棉花不同生長階段Sentinel-2衛(wèi)星植被指數(shù)變化特征

易秋香

（1.中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所/ 荒漠與綠洲生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊830011；2.新疆維吾爾自治區(qū)遙感與地理信息系統(tǒng)應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊830011；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049）

作物生育期能夠反映作物對環(huán)境的要求和生育進(jìn)程，對生育期監(jiān)測在作物的長勢監(jiān)測、產(chǎn)量預(yù)報(bào)、種植面積監(jiān)測、農(nóng)田精細(xì)化管理等工作中有著重要的作用。傳統(tǒng)作物生育期觀測主要依賴于地面調(diào)查，需要耗費(fèi)大量人力物力，由于其觀測面積小、周期長，難以滿足大面積觀測需求。遙感技術(shù)可提供及時(shí)、準(zhǔn)確的大尺度衛(wèi)星影像，實(shí)現(xiàn)大面積地區(qū)高頻率的重復(fù)信息采集[1]，為大范圍、高精度的作物生育期識別及作物長勢監(jiān)測提供了有力技術(shù)。

農(nóng)作物生育期遙感識別工作始于20 世紀(jì)80年代[2]，各類研究中主要使用的遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)包括早期廣泛使用的AVHRR（Advanced very high resolution radiometer）數(shù)據(jù)[3-5]，空間分辨率 1.1 km。美國陸地衛(wèi)星 Landsat-4/5/8[6-7]，時(shí)間分辨率為 16 d； 中國資源衛(wèi)星ZY-01[8]，時(shí)間分辨率為26 d； 美國Terra 和Aqua 衛(wèi)星搭載的中等分辨率成像光譜儀MODIS （Moderate resolution imaging spectroradiometer）的合成數(shù)據(jù)[9-10]，時(shí)間分辨率為 16 d。由于這些衛(wèi)星數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率較低，容易導(dǎo)致對作物關(guān)鍵生育期的開始和結(jié)束等監(jiān)測不準(zhǔn)確或錯(cuò)過，嚴(yán)重影響生育期識別精度，因此許多以 AVHRR、MODIS 等衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行的研究，都對數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理，或者直接對散點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合、去噪等處理，從而彌補(bǔ)衛(wèi)星數(shù)據(jù)低時(shí)間或低空間分辨率的不足。然而這樣會(huì)帶來一定的誤差，同時(shí)會(huì)消除一些具有意義的數(shù)據(jù)[11]。

隨著遙感衛(wèi)星技術(shù)的迅速發(fā)展，衛(wèi)星數(shù)據(jù)的時(shí)間、 空間及光譜分辨率都得到了極大提升。其中，由歐洲空間局于2015年6月23日發(fā)射的 Sentinel-2A 及 2017年3月7日發(fā)射的 Sentinel-2B 多光譜遙感衛(wèi)星，可將地面時(shí)間分辨率提升為5 d，其上安裝的多光譜成像儀有13 個(gè)通道，其中4 個(gè)可見光及1 個(gè)近紅外波段空間分辨率為10 m，短波紅外和1 個(gè)紅邊波段空間分辨率為20 m，并且可免費(fèi)下載獲取。Sentinel-2 衛(wèi)星數(shù)據(jù)具備高時(shí)空分辨率以及其特有的紅邊參數(shù)波段，為作物生育期監(jiān)測提供了理想數(shù)據(jù)源。

利用遙感技術(shù)進(jìn)行作物生育期及物候識別已在小麥[12-13]、玉米[14]、水稻[9，15]等多種作物中展開應(yīng)用。棉花生長遙感監(jiān)測的應(yīng)用主要體現(xiàn)在棉花種植面積及長勢信息監(jiān)測[16-17]、病蟲害監(jiān)測[18-19]、遙感估產(chǎn)[20-22]以及各類生物生化參數(shù)定量遙感反演，如葉面積指數(shù)[23]、含水量及水分脅迫信息[24-25]、色素信息[26]等。其中，針對棉花不同生育階段遙感植被指數(shù)的變化特征也有相關(guān)研究，但多是采用MODIS 合成數(shù)據(jù)或地面光譜數(shù)據(jù)，如王玉[27]通過對比分析16 d合成的MODIS-EVI 產(chǎn)品數(shù)據(jù)在棉花不同生育階段變化特征，進(jìn)行了棉花種植面積信息提?。徊苄l(wèi)彬等[20]在北疆棉花遙感估產(chǎn)最佳時(shí)相選擇研究中，利用地面實(shí)測光譜信息分析了棉花冠層光譜反射率及NDVI 在棉花不同生育階段的變化特征，并由此確定了棉花識別及估產(chǎn)的最佳時(shí)相。目前Sentinel-2 數(shù)據(jù)主要用于作物葉面積及葉綠素估算[28-29]、生物量估算[30]、作物物候[31]、棉花水分消耗[32]等相關(guān)研究，而未見利用Sentinel-2 衛(wèi)星數(shù)據(jù)探討作物不同生長階段光譜特征變化的報(bào)道。

