论文总字数：17849字
目 录
摘要 2
Abstract 3
1 引言 4
2 模型与数据 5
2.1 渐近式辐射传输模型计算雪面反射率 5
2.2 数据采集 7
2.2.1 研究区概况 7
2.2.2 积雪光谱测量 8
3 结果与分析 8
3.1 积雪光谱特性 8
3.2 数据处理 9
3.2.1 不同积雪类型对雪面反射率的影响 9
3.2.2 积雪表面覆盖率对雪面反射率的影响 10
3.2.3 积雪表面粗糙度对雪面反射率的影响 11
3.2.4 不同地物类型对雪面反射率的影响 11
3.2.5 污化雪对雪面反射率的影响 12
3.3 ART模型精度验证 12
3.3.1 在下垫面为农田的环境中检验ART模型 13
3.3.2 在下垫面为裸土的环境中检验ART模型 14
3.3.3 在下垫面为草地的环境中检验ART模型 15
3.3.4 误差分析 17
4 结论 17
参考文献 18
致谢 20
雪面反射光谱的计算与验证
解文进
，China
Abstract：Snow has been regarded as an important physical factor in China's short-term climate prediction, which is an important factor affecting the ecological environment in Western China. The influence of winter snow reflectance effect on climate plays a main role. At present, the remote sensing technology has become the important means of large area monitoring and estimation of snow. This paper Manas River Basin as the study area, focusing on the use of Asymptotic Radiative transfer Theory (ART) on the snow surface reflectance is calculated, in order to verify the reliability and validity of the model. on the basis of analyzing the high and cold altitude snow reflectance variation characteristics, comparative analysis of measured and calculated values of snow reflectance under different underlying surfaces. Examined separately reflection curve in snow-covered fields, bare soil, grass and dirt of snow environment, the results show that the snow reflectance mainly influenced by environment and pollution in visible light band, in 1000~1400nm band mainly influenced by snow grains shape, light is absorbed by snow cause a large valley in 1500nm, which is influenced by moisture and noise in the vicinity of 1800nm, causing the model has a certain deviation, but the deviation is controlled within the range of accuracy of 0.2, and the ART model is suitable for calculating the area of snow reflectance.
Key words：Snow; Snow reflectance; Asymptotic Radiative transfer Theory(ART)
1 引言
雪面反照率是全球地表辐射与能量平衡、全球变化研究中的一个重要参数，是衡量地表能量收支的重要指标[1]。积雪是地球表面最为活跃的自然要素之一，其特征（如积雪面积、积雪分布、雪深等）是全球能量平衡、气候、水文以及生态模型中的重要输入参数[2]。就全球和大陆尺度范畴而言，大范围积雪影响气候的变化、地表辐射平衡与能量交换、水资源的利用等；就局部和流域范畴而言，积雪影响天气、工农业和生活用水资源、环境、寒区工程等一系列与人类活动有关的要素[3]。积雪在干旱区的水分平衡中发挥着极为重要的作用[4]。由于雪在可见光波段的高反射率作用，积雪已成为全球辐射平衡的重要决定因子[5]。因此，对积雪面反射光谱的研究显得极为重要，积雪的光谱特性以及积雪的污染程度、粒子形状和所处环境都会对研究产生重要影响，它不仅是对气候环境的影响，而且与人类生活息息相关[6]。
遥感技术以其宏观、快速、周期性、多尺度、多层次、多谱段、多时相等优势，在积雪动态监测中发挥着重要作用，它能以一种比较高的时空分辨率对全球的雪盖进行反复观测[7]。不仅比陆地常规观测更加及时有效的获得大范围乃至全球的积雪覆盖信息，而且有能力监测到更多的雪盖信息，例如雪深、雪水当量、积雪状态（是否出现融化）、积雪反照率以及雪盖下面的地表状态，弥补了常规观测资料水平分辨率较低以及投入较大等不足，对积雪遥感发展与雪面反照率、流域水资源管理、局地/全球气候变化等众多研究领域具有重要意义[8]。在过去的对积雪研究历史中，利用遥感技术进行积雪监测领域已经取得一系列重大的成果，如Landsat和SPOT[9]、AVHRR(Advanced Very High Resolution Radiometer)、VEG-ETATIONV(Moderate Reslution Imaging Spectroradimeter)、MODIS等积雪产品，而雪面反照率是全球地表辐射与能量平衡、全球变化研究中的一个重要参数，是衡量地表能量收支的重要指标，其微小变化均可造成冰盖表面能量通量的强烈波动[10]；雪面反照率受环境影响变化很快，具有明显的时空差异特性[11]。通过卫星遥感反演雪面反照率已经成为一种理想的技术手段，而卫星传感器通常只能在特定方向上对地表进行观测，获得某一方向上的反射率数据，再利用反射率模型对方向反射率数据进行积分，从而得到反照率数据，因此正确的反射率数据是获取地表反照率的基础[12]。
按照严格的理论模式，雪面反射率取决于雪覆盖地面的类型、冰雪粒子的大小和密度、积雪的深度及时间等因子。在大气环流或气候模式中，通常用雪粒子的形状作为参数来确定雪面反射率及其变化[13]。基于渐近式辐射传输模型的雪表层粒径反演算法，为多光谱和高光谱遥感数据反演雪粒径提供了实用途径，其中雪粒形状的合理假设和雪粒径的准确测量是影响反演精度的主要因素[14]。通过建立积雪物理特性与雪面反射率之间的关系，构建积雪参数反演模型来获取雪粒径与积雪反射率之间的关系，实现用渐近式辐射传输模型模拟计算积雪反射率[10]。因此需要对积雪光谱进行特征分析和研究积雪环境、地形特征等对积雪反射率的影响。本文根据2013年12月12日至16日新疆玛纳斯河流域实测地面积雪数据资料，在分析高寒地区积雪反射率变化特征的基础上，重点利用辐射传送模型（ART）对雪面反射率进行计算，再用实测值对计算值进行验证分析ART 模型计算雪面反射率的可靠性和有效性。分别在积雪覆盖的农田、裸土、草地以及污化雪的情况下进行模型检验。
2 模型与数据
2.1 渐近式辐射传输模型计算雪面反射率
积雪粒子本身就不完全是球形粒子，但在计算的时候就比球形粒子更困难。因此，Kokhanovsky和Zege建立了渐近式辐射传输模型（Asymptotic Radiativetransfer Theory，简称ART），模型利用几何光学法计算非球形颗粒的单次散射特性，采用渐近分析法得到辐射传输模型的渐近分析解，具有简洁、高效、灵活的特点[10]。ART模型基于以下假设：1）象元完全被积雪覆盖；2）积雪是由致密、随机朝向和不规则形状颗粒状粒子组成的弱吸收散射体；3）忽略积雪水平和垂直的各向异性特征；4）模型适用于波长小于1400nm的可见光-近红外波段；5）假设冰的折射率不随波长变化，且等于1.31[15,16]。
雪面的双向反射率因子（Bidirectional Reflection Factor，BRF）定义为雪面反射的辐亮度与朗伯表面反射的辐亮度之比，可写为：
(1)
其中，为太阳天顶角，为观测天顶角，为两者的相对方位角，为雪面反射的辐亮度，为朗伯表面反射的辐亮度。，为太阳入射辐照度。因此上式可写为：
(2)
ART模型将双向反射率表达为：
(3)
其中，吸收参数定义为[15]：
(4)
其中，为传输路径长度（Transport path length），为吸收路径长度（Absorption path length），可写为：
(5a)
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