基于GF-1WFV數(shù)據(jù)的16 m分辨率反照率產(chǎn)品算法與驗(yàn)證

陸彥蓉，李霞，楊凱祥，劉強(qiáng)，2，聞建光，李秀紅，2

1.北京師范大學(xué) 全球變化與地球系統(tǒng)科學(xué)研究院,北京 100875;

2.北京師范大學(xué) 遙感科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100875;

3.中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院,北京 100094

1 引言

地表反照率定義為地表對(duì)反射太陽輻射的通量與入射的太陽輻射通量的比值，量化了大氣與地表之間的輻射相互作用。它在陸地表面氣候、水文和生物圈模型中起著至關(guān)重要的作用（Dickinson，1983；Dirmeyer 和Shukla，1994）。隨著城市化進(jìn)程的加快，在對(duì)植被覆蓋、城市化、區(qū)域生態(tài)建設(shè)的研究中，都需要利用地表反照率作為指標(biāo)因子或驅(qū)動(dòng)因素（Liang等，2010）。

在不同的時(shí)空分辨率下，氣候、地球化學(xué)、水文和天氣預(yù)報(bào)模型都需要具有絕對(duì)精度為0.02—0.05 反射單位的地表反照率（Sellers 等，1994）。所以早期對(duì)于地表反照率就有研究，后續(xù)為了更好地服務(wù)于氣候科學(xué)與建模領(lǐng)域，研究學(xué)者已經(jīng)從運(yùn)行衛(wèi)星上生成了一致的高質(zhì)量全球陸地反照率數(shù)據(jù)集，但是監(jiān)測(cè)陸地表面需要高質(zhì)量高精度數(shù)據(jù)提供支持，所以高分辨率地表反照率需求也在快速增加。

近年來，極端天氣以及異常天氣逐漸增多，也同時(shí)促使在環(huán)境與氣候研究中對(duì)于高質(zhì)量的觀測(cè)數(shù)據(jù)提出了極大的需求，在此背景下，地表反照率產(chǎn)品得到了發(fā)展和較為廣泛的應(yīng)用。目前常用的全球范圍地表反照率數(shù)據(jù)集均為中等空間分辨率，例如美國(guó)發(fā)布的MODIS 地表反照率產(chǎn)品（MCD43 系列）、歐洲發(fā)布的全球地表反照率產(chǎn)品（GLOBALBEDO）（Lewis 等，2011），以及中國(guó)生產(chǎn)和發(fā)布的GLASS 反照率產(chǎn)品等。但是由于對(duì)反照率產(chǎn)品的應(yīng)用需求日益增長(zhǎng)，如在區(qū)域尺度的生態(tài)水文研究中，現(xiàn)有產(chǎn)品仍然存在著時(shí)空分辨率不足的問題，尤其是空間分辨率不足以支持不同領(lǐng)域的研究。

近年來高分辨率衛(wèi)星遙感技術(shù)迅速發(fā)展，中國(guó)也通過一系列高分衛(wèi)星獲取了大量的高分辨率遙感數(shù)據(jù)，但是由于高分辨率遙感數(shù)據(jù)缺乏多角度觀測(cè)信息，大部分傳感器的波段范圍也有限，目前主流的地表反照率定量遙感算法無法簡(jiǎn)單地應(yīng)用于高分辨率遙感數(shù)據(jù)，所以制約了反照率估算的精度。

