VIIRS中波红外地表双向反射率反演算法研究

中波红外(mid-infrared,MIR)是目前地球观测中热点研究的光谱区域,相比于可见光具有很多优势。中波红外反射率在叶生物量估算、不同植被类型区分等方面得到了广泛的应用。但由于在白天时卫星传感器接收到的辐射能量存在反射与发射能量耦合的问题,使得中波红外数据的利用存在一些困难。本文通过类似劈窗技术的计算模型计算出无太阳辐射时地表亮温T0g,并结合中波红外辐射传输模型推导出了适用于VIIRS中波红外地表双向反射率的反演模型。结果表明：反射率理论反演值与实际值较吻合,在太阳天顶角为0°时RMSE仅为0.009;反演模型受气象因子和仪器噪声的影响很小,在实际应用中可以忽略。     

中红外波段地表发射率特性分析

陆表温度(LST)在地-气相互作用过程中扮演着重要的角色,是全球变化研究的关键参数。陆表发射率是陆表温度反演的关键输入参数之一。中红外谱区(3~5 μm)介于可见光-近红外谱区(0.38~2.5 μm)与热红外谱区(8~14 μm)之间,地物的发射率在该谱区表现出独特的光谱特性,可用于霜冻监测、矿物成分分析等研究。由于传感器在中红外谱区探测到的能量既有来自于地物自身发射的热辐射能量,又有反射的太阳辐射能量,这两部分的能量分离机理比较复杂,因此中红外谱区发射率特性分析的相关文献较少。本文针对单一均匀地表和具有混合像元的复杂地表计算了MODIS红外通道的有效发射率,发现通道有效发射率在单一均匀地表下与温度的耦合效应不强烈;但在复杂地表下,通道有效发射率与混合像元内的成分比例以及成分的地表温度具有耦合效应。在误差允许的范围内,混合像元的有效发射率可以忽略成分地表温度的影响。发射率误差对陆表温度反演精度的敏感性随着波长的变化而变化。在热红外波段,敏感性是其在中红外波段的2倍左右,说明利用中红外波段进行陆表温度反演具有一定的优势。     

中波红外大气透过率特性分析

大气透过率是影响太阳辐射以及地表热辐射的一个重要参量。利用MODTRAN辐射传输模型,对中波红外波段(3~5 μm)处的大气透过率以及其影响因子的贡献进行了详细的分析。在此基础上,结合MODIS在该谱区设置的6个通道,分别讨论了各吸收气体对通道透过率的影响。结论表明,水汽和混合气体是造成中波红外波段大气透过率衰减最重要的影响因子。MODIS通道透过率与通道光谱响应函数的宽度和气体分子的吸收带位置有关。     

基于海表耀斑中红外基准NPP/VIIRS反射通道在轨验证

将美国NPP卫星可见光红外成像辐射仪(Visible Infrared Imaging Radiometer,VIIRS)的中红外通道(中心波长3.697μm)作为检验基准,使用菲涅尔反射定理建立中红外和被验证通道的海表反射率关系,对四个太阳反射通道(中心波长位于0.672、0.862、1.238和1.602μm)进行了基于海水表面耀斑区反射率精度验证并深入分析该方法的不确定度.结果表明:VIIRS四个通道的验证不确定度分别为3.8%、3.9%、4.1%和4.1%,这一方法可实现VIIRS部分光学通道的在轨较高精度验证.     

基于改进非线性劈窗算法的VIIRS中红外海面耀斑区反射率计算

传感器入瞳处接收到的中红外波段(3~5 μm)能量包含反射的太阳能量与地物自身的发射能量。通常该波段反射的太阳能量很弱,但在海面太阳耀斑区等特定情况下,被中红外通道探测到的反射太阳能量是比较可观的,且其对大气影响的敏感性较低,同时,对于搭载有在轨定标系统的卫星传感器,使用黑体定标后的中红外波段的在轨辐射性能相当稳定的。因此,考虑将中红外波段的海面耀斑区反射率作为用于反射太阳波段交叉定标的基准。基于这个想法,构建了改进的、适用于VIIRS(visible infrared imaging radiometer)中红外波段的非线性劈窗模型来计算南印度洋海面耀斑区中红外反射率。首先统计得到VIIRS M12和M13波段海面反射率的限定关系,然后使用非线性劈窗算法模拟计算海面反射率,模拟模型的不确定度为0.83%。在此基础上使用VIIRS的M12波段(中心波长为3.697 μm)太阳耀斑区数据计算选取的样本区的海面反射率。然后使用两种方法对反射率精度进行验证,精度分别为0.29%和0.23%,假设M12和M13波段海面反射率相等的反射率计算结果精度分别为2.48%和1.03%。该计算模型大大提高了精度,说明该模型用于VIIRS M12中红外波段计算海洋耀斑区反射率是有效可行的,其精度能够满足中红外波段海面反射率作为波段间定标基准的需求。