植被指数研究进展

第23卷第5期2003年5月生 态 学 报ACT A ECOLO GICA SINICA V o l.23,N o.5M ay ,2003植被指数研究进展:从AVHRR -NDVI 到MODIS -EVI

王正兴1,刘　闯1,HU ET E Alfredo 2

(1.中国科学院地理科学与资源研究所全球变化信息研究中心,北京　100101; 2.Departmen t Soil,W ater and Environ-men tal Science ,University of Arizona ,Tucson ,Arizona 85721US A )

基金项目:中国科学院知识创新工程资助项目(CX10G-E01-07-01)

收稿日期:2002-08-03;修订日期:2003-03-20

作者简介:王正兴(1963～),男,山西省新绛县人,副研究员,主要从事资源环境遥感应用研究。E-mail :wang z x@igsn rr.ac .cn

Foundation item

:th e Knowledge In novation Pro ject of Chines e Academ y of Sciences (Contract No .CX 10G -E 01-07-01)Received date :2002-08-03;Accepted date :2003-03-20

Biography :W AN G Zh eng-Xing,As sociate profess or,main res earch field:th e application of remo te s ensing for natu ral re-sources and environm ent.

摘要:目前应用广泛的植被指数AV HR R -N DV I 仍有一些缺陷,主要表现在:(1)在植被高覆盖区容易饱和,这除了红光通道就容易饱和外,主要是基于N I R /Red 比值的N DV I 算式本身存在容易饱和的缺陷;

(2)没有考虑树冠背景对植被指数的影响;(3)N DV I 的比值算式和最大值合成算法(M V C )确实消除了某些内部和外部噪音,但最终的合成产品仍然有较多噪音;(4)M V C 不能确保选择最小视角内的最佳像元。所有这些AV HR R -N DV I 的局限性,在基于“中分辨率成像光谱仪(M O DIS )”的“增强型植被指数(EV I )”产品中,都有不同程度改善。M O D IS-EV I 改善表现在:(1)大气校正包括大气分子、气溶胶、薄云、水汽和臭氧,而AV HRR-N DV I 仅对瑞利散射和臭氧吸收做了校正;这样M OD IS-EV I 可以不采用基于比值的方法,因为比值算式是以植被指数饱和为代价来减少大气影响;(2)根据蓝光和红光对气溶胶散射存在差异的原理,采用“抗大气植被指数(ARV I)对残留气溶胶做进一步的处理;(3)采用“土壤调节植被指数(SAV I )”减弱了树冠背景土壤变化对植被指数的影响;(4)综合ARV I 和SAV I 的理论基础,形成“增强型植被指数(EV I)”,它可以同时减少来自大气和土壤噪音的影响;(5)采用“限定视角内最大值合成法(CV -M V C )”,选择最小视角内的最佳像元,此外,目前正在试验的“双向反射分布函数(BRD F )合成法”,首先把不同视角换算为星下点像元反射值,然后采用CV -M V C 合成,目的是进一步提高EV I 对植被季节性变化的敏感性。总之,M O D IS-EV I 使植被指数与不同覆盖程度植被的线性关系得到明显改善,尤其在高覆盖区表现良好。

关键词:AV HRR-N DV I;中分辨率成像光谱仪;M O D IS;增强型植被指数;EV I

From AVHRR

-N DVI to MODIS -EVI :Advances in vegetation index research

W ANG Zheng-Xing 1,LIU Chuang 1,HUET E Alfredo 2　(1.Global Chan ge Information and Resear ch Center ,Institute of G eog raphic Scien c e and N atu ral Resou rces Res earch ,Ch inese Acad emy of Sciences ,B eijin g 100101,China ;2.Department Soil ,Water and Envir onmental Science ,University of A riz ona ,Tucson ,Ar izona 85721US A ).Ac -ta Ecolog ica Si nica ,2003,23(5):979～987.

