遥感方法获知地表反照率的时空变化：现状与未来

周红敏 王锦地

摘 要：地表反照率表征地球表面对太阳辐射的反射能力，决定着地表与大气之间辐射能量的分配过程，是影响地球气候系统的关键变量。在全球变化日益突出的今天，地表反照率与全球变化的相互影响机制已经成为地球科学研究领域的热点问题之一。地表反照率的细微变化，会影响到地气系统的能量收支平衡，进而引起区域以至全球气候变化。由于地表反照率受地球表面覆盖类型等地表特征的影响，因而利用遥感资料计算大面积区域地表反照率日益受到重视。

关键词：遥感方法；地表反照率；时空变化

1 地表反照率的意义和用处

地表反照率是指短波波段地表所有反射辐射能量与入射辐射能量之间的比值。地表反照率是一个广泛用于地表能量平衡、中长期天气预报和全球变化研究的重要参量。地球表面反照率的时空变化对全球气候变化有着非常重要的影响，以海冰为例，反照率降低，直接引起地表吸收的太阳辐射增多，温度升高，导致冰雪融化加剧，从而引起反照率进一步降低。地表反照率与我们的日常生活息息相关，比如我们每天关注的天气预报，就是根据卫星遥感和地面观测数据通过数值天气预报模型模拟预测出来的，其中地表反照率就是模拟模型的非常重要的输入参数；又如，为了使用最少的投入获得最大收益，精准农业是目前农业发展的趋势，科学的管理方案确定需要监测农田小气候环境，农田地表反照率就是农田小气候的重要影响和观测要素。科学研究、日常应用对地表反照率的数据需求是多种多样的，从时间上的动态变化来说，从一天内以分钟计的日内变化，一年或多年内以几小时或几个月计不等；从空间上的变化来说，从地面观测的几米范围到全球覆盖不等。

遥感是目前唯一可行的获取全球范围地表时空变化信息的方法，从卫星获取的电磁波信号中高精度的估算出地表参数，包括地表反照率，并做成高级遥感产品是我国遥感基础研究与应用推广工作重点需要解决的问题，这对全球范围的气候变化研究、提升我国遥感科技综合实力、为国家重大科技决策支持具有重要的意义。

2 遥感获知地表反照率的发展

从遥感卫星获得的电磁波信号中定量提取地表信息是遥感理论与方法的主要内容，遥感应用是把提取的地表信息用于社会与人类生活的方方面面，例如天气预报与林业、农业生产实践。遥感基础理论研究主要包括遥感模型的建立、检验和应用。遥感模型的建立简称建模，是基于地面观测等各种数据源，用物理和数学模型描述地表状况和遥感信号之间的定量关系，比如将地表反照率描述成太阳入照角度的函数，这就是最简单的遥感模型，叫做经验模型。更精确的是利用物理的方法来描述光线的传播、能量的传递与各种地面目标参量（例如地表反照率）的關系，我们把它叫做遥感物理建模。遥感理论的发展是遥感应用的基础，利用遥感模型生产的遥感卫星数据产品则是遥感应用的原料。

目前，国内外已有十余种全球尺度的地表反照率遥感卫星数据产品，最主要的有美国国家航空航天局（NASA）基于美国地球观测系统系列EOS（Earth Observation System）卫星数据生产的中等分辨率地表反照率产品（MODIS Albedo Product）；利用搭载在法国和美国合作的卫星列车计划中的多角度偏振传感器数据生产的POLDER反照率产品等，还有一些联合多种传感器数据生产的全球地表反照率产品，比如欧盟生产的CYCLOPES全球反照率产品，我国北京师范大学自主研发的全球陆表特征参量（GLASS）反照率产品等。

由于遥感反照率数据产品是基于卫星观测信号利用物理和数学模型计算出来的，受卫星传感器属性、地表情况、大气条件和估算方法等因素影响，估算出来的产品精度需要经过检验，才能为用户提供准确可靠的数据产品。最科学的检验方法是将遥感估算出的反照率与地面观测真值进行直接比较。在获取地面真值时要做到3个“一致”，一是地面观测的波长范围与遥感产品一致，二是地面观测时间与卫星产品一致，三是地面观测面积与卫星观测的像元大小一致。

常用的地表反照率遥感数据一般指地表短波宽波段反照率，常见的有3种波段范围，一种是可见光波段，波段范围400～700nm；两种可见光近红外波段，波段范围分别是400～1100nm和280～3500nm左右，验证这3种产品所用的地面观测仪器各有不同。可见光波段反照率的地面测量主要采用光合有效辐射测量仪，该仪器有效波段范围为400～700nm，分别测量地面目标向上半球空间的反射辐射和向下半球空间的太阳入射和天空散射辐射，取二者的比值得到可见光波段地表反照率。400～1100nm的反照率主要用相应波段的光量子仪观测，280～3500nm波段的反照率主要用相应波长的辐射计观测，也有將两个相同的辐射计背对背固定在一起，制成反照率表，便于安装和同时测量入射辐射和反射辐射。

