科尔沁沙地反射特性及AVHRR资料修正研究

摘要研究选取1992—1998年白天NOAA-AVHRR 71条轨道资料，在科尔沁沙地上位于裸露沙占50%以上流动沙丘为主，且连片分布的严重的沙漠化地点，选择26点进行统计分析。结果表明：NDVI、DVI、RVI的周年变化呈水平直线，第1、2通道反照率周年波动很小，年际差异不明显；来自NOAA-11和NOAA-14的1、2通道反照率值有明显差异；在与之毗邻的地区选取8个不同类型植被的区域，发现沙地与植被覆盖区2通道波动有明显相关关系。根据沙地下垫面变化较小的特征，对AVHRR 数据进行了修正，增加了可比较性。

关键词科尔沁沙地；反射特性；NOAA卫星；AVHRR；反照率；修正

中图分类号P407文献标识码A文章编号 1007-5739（2011）11-0309-03

ResearchonReflectanceCharacteristicsofHorqinSandyLandandAVHRRDataCorrection

ZHANG Xiao-yueLI Guo-chun

（Shenyang Agricultural University，Shenyang Liaoning 110866）

AbstractIn the research，71 orbit NOAA-AVHRR data form 1992 to 1998 were chosen. In place where bare sand over 50% of the main dune sand of horqin and serious desertification area，26 points were selected for statistical analysis. The results showed that the annual change of NDVI，DVI，RVI showed a straight line； the albedo"s annual fluctuate of the first and the second band was small；there was no significant difference between annual. There was an obvious difference of the albedo values from the first and the second band of NOAA-11 and NOAA-14. In the adjacent area，eight different vegetation types were selected，and the fluctuate between the two bands and the sand area and vegetation covered area had an significant relationship. According to the characteristics" small change of the sand underlying，AVHRR data was corrected and the comparability was increased.

Key wordshorqin sandy；reflectance characteristics；NOAA；AVHRR；albedo；correction

早期的不同系列气象卫星或同系列不同卫星数据间多存在定标差异，这些历史资料在生态、气候等领域仍发挥着重要作用。由地物目标属性发生变化所造成卫星探测数据的变化是人们在对其监测时所需要的。除此之外，还有其他原因造成的数据变化，是人们不需要的，作为“误差”混合在一起，使用时应加以滤除或限制，以便较真实地了解地物目标属性变化情况。

NOAA卫星AVHRR资料有较大摆动，造成NOAA-AVHRR资料不均一性原因较复杂。如NOAA卫星星下点轨迹线有大约9.5 d的摆动周期，造成同样的地物目标由于视角不同，所对应的像元尺寸大小不等，与之对应的1、2通道反照率会有差异；由于同样原因，卫星每天过境的时间不同，不同的太阳天顶角使1、2通道反照率不同；传感器、目标物和太阳三者之间的相互位置关系不同，在前向和后向散射间产生差异；地面目标物的非朗伯体性质也同样会造成反照率的差异；在进行长年代资料应用分析时，由于卫星寿命的限制，所用资料可能来自不同星上传感器，其数据之间也可能存在差异；或由于卫星资料处理不一致、定位不准、不同的订正或重采样方法，也可能引入人为造成的差异等。

有些地物目标的反射性质相对稳定，如大面积的沙地、水体等，卫星在不同条件下对其进行观测时，理论上应该得到相同或基本相同的观测值，而实际得到的卫星资料可能仍然存在较大的变化，这些变化很大一部分来自大气，还有一些由于双向反射特性、混合像元位置偏移等造成，虽然理论上这些都可以纠正，但实际上实现非常复杂。

严格来讲，沙地的属性并非一成不变。沙丘流动，沙丘有一定的高度，有非朗伯体性质的影响，降水对沙地辐射特性有影响；另外，沙地上还存在稀疏植被，与其他地物相比，其物理形态比较简单，由起伏不平（或平坦）的均匀的细砂颗粒组成，可看作均匀介质。事实上，人们经常应用地物属性均匀稳定的沙石颗粒场地对卫星传感器进行校正[1-2]。

科尔沁沙地位于东北平原西部，散布于西辽河下游干支流沿岸的冲击平原上，北部有部分在冲击—洪积台地平原上，隶属内蒙哲里木盟和赤峰市，总面积约423万km²，I类严重沙化地区[3]连片分布、颗粒细小、色白、均匀、面积大，仅有稀疏植被，年际之间变化小，是对NOAA-AVHRR资料进行比较订正的理想场地。鉴于科尔沁沙地与东北平原的毗邻关系，研究其与AVHRR数据1、2通道反照率的关系对辽宁中西部植被状况的分析具有一定的借鉴作用。