許多研究學(xué)者及團(tuán)隊(duì)提出了不同的算法開發(fā)高分辨率地表反照率產(chǎn)品（Wang 等，2013；He 等，2018）。一類算法是在高分辨率反照率反演中結(jié)合中/低分辨率的遙感數(shù)據(jù)或BRDF 信息。Shuai 等（2014）提出一個(gè)算法是用MODIS 500 m 分辨率BRDF產(chǎn)品提供地表各向異性信息，利用30 m分辨率Landsat 地表反射率數(shù)據(jù)反演得到30 m 分辨率無雪反照率。該算法首先對(duì)Landsat 圖像進(jìn)行處理并聚合到500 m 分辨率；從MODIS 500 m 反照率產(chǎn)品MCD43A 中提取純像元的BRDF 參數(shù)，然后由提取的BRDF參數(shù)計(jì)算光譜反照率和反射率的比；最后由Landsat 地面反射率、BRDF 參數(shù)和30 m 分辨率Landsat 分類圖，計(jì)算黑、白空反照率及寬波段反照率。You 等（2015）提出了一種基于核驅(qū)動(dòng)模型的土地覆蓋線性BRDF 解混算法（LLBU），該算法將機(jī)載高光譜傳感器CASI的反射率與MODIS的日反射率產(chǎn)品相結(jié)合，通過對(duì)MODIS反射率進(jìn)行線性分解提取表征其各向異性的反射率分布函數(shù)，從CASI反射率中導(dǎo)出各向同性系數(shù)，聯(lián)合計(jì)算反照率。Gao 等（2014）對(duì)MODIS 反照率產(chǎn)品的AMBRALS算法進(jìn)行改進(jìn)，使算法可以考慮地形的影響，并且能夠用到從環(huán)境災(zāi)害監(jiān)測(cè)小衛(wèi)星HJ-1A/B CCD數(shù)據(jù)中反演的地表反照率。張虎等（2015）利用BRDF 原型和單方向反射率數(shù)據(jù)估算了地表反照率，研究以MODIS BRDF 產(chǎn)品統(tǒng)計(jì)得到的BRDF 原型為先驗(yàn)知識(shí)，結(jié)合高分辨率HJ-1 數(shù)據(jù)反演得到30 m 地表反照率，反演得到的反照率與地面實(shí)測(cè)反照率有較好的一致性。即使在中/低分辨率下，BRDF 估算也常常不穩(wěn)定，并且其尺度效應(yīng)非常復(fù)雜，這導(dǎo)致以上算法推廣應(yīng)用的困難。另一類算法是高分辨率數(shù)據(jù)直接與中低分辨率的反照率產(chǎn)品結(jié)合，例如He 等（2014）選擇北美大陸作為研究區(qū)域，使用多尺度樹融合3種不同尺度的反照率產(chǎn)品（MODIS 500 m 反照率產(chǎn)品，MISR 1.1 km 反照率產(chǎn)品和Landsat ETM+30 m 反照率產(chǎn)品），生成多尺度時(shí)空連續(xù)的反照率產(chǎn)品。但該算法忽略了低分辨率像元的空間響應(yīng)，且MODIS和MISR 反照率產(chǎn)品存在大量缺失，影響了高分辨率反照率產(chǎn)品的紋理的保真度。

本文提出相關(guān)算法將500 m分辨率GLASS反照率產(chǎn)品與16 m 分辨率高分一號(hào)反照率進(jìn)行融合，在保持GLASS 反照率產(chǎn)品絕對(duì)輻射精度的前提下提高了分辨率，豐富了細(xì)節(jié)紋理信息。由于該算法相對(duì)簡(jiǎn)單，且輸入的高分一號(hào)數(shù)據(jù)和GLASS 反照率產(chǎn)品均為中國(guó)公開發(fā)布數(shù)據(jù)，因此具有業(yè)務(wù)化生產(chǎn)16 m分辨率反照率產(chǎn)品的潛力。

2 實(shí)驗(yàn)區(qū)域與數(shù)據(jù)

2.1 黑河流域概況

黑河流域是中國(guó)西北地區(qū)第二大內(nèi)陸流域，位于歐亞大陸中部。全球獨(dú)特的以水為紐帶的“冰雪—凍土—森林—河流—湖泊—綠洲—荒漠”多元自然景觀，使黑河流域成為寒區(qū)和旱區(qū)生態(tài)、水文陸表過程研究的理想?yún)^(qū)域。黑河流域地表類型豐富，四季變化分明，為高分辨率產(chǎn)品研究提供了理想?yún)^(qū)域。

“黑河綜合遙感聯(lián)合試驗(yàn)”主要由中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所、中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院、北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部和中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院資源信息研究所組織實(shí)施，由中國(guó)科學(xué)院西部行動(dòng)計(jì)劃（二期）項(xiàng)目“黑河流域遙感—地面觀測(cè)同步試驗(yàn)與綜合模擬平臺(tái)建設(shè)”與國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973 計(jì)劃）項(xiàng)目“陸表生態(tài)環(huán)境要素主被動(dòng)遙感協(xié)同反演理論與方法”共同資助，是在流域尺度上開展的，以水循環(huán)及與之密切聯(lián)系的生態(tài)過程為主要研究對(duì)象的大型航空、衛(wèi)星遙感與地面同步觀測(cè)科學(xué)試驗(yàn)。總體目標(biāo)是為發(fā)展流域科學(xué)積累基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；發(fā)展能夠融合多源遙感觀測(cè)的流域尺度陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星遙感對(duì)流域的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)提供方法和范例；發(fā)展尺度轉(zhuǎn)換方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)地表生態(tài)和水文變量的主被動(dòng)遙感協(xié)同反演。

