MODIS指数介绍

MODIS指数简介
1.MODIS数据介绍
1.1简介
MODIS（MODerate-resolution Imaging Spectroradiometer，中等分辨率成像光谱仪）分别搭载在TERRA和AQUA两颗卫星上，数据可分别从TERRA和AQUA两颗卫星获取。

TERRA和AQUA 卫星都是太阳同步极轨卫星，TERRA在地方时上午过境，AQUA将在地方时下午过境。

TERRA 与AQUA上的MODIS数据在时间更新频率上相配合，加上晚间过境数据，对于接收MODIS数据来说，可以得到每天最少2次白天和2次黑夜更新数据。

这样的数据更新频率，对实时地球观测、应急处理（例如森林和草原火灾监测和救灾）和日内频率的地球系统的研究有非常重要的实用价值。

关于TERRA和AQUA卫星介绍，可参看1.3 Terra卫星和Aqua卫星。

MODIS扫描周期为1.477秒，每条扫描线沿扫描方向有1354个Pixels，沿卫星轨道方向有10个1KMD的IFOV。

MODIS共36个波段，其中250m分辨率有2个波段，500m分辨率有5个波段，1000m分辨率有29个波段。

36个波段中波段值分辐射值和反射值两种。

MODIS各波段的信息如表1所示。

表1 MODIS波段信息
1.2MODIS结构与数据级别
MODIS数据产品分级系统：MODIS标准数据产品分级系统由5级数据构成，它们分别是：0级、1级、2级、3级和4级。

表2 MODIS数据产品分级
MODIS标准数据产品根据内容的不同分为0级、1级数据产品，在1B级数据产品之后，划分2－4级数据产品，包括：陆地标准数据产品、大气标准数据产品和海洋标准数据产品等三种主要标准数据产品类型，总计分解为44种标准数据产品类型。

MOD01：即MODIS1A数据产品。

MOD02：即MODIS1B数据产品。

MOD03：即MODIS数据地理定位文件。

其余类型产品略。

MODIS 1B采用分等级的数据格式（层次结构，树结构）HDF和HDF-EOS。

其中HDF-EOS 是对地观测系统（EOS）对HDF的扩展。

MODIS 1B 产品命名如下：
表3 MODIS 1B产品概要
1.3Terra卫星与Aqua卫星
TERRA卫星每日地方时上午10：30时过境，因此也把它称作地球观测第一颗上午星（EOS-AM1）。

AQUA卫星保留了TERRA卫星上已经有了的CERES和MODIS传感器，并在数据采集时间上与TERRA形成补充。

它也是太阳同步极轨卫星，每日地方时下午过境，因此称作地球观测第一颗下午星（EOS-PM1）
表4 Terra 与Aqua 卫星参数
2. MODIS 指数
2.1 NDVI 与EVI
NDVI （归一化植被指数）公式为nir red nir red
NDVI ρρρρ-=
+。

nir ρ对应MODIS 第1波段CH 1，red ρ对应MODIS 第2波段CH 2。

由于叶绿素吸收在蓝色（470nm ）和红色（670nm ）波段最敏感，可见光波段的反射能量很低。

而几乎所有的近红外（NIR ）辐射都被散射掉了（反射和传输），很少吸收，而且散射程度因叶冠的光学和结构特性而异。

因此红色和近红外波段的反差（对比）是对植物量很敏感的度量（图1）。

无植被或少植被区反差最小，中等植被区反差是红色和近红外波段的变化结果，而高植被区则只有近红外波段对反差有贡献，红色波段趋于饱和，不再变化。

NDVI 可以很好地突出正常植被的特征。

但NDVI 在0.8附近时易达到饱和，表现为无论植被密度多高，NDVI 的值不再升高。

相对于NDVI ，EVI （增强型植被指数）能更好地解决饱和问题，同时减弱了大气和土壤对NDVI 的影响。

图1 NDVI 示意图
EVI 计算公式为12nir red
nir nir blue EVI G C C L
ρρρρρ-=⨯
+⋅-⋅+，其中C 1、C 2、L 和G 是常量，默认值
分别是6.0、7.5、1.0和2.5；blue ρ对应MODIS 第4波段CH 4。

MODIS 增强植被指数（EVI ）的主要缺点是蓝色通道的分辨率为500m ，这将使最终的植被指数分辨率由250m 降到500m ；或者要求“重采样”，将蓝色波段与红色及近红外的配准。

