基于卡尔曼滤波算法的时间序列中等空间分辨率地表短波反照率模拟研究

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地表反照率代表被下垫面吸收的辐射能量的量化值,包含进入地球表面的全部短波能量信息,准确的地表反照率反演是精准估计其他陆面参数的前提。要满足大范围、高精度、快速变化的地表信息遥感监测对高时空分辨率遥感数据的需求,使得获取高时空分辨率的地表反照率越来越有必要。本文提出一种通过融入卡尔曼滤波算法,有效的融合连续多期30m空间分辨率低时间分辨率和500m空间分辨率时序的地表短波反照率图像,从而获取30m分辨率的时序分辨率地表短波反照率数据集的方法。首先,利用进行预处理后的Landsat ETM+图像进行窄波段到宽波段转换,获得空间分辨率较高的30m短波带宽反照率。同时对MODIS数据的MCD43A3短波反照率产品以天空光比例因子为权重对其进行插值,从而获得空间分辨率500m的短波带宽反照率。继而,以MODIS产品季节趋势建立系列反照率变化的线性模型,引入卡尔曼滤波器,以实验区数据的变化统计规律确定相关参数。最终获得了2010年1月到10月以8天为间隔的时序30m地表短波反照率图像。主要研究结果如下:(1)经过卡尔曼滤波后的地表反照率预测值与同期Landsat所反演的地标反照率的残差平均值约为2%~3%,除个别期受云影响较大外R2均超过0.7。达到了陆面过程等气、生态模型对输入参数的要求。(2)实验区反照率产品整体平均值在13-20%之间,卡尔曼滤波模型预测的时序30m分辨率反照率数据很好地捕捉了MCD43A3数据的季节变化特征。(3)在空间上,地表反照率预测结果图像应在视觉上具有Landsat ETM+图像所呈现的细节特征,利用向前及向后的ETM+图像及MODIS时间趋势可以修补图像获取时受云层影响的部分数值。(4)卡尔曼滤波方法与时空适应性反射率融合模型(Spatial and Temporal Adaptive Reflectance Fusion Model,STARFM)相比,预测运算快,可同时运行预测一整年的时序数据,考虑了长时间序列反照率的变化规律,引入不确定因子。空间上,卡尔曼滤波算法避免了STARFM算法出现的细节斑块现象;时序上,卡尔曼滤波受Landsat数据缺失的限制更少。
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