通過在黑河流域的遙感聯(lián)合試驗(yàn)，獲取了一套高質(zhì)量的、多尺度的、經(jīng)過規(guī)范化處理并發(fā)布共享的流域綜合數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集包括大量航空遙感、衛(wèi)星遙感、地基觀測(cè)等數(shù)據(jù)。通過運(yùn)用這些數(shù)據(jù)，研究學(xué)者已在水文氣象觀測(cè)、生物物理參數(shù)反演、積雪參數(shù)提取、尺度轉(zhuǎn)換等方面都取得了重要的成果，特別是在一些參數(shù)遙感反演方法、估算精度方面獲得重要進(jìn)展（李新 等，2012a，2012b）。黑河遙感實(shí)驗(yàn)也促進(jìn)了定量遙感的發(fā)展及其與陸地表層系統(tǒng)科學(xué)的深度結(jié)合（李新 等，2023）。黑河流域的觀測(cè)環(huán)境以及地面數(shù)據(jù)對(duì)于本算法的研究具有良好的代表性，故本研究選擇黑河流域?yàn)闇y(cè)試算法的研究區(qū)。圖1為研究區(qū)土地覆蓋圖。

圖1 黑河研究區(qū)土地覆蓋及站點(diǎn)Fig.1 Land cover and sites in Heihe research area

2.2 數(shù)據(jù)源介紹

2.2.1 高分?jǐn)?shù)據(jù)

GF-1 衛(wèi)星是中國(guó)第一顆作為“國(guó)家高分辨率地球觀測(cè)系統(tǒng)”發(fā)射的系列衛(wèi)星，主要用于陸地監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等，為地理測(cè)繪、海洋和氣候氣象觀測(cè)、水利和林業(yè)資源監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域提供數(shù)據(jù)支持。GF-1 衛(wèi)星搭載了兩臺(tái)2 m 分辨率全色/8 m 分辨率多光譜相機(jī)（PMS），4 臺(tái)16 m 分辨率多光譜中分辨率寬幅相機(jī)（WFV）。

GF1-WFV 傳感器幅寬高達(dá)800 km，其包含藍(lán)、綠、紅、近紅外等4個(gè)波段，重訪周期為兩天，空間分辨率為16 m，數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了高空間分辨率和高時(shí)間分辨率的完美結(jié)合。在2019年11月16日，中國(guó)國(guó)家航天局推出“高分衛(wèi)星16 m 數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)”，宣布正式將中國(guó)高分16 m數(shù)據(jù)對(duì)國(guó)外開放共享，國(guó)內(nèi)用戶可通過中國(guó)資源衛(wèi)星應(yīng)用中心網(wǎng)站進(jìn)行下載（http：//www.cresda.com/CN［/2021-03-15］），數(shù)據(jù)下載和使用服務(wù)方便。本文用GF1-WFV作為反演16 m反照率的主要數(shù)據(jù)源。

2.2.2 GLASS數(shù)據(jù)

500 m分辨率的GLASS反照率產(chǎn)品使以MODIS數(shù)據(jù)短波波段觀測(cè)數(shù)據(jù)為輸入。算法首先采用基于角度網(wǎng)格（Angular Bin）的直接反演算法對(duì)遙感觀測(cè)值進(jìn)行反演，獲得反照率初級(jí)產(chǎn)品，然后采用基于先驗(yàn)知識(shí)的時(shí)空濾波（Statistics based Temporal Filtering）算法進(jìn)一步加工處理得到最終產(chǎn)品（Liu等，2013；Qu等，2014；Liang等，2013）?；诘孛嬗^測(cè)資料的驗(yàn)證結(jié)果表明，GLASS 反照率產(chǎn)品精度與廣泛使用的MCD43 產(chǎn)品相當(dāng)，而且GLASS 反照率產(chǎn)品也具有時(shí)空連續(xù)無缺失的優(yōu)點(diǎn)，因此GLASS 總體質(zhì)量高，方便數(shù)據(jù)用戶使用（Liu 等，2013；王立釗 等，2014）。然而，500 m分辨率反照率不足以滿足區(qū)域尺度精細(xì)研究的需求，所以我們考慮使用GLASS 反照率數(shù)據(jù)產(chǎn)品作為均值信息，通過降尺度融合提高分辨率。

2.2.3 地面測(cè)量數(shù)據(jù)

