论文标题：Multispectral Land Surface Reflectance Reconstruction Based on Non-Negative Matrix Factorization: Bridging Spectral Resolution Gaps for GRASP TROPOMI BRDF Product in Visible

论文链接：https://www.mdpi.com/2072-4292/17/6/1053

期刊名：Remote Sensing

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/remotesensing

在定量卫星遥感研究中，地表反射率是连接地表辐射特性与大气辐射传输过程的重要桥梁，也是气溶胶反演、痕量气体监测及地表参数获取等多类遥感应用的关键输入参数。随着卫星观测能力的不断提升，高光谱观测在大气与地表协同反演中的作用日益突出。然而，目前广泛使用的全球地表 BRDF 产品多以有限波段的多光谱形式提供，其光谱分辨率和波段覆盖范围仍存在一定局限，这在一定程度上制约了高光谱辐射传输计算及精细反演算法的发展。因此，如何在已有多光谱数据基础上获取更加连续且具有物理一致性的地表光谱信息，成为遥感数据处理与应用研究中的重要问题之一。

图1.地表反射率重建与验证的总体流程图。

针对这一需求，本文提出了一种基于非负矩阵分解（Non-Negative Matrix Factorization, NMF）的多光谱地表反射率重建方法。该方法通过引入具有物理意义的光谱基底表示框架，实现从有限多光谱观测向连续光谱反射率的扩展，从而在一定程度上弥合不同遥感产品之间的光谱分辨率差异。与传统的经验插值或简单函数拟合方法相比，非负矩阵分解能够在保持光谱非负约束和结构特征的基础上提取主要光谱变化模式，使重建结果具有更好的稳定性和可解释性。

研究过程与结果

在方法实现过程中，研究首先利用典型地表光谱库构建初始光谱基底，对不同地表类型的代表性光谱进行预处理与统一采样，提取能够反映主要光谱变化特征的基函数集合。随后，通过建立多光谱观测与光谱基底之间的系数求解关系，实现连续光谱反射率的重建。该框架具有较好的灵活性，可根据不同卫星产品的波段设置、观测几何条件及地表类型特征进行调整，为多源遥感数据协同应用提供方法层面的支持。

图2. 本文研究方法图形摘要

研究将所提出的方法应用于 GRASP 算法生成的 TROPOMI BRDF 多光谱地表反射率产品，在可见光波段实现了连续光谱反射率的重建。结果表明，该方法能够有效捕获不同典型下垫面条件下的主要光谱变化特征，在多种地表类型及观测几何条件下均表现出较好的重建精度与稳定性。通过对重建误差、光谱一致性及空间分布特征的综合分析发现，该方法在一定程度上改善了多光谱产品在光谱表达连续性方面的不足，使地表光谱信息更加完整，从而为后续辐射传输模拟提供了更为细致的输入参数。

此外，研究还探讨了光谱重建结果在不同太阳天顶角和观测几何条件下的适用性，初步验证了该方法在实际卫星观测场景中的潜在应用价值。相关分析表明，通过合理构建光谱基底并结合观测条件进行参数化处理，多光谱数据可以在一定程度上扩展其光谱表达能力，为地表与大气协同反演研究提供更加丰富的信息支持。

研究总结

本研究提出的多光谱向连续光谱反射率重建方法，为多源遥感数据融合及高光谱信息获取提供了一种具有推广潜力的技术探索路径。该方法不仅有助于提升现有多光谱地表产品的光谱表达能力，也可为未来高光谱遥感任务中地表反射率建模、算法研究及产品改进提供参考。随着全球遥感观测数据类型与精度的持续提升，此类光谱重建方法在地表光谱建模、大气反演研究以及相关定量遥感应用中具有一定的发展空间。未来，结合更丰富的地表光谱数据库、多平台观测数据及物理约束模型，该类方法有望在提高遥感反演稳定性与一致性方面发挥进一步作用。

Remote Sensing期刊介绍

主编：Prasad S. Thenkabail, USGS Western Geographic Science Center (WGSC), USA; Dongdong Wang, Peking University, China

期刊范围涵盖遥感科学所有领域，从传感器的设计、验证和校准，到遥感在地球科学、环境生态、城市建筑等各方面的广泛应用。