2.2 NDWI （归一化水指数）
MODIS 的归一化水指数计算公式为CH4CH2
CH4CH2
NDWI -=
+。

水体在550μm 处有较高的反射
率，而在近红外波段反射率较低，采用NDWI 指数可以较好地突出影像上的水体特征。

一般来说，水体的NDWI>0。

2.3 NDSI （归一化积雪指数）
MODIS 的归一化积雪指数计算公式为CH4CH6
CH4CH6
NDVI -=
+。

积雪有很强的可见光反射和很
强的短波红外吸收特性。

积雪在0.5μm 附近有高反射率，在1.6μm 和2.1μm 附近反射率较低（图2）
图2 积雪指数示意图
2.4 VSWI （植被供水指数）
干旱时或作物供水不足，一方面作物的生长受到影响，植被指数降低；另一方面由于缺水，没有足够的水分供给植株蒸腾蒸发，迫使叶片关闭一部分气孔，导致作物的冠层温度升高。

因此可以定义植被供水指数。

植被供水指数计算公式为3132NDVI
VSWI a T b T c
=
⋅+⋅+。

其中T 31和T 32
分别为MODIS 第31和第32波段的亮温。

a = 3.6125，b = -2.5779， c = -10.05。

2.5 LST （地表温度）
LST ：Land Surface Temperature 。

大部分地表物质在第31和第32波段的比辐射率稳定，因此地表温度一般由MODIS 的第31和第32波段的亮温反演实现。

一般采用劈窗算法实现LST 反演。

2.6 LAI （叶面积指数）
为了在大尺度模型中运用叶面积指数，须有较长时间和覆盖地球表面不同地区的历史叶面积指数数据。

该数据可由多波段的遥感图像获得。

从遥感图像估计叶面积指数有两种方法。

一种方法是建立地面实测的叶面积指数和由卫星获得的植被指数间的经验关系，另外一种是通过植被反射率模型反演叶面积指数。

两种方法各有优劣：基于第一种方法已建立了较多的经验关系，但是叶面积指数和植被指数的关系不稳定，植被类型，土壤背景都会影响两者间的关系，所以该方法不适合用于大范围尺度上。

所以基于辐射传输模型的反演方法是唯一在大范围上获
得叶面积指数的有效方法。

2.7 VCI （植被状态指数）
植被状态指数的定义为min
max min
i NDVI NDVI VCI NDVI NDVI -=
+。

其中NDVI i 为某一特定年第i 个时段某一
像素的NDVI 值，NDVI max 和NDVI min 分别代表所研究年限内第i 个时段该像素NDVI 的最大值和最小值，NDVI max - NDVI min 在一定意义上代表了NDVI 的最大变化范围，反映了当地植被的生态环境；分子部分在一定意义上表示了某一特定的年的第i 个时期的当地气象信息，VCI 越小表示该时段的NDVI 越接近NDVI min ，作物长势越差。

2.8 RVI （比值植被指数）
比值植被指数即红光波段与近红外波段的比值。

公式为red
nir
RVI ρρ=。

2.9 TCI （温度状态指数）
温度状态指数定义为max max min
i
T T TCI T T -=
+。

其中，T i 为某一像素在某一特定年第i 个时段的
地表温度，T max 和T min 分别表示在所研究年限内第i 个时段内该像素地表温度的最大值和最小值，TCI 值越小，表示该时段作物长势越差。

TCI 的缺点是未考虑白天的气象条件，如净辐射、风速、湿度等对热红外遥感的影响及土地表面温度的季节性变化。

2.10
PTI （热惯量）
热惯量是对物质温度变化的一种量度，是表示物质热惰性（阻止物质温度变化）大小的物理量。

高热惯量的物体对温度的变化阻力大，反之亦然。

因此热惯量的大小决定了地表温度变化的快慢。

直接测量热惯量不可能实现，可以通过遥感等手段测量。

MODIS 数据计算热惯量同时需要该地区白天的影像和夜间影像，计算公示如下：
W=a*P ATI +b P ATI =(1-ABE)/ΔT
ABE=0.155*CH 1 + 0.062*CH 2 + 0.161*CH 3 + 0.146*CH 4 + 0.112*CH 8 + 0.092*CH 9 + 0.093*CH 10 + 0.091*CH 11 + 0.049*CH 14 + 0.035CH 15
ΔT=T d -T n
T d = 3.6125*CH 31 - 2.5779*CH 32 - 10.05
T n = 3.6125*CH31 - 2.5779*CH32 - 10.05
其中：P ATI为表观热惯量，ABE为地表全波段反照率，ΔT为一天最高温度、最低温度差，T d为白天的地面温度，T n为夜晚的地面温度。