“黑河綜合遙感聯(lián)合試驗(yàn)”獲取的站點(diǎn)短波輻射分量測(cè)量數(shù)據(jù)，可用于反照率產(chǎn)品的驗(yàn)證。本文選擇黑河上游和中游的8個(gè)站點(diǎn)（具體站點(diǎn)信息見表1）的上行和下行短波輻射數(shù)據(jù)，首先根據(jù)下行輻射異常小的一天為陰天的理論，設(shè)定閾值判斷天氣狀況。閾值的選取首先是根據(jù)輻射值與太陽天頂角余弦的比值進(jìn)行歸一化，從歸一化輻射值中統(tǒng)計(jì)出95%意義上的最大值，若其他歸一化輻射值小于最大值的75%，則認(rèn)為是陰天。剔除天氣狀況異常的數(shù)據(jù)后根據(jù)當(dāng)?shù)卣缜昂蟀胄r(shí)內(nèi)上、下行輻射的平均值計(jì)算正午反照率，用于反照率的驗(yàn)證。各站點(diǎn)周邊的均勻程度并不足以支持500 m 像元產(chǎn)品的驗(yàn)證，但各站點(diǎn)儀器架設(shè)高度所測(cè)量的面積（Siegel 和Howell，1992）與16 m像元的面積是基本匹配的，測(cè)量數(shù)據(jù)具有局部代表性，故可以直接進(jìn)行16 m 分辨率反照率產(chǎn)品的對(duì)比驗(yàn)證。

表1 研究使用的黑河流域觀測(cè)站點(diǎn)信息Table 1 Information of observation stations in the Heihe River Basin used in the study

3 反照率產(chǎn)品算法介紹

算法基本原理是將GF-1 WFV 傳感器16 m 分辨率圖像的紋理信息與500 m分辨率GLASS反照率產(chǎn)品的均值信息進(jìn)行定量的融合得到16 m 反照率產(chǎn)品，包括簡(jiǎn)化直接反演算法、降尺度融合算法兩個(gè)主要步驟，除此之外還包括簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)預(yù)處理過程。具體流程如圖2所示。

圖2 產(chǎn)品反演流程圖Fig.2 Flow chart of product inversion

3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

本文獲得的圖像是Level-1 產(chǎn)品，該產(chǎn)品是輻射校正后的大氣頂層輻射亮度，并附有一組有理多項(xiàng)式系數(shù)（RPC）以進(jìn)行幾何校正。預(yù)處理的第一步是根據(jù)RPC 將原始圖像轉(zhuǎn)換為UTM 投影，稱為幾何粗校正。幾何粗校正通常包含高達(dá)數(shù)十米甚至數(shù)百米的定位誤差。因此，處理的第二步是根據(jù)地面控制點(diǎn)進(jìn)行更精確的幾何校正，即幾何精校正。在山區(qū)需要進(jìn)行正射校正，也就是說，除了獲得精確的地面控制點(diǎn)外，還需要校正由地形引起的圖像局部變形。為此，采用分辨率為10 m并根據(jù)SRTM（Shuttle Radar Topography Mission）全球90 m DEM 產(chǎn)品進(jìn)行幾何正射校正的Sentinel-2-MSI（https：//scihub.copernicus.eu［/2021-03-15］）圖像來構(gòu)成研究區(qū)域的幾何校正底圖。這里使用我們團(tuán)隊(duì)開發(fā)的軟件，軟件采用區(qū)域分幅、并行計(jì)算、金字塔式最大相關(guān)匹配算法、校正函數(shù)、形變函數(shù)方法過程，自動(dòng)將GF-1WFV 圖像與底圖匹配，并根據(jù)SRTM90 m DEM 進(jìn)行正射校正。目視檢驗(yàn)是為了確保校正后的GF-1WFV 圖像與底圖之間的匹配度差在1.5 像素以內(nèi)，這是目視檢驗(yàn)不匹配的閾值。如果目視檢驗(yàn)失敗，則必須手動(dòng)剔除錯(cuò)誤的地面控制點(diǎn)并重做正射校正，直到滿足匹配要求。預(yù)處理的第三步是大氣校正，假定氣溶膠類型為大陸型，近地面的可視距離為30 km，使用6SV 代碼獲得大氣光學(xué)參數(shù)和校正公式將大氣層頂輻射亮度校正為地表反射率（Kotchenova 和Eric，2007；劉佳 等，2015）。