Abstract :Global AV HRR-N DV I data sets hav e been widely a pplied to many fields fro m land cov er cha ng e to the ex t ractio n o f v a rio us biophysical v egeta tio n pa ramete rs .Yet there still remain som e limita tio ns in

the N DV I pro duct :(1)N DV I satura tes in well -v eg eta ted a reas ,pa r tly a result o f satura tio n in the Red cha nnel and par tly due to the r atio -based N DV I equatio n;(2)The effect o f ca no py backg r ound o n N DV I has no t been co nsider ed;(3)The r atioing pr oper ties o f the N DV I a lo ng with the M ax imum V alue Com-po site (MV C )procedure do es remov e so me so urces of inter na l a nd ex ter na l noise ,but ther e still r emain sig nificant noise in the fina l N DV I pro ducts ;(4)Th e M V C ca nno t guar antee the selection of the clear est pix els and smallest v iew angles.All o f th ese limita tio ns are impr ov ed to some ex tent in the Enha nced V eg-etation Index (EV I)product fro m the M odera te Reso lution Imaging Spec tro radio meter (M O D IS).T he M O D IS -EV I ha s sev era l adva ntag es ov er the AV HRR -N DV I ;(1)The M O DIS atmo spher e co r rectio n schem e includes the effect of a tmosph eric g ases ,aero sol ,thin cir rus clouds ,w ater v apo r ,a nd o zo ne ,wh ereas ther e are o nly cor rectio ns for Ray leig h scattering a nd o zo ne a bso rptio n in the AV HR R-N DV I pro duct.This r educes the need fo r ra tio -based v eg etatio n indices,such a s the N DV I,tha t r emov e so me at-mospheric noise a t the cost o f satura tio n ;(2)The influence o f r esidual aer osol is remov ed by th e Atmo-spher e Resistant V egeta tio n Index (A RV I),w hich is based o n the difference o f Red and Blue aero sol scat-tering;(3)The influence o f the ca no py backg ro und is r educed by the Soil Adjusted V ege ta tio n Index (SAV I);(4)T he co ncepts behind the A RV I and SAV I a re co upled tog ether to fo r m the Enhanced V eg eta-tio n Index (EV I ),w hich remov es bo th a tmosph ere and backg ro und no ise simulta neo usly and ;(5)A Co n-strained-V iew M aximum V alue Composite (CV -MV C)alg o rith m is applied to select the clear est pixels with smallest view ang les a nd a BRD F co mpositing schem e is being tested to further improv e the seasonal depic tion o f v eg etatio n dynamics .The M O D IS -EV I has improv ed its linearity with v eg etation ,pa r ticular ly in w ell -v ege ta ted regions .

Key words :AV HRR-N DV I;M O DI S ;enhanced v eg eta tio n index;EV I

文章编号:1000-0933(2003)05-0979-09　中图分类号:Q945.1;TP 751.1,T P79　文献标识码:A

AV HRR -N DV I 仍是目前使用最广泛的植被指数。在全球尺度上,IG BP 在1997年完成空间分辨率为1km 、时间分辨率为10d 的植被指数。该数据与以前陆续公布的数据一起,构成较完整的数据序列:时间范围为1992～1996年,空间分辨率分别为1km 、2km 、4km 、8km 、16km,数据包括10个波段,除植被指数N DV I 本身外,还有原来的5个波段、太阳高度角、传感器高度角、相对方位角、所选用像元日期[1,2]。AV HRR -N D-图1　山东禹城冬小麦光谱特征　Fig .1　Reflectance of w in ter wh eat in Yu -Ch eng coun ty,Shandong Province,China.V I 应用领域包括:土地覆盖变化[3],植被与环境因子变化[4～

9],叶面积指数(L AI )和有效光和辐射分量(a-FA R)[10,11],净第一性植被生产力(N P P)[12～16],农业产量预报等[17,18]。虽然N DV I 应用研究富有成效,但N DV I 本身还有不足,如:N DV I 的饱和问题;对大气影

响的纠正不彻底;对低植被覆盖区土壤背景的影响没

有处理;“最大值合成法”不能保证选择最佳像元等。增

强型植被指数(Enhanced V eg etatio n Index ,EV I)是对

AV HRR -N DV I 的继承和改进,它依托“中分辨率成像

光谱仪(M O DIS)”[19,20]的丰富信息,以及过去十年对植

被指数的研究,在植被指数和合成算法方面都作了改

进。本文从植被指数原理出发,分析了AV HRR -N DV I

的缺陷以及M O D IS-EV I 所做的改进。

1　植被指数的原理

1.1　理想状况下植被指数原理

理想状况指天气晴朗、植被指数不受大气、土壤背

景变化影响,“太阳-地物-传感器”相对位置固定。这时传感器收到的信号来自地物,没有信号丢失和噪音介980　生　态　学　报23卷