大气状态不同是AVHRR资料日际间差异的重要来源之一，同一幅图像的不同部位，其大气效应是不相同的，严格来讲，每一个像元的大气效应都不同，而通过理论的方法获得辐射在大气中传输的实际衰减在实际应用当中较难实现。考虑到在有限的区域内大范围的相同天气背景条件下同一时刻的像元点之间的大气效应的差异，要比日际间大气效应差异小，研究中用大样本的统计特征，分离不同太阳高度和不同卫星所造成的差异，尝试用地面目标物相对稳定的已知地面点（沙地）近似估算由于大气效应引起AVHRR数据日际波动部分，并用其对与之毗邻的农田及其他植被的1、2通道值进行修正，减小其日际波动，使不同的AVHRR资料具有较好的可比性，用于作物长势的监测和估产。

1材料与方法

1.1AVHRR资料

NOAA-AVHRR资料选自1992—1998年白天NOAA-11和NOAA-14共71条轨道资料。其中NOAA-11为31条，NOAA-14为40条。时段分布在4—10月，其中1995年、1998年由于资料获取方面的原因入选资料较少（各1条轨道）。资料分布月份以4月、5月和9月较多，6—8月由于云的覆盖等原因，资料相对较少。入选资料平均太阳天顶角在23.0~68.5°。卫星地面仰角在32.26~90.00°，不同尺寸像元面比达1.0∶2.6。在太阳、沙地和卫星位置关系上，前向反射资料53条，后向反射资料18条。

1.2地面点的选取

根据内蒙古科尔沁地区沙漠化现状图，选取连片分布的（水平范围3 km以上）严重沙漠化地区，流动沙丘占绝对优势并以密集连片方式分布地点。选取晴朗无云、角度较好的AVHRR资料数张，选1、2通道值高且亮温较高的地点进行对比分析，选中26个沙地地点，具体见表1。并在邻近选取连片分布的混栽旱作农田、人工林地和沼泽地等8个地点进行对比分析，具体见表2。

由于沙丘流动性大，年际之间有变化，有些在沙漠化现状图标明为大面积沙化的地区的地点在AVHRR资料上已没有明显沙地的特征，故舍弃不用；同时增加了一些明显为大片沙地的点，在1992—1998年，已选顶定为沙地而性质又发生变化的点舍掉不用，不再增加新的点。

1.3AVHRR资料的处理

1.3.1不同卫星AVHRR资料的订正。来自NOAA-11和NOAA-14的AVHRR 1、2通道资料有明显差异[4]。自2颗卫星选取13对共26条轨道资料，每对轨道资料在沙地的平均太阳天顶角相差在2°以内，不进行太阳高度订正，去掉有云和已经舍弃的点，统计结果见表3。由表3可知，NOAA-14在1、2通道的反照率均比NOAA-11低，1通道为NOAA-11的89.30%，2通道仅为NOAA-11的78.83%。2通道值低的多而1通道值低的较少将导致计算出比NOAA-11低的植被指数，使2个卫星的数据无法比较，必须加以订正。在本文中，均使用上述统计结果将NOAA-14沙地1、2通道资料订正到NOAA-11的水平。其他不同属性的地物目标的订正暂时参考沙地的订正使用，其可信程度有待进一步验证。

1.3.2太阳高度订正。太阳天顶角波动范围在23.0~68.5°，能引起资料的波动较大，需加以纠正。使用公式y=x/cosθ，y为订正后值，x是订正前值，θ为太阳天顶角。NOAA-11和NOAA-14资料经太阳高度订正前后的比较情况见表4。普遍认为采用这样的订正方法当太阳天顶角较大时会得到异常大的订正值，产生数据失真[5]。经统计发现在沙地当太阳天顶角已经达60°以上时，AVHRR 1、2通道数据与太阳天顶角的余弦仍有较好的线性关系。故认为采取这样的订正方法在沙地是可行的。这可能和沙地有较均匀的散射特性有关，其他地物上是否也具有这样的线性关系有待进一步验证。

1.3.3几何校正和配准。按等经纬度网格投影，按实际像元大小反演图像，这样处理出的图像越向扫描线两侧像元越扁长。将所关心区域的图像按原来像元的形状“放大”，用已知地物的矢量数据（如河流）与其进行匹配，由于本文所涉及范围仅2~3个经纬度，范围较小，仅平移就可以满足实际精度要求。

1.3.4数据的提取。在经重采样后数据反演的图像上，根据所选定的地面点的位置，交互式选取数据。这样做的目的：一是确定此点是否为云、云的阴影或已经不是沙地，将这样的点去掉；二是如果定位位置有偏差或大面积沙丘移动已偏离原来位置，手工进行位置的修正。