3.2 直接反演算法

直接反演算法是一種基于BRDF先驗(yàn)知識(shí)的地表寬波段反照率估計(jì)的半經(jīng)驗(yàn)方法。該算法早期由Liang 等（1999）；Liang（2003）提出并應(yīng)用于MODIS 數(shù)據(jù)估算地表反照率，但是，這兩項(xiàng)研究均未考慮陸地表面的各向異性。Liang 等（2005）進(jìn)一步改進(jìn)了它，建立了分角度格網(wǎng)的大氣層頂反射率與地表短波波段反照率之間的多元線性回歸關(guān)系，以便校正陸表反射的各向異性，并被用于估算格陵蘭冰蓋的每日陸地表面反照率。中國(guó)生產(chǎn)的GLASS 系列產(chǎn)品中直接反演算法（梁順林 等，2013）得到進(jìn)一步發(fā)展并用于生產(chǎn)反照率產(chǎn)品（Qu 等，2014）。該算法也被陸續(xù)運(yùn)用到了不同分辨率的遙感數(shù)據(jù)中，如Landsat數(shù)據(jù)（He等，2018）和中國(guó)的HJ-1CCD衛(wèi)星數(shù)據(jù)（He等，2015）。

本文也沿用直接反演算法（梁順林 等，2013）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，該算法的核心部分是推導(dǎo)出每個(gè)角元的經(jīng)驗(yàn)回歸系數(shù)的查找表，然后利用查找表中的經(jīng)驗(yàn)回歸系數(shù)計(jì)算黑、白空反照率。本文算法中與之前的區(qū)別就是根據(jù)GF 數(shù)據(jù)的波段設(shè)置和角度分布，生成了適合GF 數(shù)據(jù)的查找表。因?yàn)镚F-1WFV傳感器的波段范圍都在1 μm以內(nèi)，1 μm到3 μm的短波輻射范圍內(nèi)缺少觀測(cè)，再加上定標(biāo)和大氣校正中存在的不確定性，直接反演的反照率定量精度不高，在此僅把它作為初級(jí)產(chǎn)品。

3.3 融合算法

由于GF 數(shù)據(jù)生產(chǎn)的產(chǎn)品為初級(jí)產(chǎn)品，精度不高，而GLASS 反照率產(chǎn)品的絕對(duì)精度較高，只是分辨率低，所以我們考慮利用16 m 反照率初級(jí)產(chǎn)品中的紋理信息與GLASS 500 m反照率產(chǎn)品的均值信息進(jìn)行融合，得到最終的目標(biāo)產(chǎn)品，來提高產(chǎn)品的精度及分辨率。適用于不同空間分辨率定量產(chǎn)品融合的算法有基于小波變換的算法（Sundar 等，2017）、SFIM（基于亮度調(diào)節(jié)的平滑濾波）算法（李存軍 等，2004）以及最小二乘擬合（商榮 等，2015）等?？紤]到16 m 和500 m 反照率產(chǎn)品之間的尺度變換是一個(gè)空間采樣過程，而已有的融合算法往往對(duì)像元空間響應(yīng)函數(shù)缺少定量的描述和考慮，造成融合結(jié)果的過度銳化或過度平滑，因此本文提出了基于像元空間響應(yīng)的融合算法，以支持高分16 m和GLASS 500 m反照率的深度融合。

為了便于與500 m GLASS數(shù)據(jù)做融合，需要把16 m分辨率的反照率初級(jí)產(chǎn)品先聚合成為500 m分辨率反照率初級(jí)產(chǎn)品。在聚合過程中，考慮了像元的空間響應(yīng)函數(shù)，因此聚合公式為：

式中，Yi為500 m 分辨率反照率初級(jí)產(chǎn)品，i=1，…，m，yj為16 m 分辨率反照率初級(jí)產(chǎn)品，j=1，…，n，Ωi為低分辨率像元（500 m）的空間響應(yīng)函數(shù)確定的一個(gè)鄰域，wi，j為高分辨率像元（16 m）yj在Yi中占的權(quán)重。這里參考彭菁菁等（2015）的研究，采用高斯橢圓函數(shù)來模擬反照率產(chǎn)品的空間響應(yīng)函數(shù)，其空間響應(yīng)函數(shù)如下：

