS）反照率產(chǎn)品等。

由于遙感反照率數(shù)據(jù)產(chǎn)品是基于衛(wèi)星觀測信號利用物理和數(shù)學(xué)模型計算出來的，受衛(wèi)星傳感器屬性、地表情況、大氣條件和估算方法等因素影響，估算出來的產(chǎn)品精度需要經(jīng)過檢驗，才能為用戶提供準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)產(chǎn)品。最科學(xué)的檢驗方法是將遙感估算出的反照率與地面觀測真值進(jìn)行直接比較。在獲取地面真值時要做到3個“一致”，一是地面觀測的波長范圍與遙感產(chǎn)品一致，二是地面觀測時間與衛(wèi)星產(chǎn)品一致，三是地面觀測面積與衛(wèi)星觀測的像元大小一致。

常用的地表反照率遙感數(shù)據(jù)一般指地表短波寬波段反照率，常見的有3種波段范圍，一種是可見光波段，波段范圍400～700nm；兩種可見光近紅外波段，波段范圍分別是400～1100nm和280～3500nm左右，驗證這3種產(chǎn)品所用的地面觀測儀器各有不同。可見光波段反照率的地面測量主要采用光合有效輻射測量儀，該儀器有效波段范圍為400～700nm，分別測量地面目標(biāo)向上半球空間的反射輻射和向下半球空間的太陽入射和天空散射輻射，取二者的比值得到可見光波段地表反照率。400～1100nm的反照率主要用相應(yīng)波段的光量子儀觀測，280～3500nm波段的反照率主要用相應(yīng)波長的輻射計觀測，也有將兩個相同的輻射計背對背固定在一起，制成反照率表，便于安裝和同時測量入射輻射和反射輻射。

除了寬波段的地表反照率，還有窄波段的地表反照率，這主要是由衛(wèi)星傳感器的波段設(shè)置決定的，目的是將傳感器接收信號的波段避開大氣干擾比較大的波長，以提高遙感觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量。因此，直接用遙感觀測估算得到的地表反照率是窄波段的地表反照率。但是由于傳統(tǒng)的地表反照率觀測儀器都是寬波段的，目前還沒有直接進(jìn)行地面窄波段反照率觀測的儀器，無法直接驗證遙感估算結(jié)果是否正確。針對這一問題，我國遙感科學(xué)國家重點實驗室研究人員在國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃《復(fù)雜地表遙感信息動態(tài)特征分析與建模》項目支持下，研制了一種針對衛(wèi)星傳感器波段設(shè)置的窄波段地表反照率觀測儀器，可以同時實現(xiàn)對不同遙感波段的窄波段反照率和常用的寬波段反照率的同步觀測，并且可以進(jìn)行固定地點的長時間序列觀測，獲取地表反照率的動態(tài)變化信息。

為保證地面觀測時間與觀測面積與衛(wèi)星產(chǎn)品一致，一般將地面測量儀器架設(shè)在高塔上進(jìn)行連續(xù)觀測，用數(shù)據(jù)采集裝置存儲時間序列觀測數(shù)據(jù)。根據(jù)傳感器的有效視場角度和地表是否均一，可以計算得到最低儀器架設(shè)高度。在沒有高塔的地區(qū)，也可以采用地面多點測量的方式得到像元尺度的地面真值。但這種移動的觀測方式往往費時費力，不容易與遙感觀測同步。

為了解決地表反照率遙感產(chǎn)品驗證中的問題，滿足全球氣候變化研究需要，實現(xiàn)全球不同區(qū)域、不同地表類型的輻射機(jī)理探測和遙感產(chǎn)品驗證，發(fā)展了一批地表輻射觀測網(wǎng)絡(luò)，包括地表輻射能量收支網(wǎng)（SURFRAD），基準(zhǔn)地表輻射網(wǎng)（BSRN），陸地生態(tài)系統(tǒng)通量觀測網(wǎng)（FLUXNET）等。其中以我國中國科學(xué)院生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)為依托的中國陸地生態(tài)系統(tǒng)通量觀測研究網(wǎng)絡(luò)（ChinaFlux）是FLUXNET的重要組成部分，目前ChinaFlux已有100多個站點。課題也對多種地表類型目標(biāo)做長時間序列觀測并發(fā)布測量數(shù)據(jù)。