除了宽波段的地表反照率，还有窄波段的地表反照率，这主要是由卫星传感器的波段设置决定的，目的是将传感器接收信号的波段避开大气干扰比较大的波长，以提高遥感观测数据的质量。因此，直接用遥感观测估算得到的地表反照率是窄波段的地表反照率。但是由于传统的地表反照率观测仪器都是宽波段的，目前还没有直接进行地面窄波段反照率观测的仪器，无法直接验证遥感估算结果是否正确。针对这一问题，我国遥感科学国家重点实验室研究人员在国家重点基础研究发展计划《复杂地表遥感信息动态特征分析与建模》项目支持下，研制了一种针对卫星传感器波段设置的窄波段地表反照率观测仪器，可以同时实现对不同遥感波段的窄波段反照率和常用的宽波段反照率的同步观测，并且可以进行固定地点的长时间序列观测，获取地表反照率的动态变化信息。

为保证地面观测时间与观测面积与卫星产品一致，一般将地面测量仪器架设在高塔上进行连续观测，用数据采集装置存储时间序列观测数据。根据传感器的有效视场角度和地表是否均一，可以计算得到最低仪器架设高度。在没有高塔的地区，也可以采用地面多点测量的方式得到像元尺度的地面真值。但这种移动的观测方式往往费时费力，不容易与遥感观测同步。

为了解决地表反照率遥感产品验证中的问题，满足全球气候变化研究需要，实现全球不同区域、不同地表类型的辐射机理探测和遥感产品验证，发展了一批地表辐射观测网络，包括地表辐射能量收支网（SURFRAD），基准地表辐射网（BSRN），陆地生态系统通量观测网（FLUXNET）等。其中以我国中国科学院生态系统研究网络为依托的中国陆地生态系统通量观测研究网络（ChinaFlux）是FLUXNET的重要組成部分，目前ChinaFlux已有100多个站點。课题也对多种地表类型目标做长时间序列观测并发布测量数据。

3 地表反照率遥感应用和发展前景

遥感卫星在全球范围的地表监测中具有无可比拟的优势，但也存在一些问题，比如遥感产品空间分辨率不够高、时间序列不够完整、复杂区域产品算法和精度有待改进等。现有的地表反照率产品的空间分辨率多是千米级的，随着区域和局地应用需求的不断细化，对遥感产品的空间分辨率提出了更高的要求，我国《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》确定将中国高分辨率对地观测系统作为重大专项之一，在此专项支撑下，发射了一批高空间分辨率遥感卫星。发展基于国产卫星数据的高级遥感产品估算方法将有效提高国产卫星应用能力，支持农业生态、资源环境、公共信息等应用。

遥感观测都是瞬时观测，受云等因素影响，经常会造成观测缺失和对地表变量的估算失败，从而导致产品时间序列不完整。因此依靠时间离散的遥感观测无法完整和连续地反映地表的时空演进过程，“十三五”国家重点基础研究计划项目《复杂地表遥感信息动态分析与建模》课题《遥感信息动态特征分析与时间尺度扩展》研究将遥感观测数据同化到陆面过程模型中，旨在生成时空连续的地表参数产品，满足全球生态环境动态监测和气候变化应用需求。

遥感卫星以像元为单位对地面进行扫描，遥感估算地表参数也是逐像元进行。受地形地貌和不同的地表覆盖类型影响，遥感观测的像元内很难是平坦均一的，而估算地表参数的物理和数学模型往往是针对某种地表类型发展起来的，当遥感观测的像元内部异质性较大时，模型是否适用还有待考究。尤其我国幅员辽阔、地形地貌复杂、地表覆盖类型多样，给地表参数遥感估计提出了更高的要求。“十三五”国家重点基础研究计划项目《复杂地表遥感信息动态分析与建模》就是重点针对复杂地表这一地面目标，开展遥感机理和建模研究，为陆表植被生态过程模型提供高精度、多尺度、立体、全覆盖、连续过程的植被和土壤遥感监测信息，服务于国家生态环境保护和履行国际环境公约等决策对高精度动态空间信息的需求。

随着遥感科学技术的发展，遥感数据产品应用的领域越来越广，从日常天气预报到全球的气候变化研究，从粮食估产到矿产资源开发，从城市扩展到灾害应急。未来遥感事业的发展，会向着更精、更广、更长的方向发展：精度更高、空间分辨率更精细；范围更广，从区域到全球多尺度覆盖；时间范围更长、更连续。只有这样才能满足国计、民生；生态、环境的多种需求，推动遥感数据的广泛应用，让卫星遥感数据为人类认知地球做出更大贡献。

参考文献

[1]梁顺林著.定量遥感：理念与算法[M].科学出版社，2013.

（作者单位：遥感科学国家重点实验室，北京师范大学地理科学学部，遥感科学与工程研究院）