式中，σ為高斯函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差，取值為375 m。

記降尺度融合結(jié)果的16 m 分辨率反照率為：zj，j=1，…，n。期望它能夠滿足以下兩個(gè)特性：

（1）16 m 分辨率反照率融合結(jié)果應(yīng)盡可能接近500 m 的時(shí)空濾波反照率，因此得到反映均值信息第一組方程為（式（3））：

式中，Xi為500 m 分辨率GLASS反照率產(chǎn)品，Ωi為第i個(gè)500 m 像元的空間響應(yīng)范圍確定的鄰域，z為16 m分辨率反照率。

（2）16 m分辨率融合結(jié)果的紋理盡量接近16 m分辨率初級(jí)產(chǎn)品的紋理，因此得到反映紋理信息的第二組方程（式（4））：

式中，ε1和ε2分別為均值和紋理信息的不確定因素。

要在嚴(yán)格意義上求解這兩組方程，一般來說需要構(gòu)造代價(jià)函數(shù)，用迭代優(yōu)化方法使ε1和ε2極小化，估算最優(yōu)的融合結(jié)果，其計(jì)算量非常大。尤其是在低分辨率像元空間響應(yīng)函數(shù)有重疊的情況下，每一個(gè)高分辨率像元都會(huì)關(guān)聯(lián)到多個(gè)低分辨率像元，因此對(duì)每一個(gè)高分辨率像元反照率的估算都需要考慮到鄰域內(nèi)多個(gè)低分辨率像元的綜合影響，這使得求解過程成為復(fù)雜的全局優(yōu)化問題，在工程上難以實(shí)現(xiàn)。

因此，本文采用一種簡(jiǎn)單直觀的近似解法，認(rèn)為GLASS 反照率與降低分辨率的初級(jí)產(chǎn)品的差值就是初級(jí)產(chǎn)品需要的修正量，然后對(duì)領(lǐng)域內(nèi)不同低分辨率像元的修正量進(jìn)行加權(quán)平均，用于修正領(lǐng)域中心點(diǎn)的高分辨率像元，簡(jiǎn)化算法過程，將綜合影響盡可能縮小，如下式（式（5））：

式中，zj為最優(yōu)估算融合結(jié)果，為所有對(duì)第j個(gè)16 m像元有響應(yīng)的500 m像元構(gòu)成的鄰域。

根據(jù)數(shù)值模擬試驗(yàn)的結(jié)果，這種簡(jiǎn)單直觀解法獲得的圖像是迭代優(yōu)化方法獲得圖像的很好的近似，同時(shí)也將計(jì)算量盡可能的縮小，更具有可行性，所以我們?cè)谏a(chǎn)16 m 產(chǎn)品時(shí)使用式（5）計(jì)算。

4 產(chǎn)品驗(yàn)證與分析

4.1 實(shí)驗(yàn)區(qū)的16 m分辨率反照率產(chǎn)品生產(chǎn)及效果

選取黑河上游與中游2016 年—2017 年兩年的500 m 分辨率GLASS 反照率產(chǎn)品和16 m 分辨率高分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行融合反演，得到16 m 反照率產(chǎn)品，并結(jié)合8個(gè)站點(diǎn)地面測(cè)量值進(jìn)行驗(yàn)證。

為了直觀說明16 m 分辨率反照率產(chǎn)品的效果，我們選擇甘肅張掖市南荒漠地區(qū)2016年10月18日的500 m 分辨率GLASS 反照率產(chǎn)品與生產(chǎn)的16 m反照率產(chǎn)品作對(duì)比（圖3）。圖3（a）是張掖市光伏產(chǎn)業(yè)園實(shí)況圖（圖片出自新華網(wǎng)新聞無人機(jī)隊(duì)）。張掖市位于河西走廊中部，太陽能資源豐富，近幾年張掖市大力開發(fā)清潔型新能源，建成了南荒漠上規(guī)模較大的光伏產(chǎn)業(yè)園，藍(lán)色太陽能板成了戈壁灘上的一道風(fēng)景。但是光伏發(fā)電改變地表的能量分配，其潛在的氣候和生態(tài)效應(yīng)需要深入研究。圖3（b）是GF-1 假彩色合成影像上光伏產(chǎn)業(yè)園的位置，產(chǎn)業(yè)園離黑河遙感站較近。圖3（c）是光伏產(chǎn)業(yè)園周邊的500 m 分辨率GLASS 反照率產(chǎn)品，中間區(qū)域的藍(lán)色橢圓圈出了光伏產(chǎn)業(yè)園的大致位置，可以看出光伏產(chǎn)業(yè)園的地表反照率低于周邊的地表。由于空間分辨率較低，地面上壯觀的人類工程在圖像上退化為一個(gè)個(gè)馬賽克，因此500 m 分辨率產(chǎn)品在研究人類活動(dòng)對(duì)環(huán)境的影響時(shí)顯得不足。圖3（d）是同樣區(qū)域的16 m 反照率產(chǎn)品，其信息量遠(yuǎn)高于500 m 反照率產(chǎn)品，圖中光伏產(chǎn)業(yè)園位置清晰可見，從圖3 中也可以看到園區(qū)反照率較低既有太陽能電池板的貢獻(xiàn)，也有該區(qū)域荒漠土壤本身就比較暗的結(jié)果。另外我們看到16 m 反照率產(chǎn)品值的變化范圍和趨勢(shì)與GLASS 反照率產(chǎn)品一致，算法的這個(gè)特性能夠保證我們?cè)诓煌叨鹊哪芰科交芯恐蝎@得一致的結(jié)果。