2结果与分析

2.1科尔沁沙地AVHRR资料的年变化

科尔沁沙地1、2通道全年平均值为27.49%和31.56%，维持在较高水平，说明沙地对可见光和近红外反射较强。4—10月1、2通道值和植被指数见表5。由表5可知，1、2通道值和各种植被指数全年变化幅度很小。夏季各植被指数不但没有增高，反而略有减小，可能和夏季大气状况和降水较多有关，说明所选地面点植被非常稀疏，可以近似认为是均匀的沙地。

2.2科尔沁沙地AVHRR资料的年际差异

科尔沁沙地所选地面点1、2通道和各种植被指数的年际变化情况见表6。由表6可知，1992年、1993年和1994年的1、2通道值及植被指数变化不大，说明沙地的性质在年际之间无明显改变。1996年、1997年1、2通道值明显较小，而科尔沁沙地的辐射特性年际之间不会产生如此大的变动，注意到上述数据分别来自NOAA-11和NOAA-14，可以认为是由于所使用卫星的不连续所造成的。将NOAA-14数据订正到NOAA-11的水平上，其结果见表7。订正后2颗卫星数据表现出较好的一致性。沙地1、2通道反照率年际之间无明显变化，也反映出对2颗卫星数据采用这样的订正方法是合理的。

2.3植被覆盖地点１、2通道反照率的太阳高度和卫星之间的订正

NOAA-11和NOAA-14在植被上的数据虽然有周年变化，但用太阳天顶角次序排列打乱了这种周年变化。未经太阳高度订正的数据随太阳天顶角的增加明显变小，经订正后，除NOAA-14 1通道外，均能获得比较平稳的序列。说明在植被上，用除以太阳天顶角余弦进行订正的方法是可行的。经太阳订正后NOAA-11和NOAA-14的1、2通道均值的比较见表8。

由表8可知，在有植被的地点，NOAA-14与NOAA-11在2通道的比为0.784 4，与在沙地的比值0.788 3非常接近，可以在植被上使用沙地上得到的结果对2通道进行不同卫星之间均一化的订正。2颗卫星1通道平均值的比为0.797 1，比沙地的0.893 0要小。1通道值是随植被量的增加减少的，强的大气散射作用可能使1通道值增加。又由于NOAA-11平均太阳天顶角较大，因此在植被上，对NOAA-11 1通道除以太阳天顶角的余弦可能对误差进行了放大。因此，在本文仍然使用在沙地上得到的结果对NOAA-14 1通道数据进行修正。经太阳高度订正和卫星之间订正的结果见表9。订正后离散程度有所收敛。

3结论与讨论

科尔沁沙地全年对NOAA卫星1、2通道反射均匀稳定，年际之间无明显差异。可用于对邻近地点的资料进行对比修正。与NOAA-11相比，NOAA-14无论1、2通道反照率均偏小，计算得到的植被指数也偏小。在沙地上，经统计NOAA-14的1、2通道反照率分别为NOAA-11的89.30%和78.83%。植被上2颗卫星2通道比值与沙地非常接近，1通道比值与沙地比较NOAA-14的值相对更小。卫星之间数据的不一致性所造成的系统误差比植被年际之间不同所形成的差异要大。使用时必须加以订正。不同太阳高度角对NOAA卫星1、2通道数据有较大影响，使用时必须加以订正，使用除以太阳天顶角余弦的订正方法可以满足订正的要求，即使太阳天顶角达60°以上时仍未发现有数据失真。沙地2通道数据摆动与植被2通道摆动有很好的相关性，可以应用沙地2通道订正结果对植被2通道数据进行修正，并使其摆动限制在较小的水平[6]。植被1通道数据摆动与沙地1通道数据摆动明显不相关。其规律有待进一步研究。

4参考文献

[1] KAUFMAN Y J，HOLBEN B N.Calibration of the AVHRR visible and near-IR bands by atmospheric，ocean glint and desert reflection[J].REMOTE SENSING，1993，14（1）：21-52.

[2] 何积泰，陆亦怀.敦煌辐射校正场方向反射特性测量与评价[J].遥感学报，1997，1（4）：246-251.

[3] 额尔敦.内蒙古国土资源地图集[M].呼和浩特：内蒙古人民出版社，1987.

[4] 郭妮，倾继祖.NOAA卫星沙尘暴光谱特征分析及信息提取研究[J].高原气象，2004，23（5）：643-647.

[5] 王开存，陈长和，郭妮.用NOAA/AVHRR探测地表反射率和NDVI的订正及误差分析[J].应用气象学报，2003，14（2）：165-175.

[6] 陈乾，郭铌.NOAA-9与NOAA-10的AVHRR通道1、2反射率的对比和定标[J].应用气象学报，1992，3（3）：367-370.

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文

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