研究亮点

闫凯:MODIS和VIIRS叶面积指数产品质量稳定性评估【RSE,2021】
发布:科技处 2021-06-21 阅读:

截至2020年,设计寿命六年的Terra-MODIS已在轨运行长达二十年,成为在轨服务时间最长的多光谱遥感传感器。其继任者NPP-VIIRS也已在轨运行近十年,提供了与MODIS各项指标接近的多光谱数据。基于上述传感器的MODIS/VIIRS叶面积指数(Leaf Area IndexLAI)产品是国际认可度最高的定量遥感产品之一,二十年来为全球气候变化等地球科学研究提供了有力支持。而已有研究表明,超额服役的Terra-MODIS已出现明显的信号衰退,将造成地表反射率等数据产品精度的不稳定性,进而造成下游LAI产品的精度波动。随着MODIS/VIIRS LAI产品长时序的不断积累,该数据成为诸如“全球变绿”(greening)等研究的主要证据来源,这对产品精度的时序稳定性提出了明确要求。基于该产品已发表的诸如“中国和印度引领全球变绿”的重要结论是否可靠?该产品是否能有效地为全球碳源/碳汇估算提供可靠支撑?是本研究试图解答的两大科学问题。

针对上述科学问题,我校“定量遥感与植被气候响应团队”闫凯老师及数位国际学者联合开展研究,分三步分析了长序列产品中的质量指标,定量评估了MODISVIIRS LAI算法的性能稳定性。首先,比较了MODISVIIRS产品在重叠期间的LAI及其质量指标的稳定性特征,以分析其产品质量有无变化。其次,对整个数据周期内产品质量的年际变化进行了全面的时空分析,以评估算法性能稳定性。最后,对MODIS LAI及质量指标进行了趋势分析,为已发表在《Nature Substantivity》上的“中印变绿”的结论提供新的证据支持。研究取得的认识如下:

1、根据产品质量指标在不同植被类型和LAI大小下的年平均值,比较了MODISVIIRS产品精度的一致性,整体来说,MODISVIIRS产品精度具有高度一致性(图1),可进行联合使用。

2、全球范围来看(图2),LAI的增长趋势非常显著(每十年增长4.5%),但其两项质量指标均没有显著趋势,这表明MODIS LAI的质量在二十年来并未出现显著变化,证明了在传感器衰退的情况下,MODIS LAI反演算法的良好鲁棒性。

3、在MODIS记录期间(2001-2019年),中国和印度大部分地区呈现出清晰的绿化趋势(图3中的绿色和蓝色部分),这与先前的研究相符。从20012019年,整个亚洲地区植被显著增长的区域达到33.09%,而且植被显著下降的区域面积仅有1.73%。此外,这一变化趋势通过了曼·肯达尔(Mann KendallMK)检验,LAI的增长速率为每十年增长7.72%。

该研究基于一个朴素假设:长时间序列中LAI大小应存在一定增大或降低趋势以及明显的年际变化规律,但是产品质量指标应具有较好的稳定性。据此,该研究在MODIS2001-2019年)和VIIRS2013-2019年)时序里对LAI大小和产品质量的年际稳定性和趋势性进行分析,以评估产品用于时序分析时的可靠性。结果显示,LAI反演算法的性能稳定性足以支持已发表的LAI趋势相关的研究,为诸如“中印变绿”等已发表结论补全了最后的证据链条。MODISVIIRS LAI产品也在其相应时段内保持了稳定的反演精度,并且在LAI大小和产品质量上均显示出良好的一致性。这为学术界独立使用MODIS LAI产品或与后续VIIRS LAI结合使用以研究全球和区域植被动态、碳源/碳汇估算等研究提供了可靠性保障。

1:各植被类型下MOD15A2HVNP15A2H的年平均主算法反演比例RI一致性对比

 

2 MODISLAI及其两项质量指标年际变化趋势的全球空间分布

3:亚洲地区MODIS LAI及其产品质量指标在20012019年间的变化趋势

该项研究成果近期发表于遥感类权威期刊《Remote Sensing of Environment上,并被收录于该杂志的“Terra科学二十周年”纪念专刊上。

Yan, K.*, Pu, J.*, Park, T., Xu, B., Zeng, Y., Yan, G., Weiss, M., Knyazikhin, Y., Myneni, R.B. Performance stability of the MODIS and VIIRS LAI algorithms inferred from analysis of long time series of products. Remote Sensing of Environment 2021, 260, 112438

全文链接:https://doi.org/10.1016/j.rse.2021.112438