圖3 甘肅張掖市光伏產(chǎn)業(yè)園區(qū)的不同分辨率的圖像Fig.3 Different resolution images of the Photovoltaic industrial park in Zhangye，Gansul

4.2 基于地面測(cè)量數(shù)據(jù)的驗(yàn)證

以選定研究區(qū)內(nèi)的8個(gè)站點(diǎn)的實(shí)測(cè)反照率為基準(zhǔn)，與反演結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證最終反照率的精度。剔除缺失和受降水影響的地面數(shù)據(jù)，以年為單位做實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和遙感反演結(jié)果的時(shí)間序列圖，如圖4展示了埡口和張掖濕地站的結(jié)果，結(jié)合站點(diǎn)2016 年與2017 年結(jié)果，總體來說，在夏季融合反照率與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)有較好的一致性，且融合反照率比初級(jí)反照率更加貼合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。由此可以看出，融合的結(jié)果比較理想，在初級(jí)反照率的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高了反演反照率的精度。但是，在春冬兩季埡口、阿柔、大沙龍、景陽嶺4個(gè)站點(diǎn)地面觀測(cè)值波動(dòng)較大，同時(shí)也出現(xiàn)個(gè)別初級(jí)反照率比融合反照率更接近地面實(shí)測(cè)值的情況，如圖4（a）—（d）所示。這是由于這4個(gè)站點(diǎn)海拔較高，冬季積雪導(dǎo)致反照率出現(xiàn)大幅度的波動(dòng)和異常高值。

圖4 研究站點(diǎn)反照率實(shí)測(cè)值時(shí)間序列與反演反照率對(duì)比圖Fig.4 comparison of the time series of measured albedo values at the research site and the inverted albedo

將選定的8 個(gè)站點(diǎn)2016 年—2017 年的數(shù)據(jù)做匯總，剔除掉其中數(shù)據(jù)缺失和受積雪、降水影響的數(shù)據(jù)，即反照率大于1 的數(shù)據(jù)或小于0 的數(shù)據(jù)。制作融合反照率、初級(jí)反照率與地面反照率散點(diǎn)圖。驗(yàn)證結(jié)果顯示，圖5（a）散點(diǎn)圖中的散點(diǎn)分布密集，均方根誤差RMSE 為0.02439，R2為0.7028；圖5（b）中散點(diǎn)較分散，RMSE 為0.05135，R2為0.1924。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，融合反照率結(jié)果與地面實(shí)測(cè)值具有較好的一致性，而初級(jí)反照率結(jié)果與地面實(shí)測(cè)值的一致性較差。

圖5 2016年份—2017年站點(diǎn)反照率散點(diǎn)圖Fig.5 Site albedo scatter plot in 2016 and 2017