本研究擬利用獲取的地面實(shí)測棉花冠層光譜數(shù)據(jù)及研究區(qū)連續(xù)2年的Sentinel-2 衛(wèi)星數(shù)據(jù)，通過分析實(shí)測及模擬的Sentinel-2 數(shù)據(jù)單波段反射率及不同植被指數(shù)隨棉花發(fā)育進(jìn)程的變化特征，探討Sentinel-2 衛(wèi)星數(shù)據(jù)用于棉花生育期監(jiān)測的特點(diǎn)，為Sentinel-2 數(shù)據(jù)在作物生育期監(jiān)測研究中及棉花生長管理中的廣泛應(yīng)用提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于新疆維吾爾自治區(qū)北部石河子墾區(qū)，地處天山北麓中段，古爾班通古特大沙漠南緣，地理坐標(biāo)為東經(jīng) 84°58'～86°24'，北緯 43°26'～45°20'。在研究區(qū)內(nèi)，依據(jù)棉花種植面積，選取面積超過50 hm2棉花種植區(qū)作為樣點(diǎn)，共選取了4 個(gè)樣點(diǎn)地。依據(jù)樣點(diǎn)面積大小在每個(gè)樣點(diǎn)布設(shè)8～15 個(gè)不等的觀測點(diǎn)。

1.2 研究區(qū)棉花生育期特點(diǎn)

研究區(qū)棉花通常在4月中下旬開始播種，10月中下旬停止生長，全生育期180 d 左右。北疆地區(qū)陸地棉平均播期為4月30日，通常在5月中旬左右出苗，大概在6月中旬進(jìn)入現(xiàn)蕾期，7月初進(jìn)入開花期，7月中旬進(jìn)入開花盛期，8月25日左右進(jìn)入吐絮期。通常在6月底7月上旬對棉花進(jìn)行打頂，9月中旬前完成噴施脫葉劑。棉花出苗、現(xiàn)蕾、開花和吐絮是棉花生育期中較為關(guān)鍵的時(shí)期。根據(jù)棉花生育期時(shí)間分布特點(diǎn)，來探討各生育時(shí)期Sentinel-2衛(wèi)星單波段反射率變化及各類可用于作物生育期監(jiān)測的植被指數(shù)隨生育時(shí)期的變化特點(diǎn)。

1.3 冠層光譜測定

由于2017年及2018年所開展的研究區(qū)棉花不同生育時(shí)期冠層光譜觀測次數(shù)有限，考慮到同一研究區(qū)內(nèi)棉花生育進(jìn)程相對穩(wěn)定，本研究所采用的冠層光譜觀測時(shí)間為2011年，采樣點(diǎn)與2017年及2018年Sentinel-2 衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取點(diǎn)一致。在棉花關(guān)鍵生育時(shí)期，包括苗期（6月11日）、現(xiàn)蕾期（6月24日）、開花期（7月11日）、開花盛期（7月28日）和吐絮初期（8月21日）共開展了5 次冠層光譜實(shí)地觀測。使用美國 ASD（Analytical spectral device）公司的ASDFieldSpec Pro FRTM 光譜儀，波段值為350～2 500 nm，其中350～1 000 nm 光譜采樣間隔為1.4 nm，光譜分辨率為3 nm；1 001～2 500 nm 光譜采樣間隔為2 nm，光譜分辨率為10 nm。光譜測定選擇在無風(fēng)無云或少云的天氣進(jìn)行，測定時(shí)間為12∶00—16∶00 之間。測量步驟：測量之前先開啟光譜儀預(yù)熱，再次測量之前先進(jìn)行光譜儀的優(yōu)化，冠層光譜測定前后都進(jìn)行參考板反射率測定；測量冠層光譜時(shí)探頭垂直向下，距冠層垂直高度約0.7 m，視場角25°。光譜采樣以10 條光譜為一采樣光譜，即每次記錄10 條光譜，以其平均值作為該樣點(diǎn)的冠層光譜反射值。

1.4 Sentine-2數(shù)據(jù)及其處理

根據(jù)研究區(qū)棉花出苗及停止生長時(shí)間分布特點(diǎn)，通過歐洲航空局的數(shù)據(jù)共享網(wǎng)站（https://scihub.copernicus.eu/dhus/#/home） 下載獲取研究區(qū)2017年及2018年棉花不同生育時(shí)期內(nèi)共計(jì)14 期有效Sentinel-2 衛(wèi)星Level-1C 數(shù)據(jù)。獲取時(shí)間分別為2017年6月16日、7月8日、7月28日 、8月22日、9月19日、10月16日及 2018年6月3日、6月16日、6月28日、7月13日、7月28日、8月7日、8月17日、9月6日。所有遙感影像數(shù)據(jù)均為已經(jīng)過輻射校正和幾何校正處理的Level-1C 大氣上層表觀反射率，須對其進(jìn)行大氣校正使之轉(zhuǎn)換為地表反射率數(shù)據(jù)。