3 地表反照率遙感應(yīng)用和發(fā)展前景

遙感衛(wèi)星在全球范圍的地表監(jiān)測中具有無可比擬的優(yōu)勢，但也存在一些問題，比如遙感產(chǎn)品空間分辨率不夠高、時間序列不夠完整、復(fù)雜區(qū)域產(chǎn)品算法和精度有待改進(jìn)等。現(xiàn)有的地表反照率產(chǎn)品的空間分辨率多是千米級的，隨著區(qū)域和局地應(yīng)用需求的不斷細(xì)化，對遙感產(chǎn)品的空間分辨率提出了更高的要求，我國《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》確定將中國高分辨率對地觀測系統(tǒng)作為重大專項之一，在此專項支撐下，發(fā)射了一批高空間分辨率遙感衛(wèi)星。發(fā)展基于國產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的高級遙感產(chǎn)品估算方法將有效提高國產(chǎn)衛(wèi)星應(yīng)用能力，支持農(nóng)業(yè)生態(tài)、資源環(huán)境、公共信息等應(yīng)用。

遙感觀測都是瞬時觀測，受云等因素影響，經(jīng)常會造成觀測缺失和對地表變量的估算失敗，從而導(dǎo)致產(chǎn)品時間序列不完整。因此依靠時間離散的遙感觀測無法完整和連續(xù)地反映地表的時空演進(jìn)過程，“十三五”國家重點基礎(chǔ)研究計劃項目《復(fù)雜地表遙感信息動態(tài)分析與建模》課題《遙感信息動態(tài)特征分析與時間尺度擴(kuò)展》研究將遙感觀測數(shù)據(jù)同化到陸面過程模型中，旨在生成時空連續(xù)的地表參數(shù)產(chǎn)品，滿足全球生態(tài)環(huán)境動態(tài)監(jiān)測和氣候變化應(yīng)用需求。

遙感衛(wèi)星以像元為單位對地面進(jìn)行掃描，遙感估算地表參數(shù)也是逐像元進(jìn)行。受地形地貌和不同的地表覆蓋類型影響，遙感觀測的像元內(nèi)很難是平坦均一的，而估算地表參數(shù)的物理和數(shù)學(xué)模型往往是針對某種地表類型發(fā)展起來的，當(dāng)遙感觀測的像元內(nèi)部異質(zhì)性較大時，模型是否適用還有待考究。尤其我國幅員遼闊、地形地貌復(fù)雜、地表覆蓋類型多樣，給地表參數(shù)遙感估計提出了更高的要求。“十三五”國家重點基礎(chǔ)研究計劃項目《復(fù)雜地表遙感信息動態(tài)分析與建模》就是重點針對復(fù)雜地表這一地面目標(biāo)，開展遙感機(jī)理和建模研究，為陸表植被生態(tài)過程模型提供高精度、多尺度、立體、全覆蓋、連續(xù)過程的植被和土壤遙感監(jiān)測信息，服務(wù)于國家生態(tài)環(huán)境保護(hù)和履行國際環(huán)境公約等決策對高精度動態(tài)空間信息的需求。

隨著遙感科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品應(yīng)用的領(lǐng)域越來越廣，從日常天氣預(yù)報到全球的氣候變化研究，從糧食估產(chǎn)到礦產(chǎn)資源開發(fā)，從城市擴(kuò)展到災(zāi)害應(yīng)急。未來遙感事業(yè)的發(fā)展，會向著更精、更廣、更長的方向發(fā)展：精度更高、空間分辨率更精細(xì)；范圍更廣，從區(qū)域到全球多尺度覆蓋；時間范圍更長、更連續(xù)。只有這樣才能滿足國計、民生；生態(tài)、環(huán)境的多種需求，推動遙感數(shù)據(jù)的廣泛應(yīng)用，讓衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)為人類認(rèn)知地球做出更大貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]梁順林著.定量遙感：理念與算法[M].科學(xué)出版社，2013.

（作者單位：遙感科學(xué)國家重點實驗室，北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部，遙感科學(xué)與工程研究院）