4.3 誤差影響因素分析

在我們所提出的算法流程中，GF-1 WFV 數(shù)據(jù)的定標(biāo)和大氣校正的不確定性將影響初級(jí)反照率的估算，但對(duì)最終的融合結(jié)果幾乎沒有影響。為了進(jìn)一步分析16 m 分辨率融合反照率產(chǎn)品誤差的原因，對(duì)選定研究站點(diǎn)的GLASS 500 m反照率時(shí)間序列與地面觀測(cè)反照率進(jìn)行對(duì)比。從時(shí)間序列圖（圖6）可看出，高海拔站點(diǎn)（埡口站）反照率在春冬兩季變化激烈，反映了高海拔地區(qū)冬季的反復(fù)降雪、融化過程；GLASS 反照率因?yàn)槭菚r(shí)間序列濾波的產(chǎn)品，其實(shí)際時(shí)間分辨率較低，序列平滑，所以在春冬兩季有較大不確定性。與高海拔站點(diǎn)相比，海拔較低的站點(diǎn)（張掖濕地站）時(shí)間序列變化平穩(wěn)，與GLASS 反照率更為一致。另外，從臺(tái)站觀測(cè)反照率曲線的波動(dòng)程度可以看出，地面反照率波動(dòng)大的時(shí)段GLASS 反照率產(chǎn)品的誤差偏大，這是因?yàn)榕_(tái)站觀測(cè)反照率的波動(dòng)往往是云雨等天氣過程造成的，而云雨等天氣影響了遙感數(shù)據(jù)的獲取，在GLASS 產(chǎn)品中如果晴空遙感觀測(cè)數(shù)據(jù)不足，則產(chǎn)品值為時(shí)空濾波的填充值，被標(biāo)記為低質(zhì)量產(chǎn)品。而融合的反照率也表現(xiàn)出對(duì)GLASS 反照率的依賴性。需要說明的是這里把地面站點(diǎn)觀測(cè)與低分辨率的遙感產(chǎn)品簡(jiǎn)單對(duì)比，未進(jìn)行尺度匹配，所以并不能作為GLASS 反照率產(chǎn)品精度驗(yàn)證，僅用于分析16 m 反照率融合產(chǎn)品的誤差原因。

圖6 研究站點(diǎn)GLASS500 m反照率與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)間序列圖Fig.6 Time series diagram of the 500 m resolution GLASS albedo and measured albedo at research site

以上分析表明，積雪對(duì)驗(yàn)證精度影響很大。16 m 分照率融合產(chǎn)品的精度很大程度上是由GLASS 反照率產(chǎn)品決定的，地面有雪覆蓋時(shí)GLASS 反照率產(chǎn)品不確定性較大，就可能出現(xiàn)初級(jí)反照率比融合反照率更接近實(shí)測(cè)值的情況。另外，云對(duì)驗(yàn)證精度也會(huì)產(chǎn)生影響，在驗(yàn)證中盡可能取晴天數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，但在高海拔地區(qū)云的干擾有時(shí)難以避免，云的干擾會(huì)使數(shù)據(jù)出現(xiàn)缺失或異常情況。

5 結(jié)論

本文提出了基于GF-1WFV數(shù)據(jù)的16 m反照率產(chǎn)品算法，算法將高分?jǐn)?shù)據(jù)16 m 分辨率的紋理信息與500 m分辨率GLASS反照率產(chǎn)品的均值信息進(jìn)行定量的融合得到16 m 反照率。有效結(jié)合GLASS反照率產(chǎn)品輻射精度高和高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)空間分辨率高的優(yōu)勢(shì)，主要結(jié)論與創(chuàng)新有：

（1）結(jié)合直接反演算法與降尺度融合算法反演了16 m 反照率產(chǎn)品，其具有與500 m 分辨率的GLASS 反照率產(chǎn)品取值范圍和趨勢(shì)一致的特點(diǎn)。算法流程簡(jiǎn)單，效果穩(wěn)定，可快速生成高質(zhì)量、高精度的16 m分辨率反照率產(chǎn)品。

（2）通過地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)16 m 分辨率反照率與實(shí)測(cè)反照率有較好的一致性，且在無雪季節(jié)融合反照率比初級(jí)反照率更接近實(shí)測(cè)值，在有雪季節(jié)融合產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)不明顯。

（3）通過在張掖市光伏產(chǎn)業(yè)園區(qū)域的對(duì)比可知，最終16 m反照率產(chǎn)品空間分辨率遠(yuǎn)高于GLASS 500 m反照率產(chǎn)品，影像效果更佳。最終16 m反照率產(chǎn)品也更適用于研究人類活動(dòng)對(duì)環(huán)境的影響。

本文所得到的16 m 反照率產(chǎn)品與500 m 分辨率GLASS 反照率產(chǎn)品能保持一致性，而且具有更高的分辨率和精度，是局部區(qū)域環(huán)境研究的友好數(shù)據(jù)源。由于研究時(shí)間、研究數(shù)據(jù)下載、研究區(qū)天氣、海拔等問題，地面數(shù)據(jù)存在缺失或有無效數(shù)據(jù)后續(xù)研究中，要加強(qiáng)反照率產(chǎn)品在積雪區(qū)域的研究，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，并進(jìn)行更為嚴(yán)密和全面的精度驗(yàn)證和分析。