复杂地形区地表短波净辐射遥感估算研究

Remote sensing has become an important data source for estimating net surface shortwave radiation (NSSR). The downward surface shortwave radiation (DSSR) and albedo are the main paramerers affecting NSSR accurate estimation. However, atmospheric effects, topography effects and surface directional reflectance properties lead to the large heterogeneity of NSSR in mountains. Combining with the satellite remote sensing, DEM and radiative transfer model is an effective means to estimate the NSSR in mountains areas. Comparing the NSSR models of home and abroad in rugged terrain, it is found that there still are some problems, such as lack of the comprehensive integration on atmospheric effects, topographic effects and surface anisotropy, and research on DEM scale effect. Therefore, this project will focus on: ⑴Using DEM, MODIS atmospheric water vapor and aerosol products, a model of DSSR considering synchronously the atmospheric and topographic effects will be proposed over complex terrain; ⑵By introducing the high-resolution DEM into the MODIS directional reflectance linear kernel driver model algorithm, a topography correction model of optical remote sensing images will be established by coupling combining the atmospheric effect, topographic effect and surface directional reflectance characteristics; ⑶We explore the surface net shortwave radiation sensitivity on DEM scale effects, and seek the best DEM spatial scale data for different scale of NSSR high-precision estimation.

遥感已成为地表短波净辐射（NSSR）估算的重要数据源，太阳短波入射辐射(DSSR)与地表反照率是影响NSSR精确估算的主要参量。然而，大气效应、地形效应及地表方向反射特性导致山区NSSR具有较强的空间异质性。卫星遥感、数字高程模型（DEM）与辐射传输模型结合，为复杂地形区NSSR估算提供了一种有效手段。纵观国内外山区NSSR估算模型，依然面临算法对大气效应、地形效应及地表各向异性综合集成较弱、DEM尺度效应缺乏系统研究等问题。因此，本项目重点研究：⑴利用DEM及卫星遥感水汽、气溶胶产品等大气产品，建立同步考虑大气效应与地形效应的复杂地形区太阳短波入射辐射模型；⑵将高分辨率DEM引入二向反射线性核驱动模型算法，建立大气效应、地形效应与地表二向反射特性集成的高分辨率遥感影像地形校正模型；⑶探究地表短波净辐射对DEM尺度效应敏感性，寻求不同尺度NSSR高精度估算的最佳DEM空间尺度数据。

地表短波净辐射NSSR反映了地表吸收太阳短波辐射的能力，是定量遥感、地表辐射平衡等研究的重要基础数据。遥感成为地表短波净辐射估算的重要手段，尽管多种全球尺度辐射收支产品已经免费发布，然而在于中小尺度，地形特征、大气环境以及地表各向异性反射特性交织在一起共同影响地表短波净辐射时空分布。相比通过建立卫星观测辐射亮度与地面站观测地表短波净辐射值之间的统计经验关系来推算地表短波净辐射的直接方法来说，由太阳短波辐射DSSR和地表反照率Albedo共同计算地表NSSR的分项估算方法更加适合复杂地形区。. 本项目研究的主要内容，就是基于高分辨率数字高程模型DEM数据以及山地辐射传输模型，利用多源遥感数据分别估算太阳短波辐射DSSR和地表Albedo，获得复杂地形区高精度地表短波净辐射数据。同时，利用多种空间尺度DEM数据，研究太阳短波辐射和地表Albedo对DEM数据的尺度敏感性特点。研究区主要分布在祁连山区大野口流域、老虎沟流域12号冰川、冰沟流域，以及中国天山中段。研究结果主要归结为以下几点：1）提出了一种基于MODIS产品和Landsat TM数据的山区地表晴空条件下NSSR估算方法。基于DEM数据，以MODIS水汽与气溶胶产品作为模型输入参数，将李新等的窄波段山区短波辐射传输方案与阳坤等的宽波段大气透模型进行耦合，同时考虑大气效应与地形效应获得山区地表短波净辐射时空分布数据。2）山区太阳短波辐射对DEM尺度敏感性分析研究。研究分析了DEM尺度与估算模型尺度的差异。3）基于Sentinel-2A/B的太阳短波辐射模型估算研究。将Sentinel-2A/B数据引入山区太阳短波辐射模型，提高了冰川等区域的太阳短波辐射估算精度。4）基于Sentinel-2A/B的地表反射率研究。对欧空局官方网站提供的Sen2Cor软件进行分析，在对其DEM数据、BRDF处理等默认设置进行修改基础上，实现了Sentinel-2A/B L1C产品的地形标准化处理，获得更高精度山区地表反照率数据。