本研究采用SNAP-Sen2Cor 軟件對影像數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣校正，并通過最近鄰插值法，將大氣校正后的各波段重采樣至空間分辨率10 m 后用于研究區(qū)各觀測點(diǎn)反射率提取及植被指數(shù)計(jì)算。Sentinel-2遙感影像數(shù)據(jù)包含12 個(gè)波段的光譜數(shù)據(jù)，不同波段的空間分辨率略有不同，各波段信息見表1。

表1 Sentinel-2 遙感影像數(shù)據(jù)主要參數(shù)

1.5 植被指數(shù)

通過Sentinel-2 多光譜衛(wèi)星數(shù)據(jù)在可見光到近紅外的多個(gè)波段分布可獲取多種植被指數(shù)，本研究采用了 NDVI、SAVI、EVI 3 種最常用于作 物生育期及長勢監(jiān)測的指數(shù)（表2）。初步探討這些植被指數(shù)隨棉花生育進(jìn)程的分布變化。

2 結(jié)果與分析

2.1 冠層及Sentinel-2各波段反射率在不同生育時(shí)期變化特征

對冠層光譜反射率按照Sentinel-2 衛(wèi)星各波長中心位置及波段寬度進(jìn)行重新計(jì)算使之符合Sentinel-2 波段分布，從而對比Sentinel-2 各波長反射率與實(shí)測的冠層光譜反射率的擬合情況。采用平均法進(jìn)行計(jì)算，即各中心波長波段寬度范圍內(nèi)所有波長反射率的平均值作為該波段的反射率，如B5 波段，中心波長為705 nm，波段寬度為20 nm，則其波段反射率為波長695～715 nm 反射率的平均值，其他各波段以此類推。

2011年棉花實(shí)測冠層光譜反射率及2017年和2018年Sentinel-2 多光譜反射率在不同生育時(shí)期的變化如圖1 所示?？傮w上不論是實(shí)測冠層光譜還是Sentinel-2 衛(wèi)星光譜反射率，B1～B5 的可見光波段 （443～705 nm） 和 B6～B9 的近紅外波段（740 ～945 nm）隨發(fā)育進(jìn)程表現(xiàn)出不同變化規(guī)律，具體表現(xiàn)為可見光波段反射率從苗期 （2011年6月11日）至吐絮期（2011年8月21日）呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，吐絮期之后逐漸增大；近紅外波段反射率從苗期逐漸增大，至開花盛期（2011年7月28日）達(dá)到最大，而后逐漸減??；苗期初期階段（2018年6月3日） 以及最后停止生長階段 （2017年10月16日），光譜反射率包含明顯土壤光譜特征。

表2 所采用的植被指數(shù)

進(jìn)一步對比相同或相近日期的實(shí)測冠層光譜反射率與Sentinel-2 衛(wèi)星反射率，如圖2。從圖2（a）可見，當(dāng)棉花處在苗期時(shí)，由于土壤還未被全覆蓋，相比衛(wèi)星多光譜反射率，實(shí)測冠層光譜反射率（2011-06-11）更多體現(xiàn)出植被信息特征，衛(wèi)星多光譜反射率（2017-06-16 以及 2018-06-16）還受背景土壤光譜的影響，表現(xiàn)為在可見光波段反射率明顯高于實(shí)測光譜，近紅外波段低于實(shí)測光譜反射率；隨棉花生長至盛花期 （圖2 （b）） 和花鈴期 （圖2（c）），冠層接近密閉，Sentinel-2 多光譜反射率與實(shí)測冠層光譜反射率變化趨向一致，兩者在可見光波段吻合較好，近紅外波段衛(wèi)星光譜反射率略高于實(shí)測光譜反射率。此外，觀察圖2（a）中不同年份相同日期 Sentinel-2 光譜曲線發(fā)現(xiàn)，2018年6月16日Sentinel-2 近紅外波段反射率明顯低于2017年6月16日，根據(jù)棉花種植天氣影響發(fā)現(xiàn)，2018年棉花生育前期受低溫風(fēng)災(zāi)的影響，棉花整體生育進(jìn)程較2017年普遍慢5～7 d，這說明Sentinel-2 多光譜衛(wèi)星可體現(xiàn)生育進(jìn)程的變化。

圖1 實(shí)測冠層光譜（2011年）及Sentinel-2 衛(wèi)星光譜反射率（2017年及2018年）隨棉花生育進(jìn)程的變化特征

2.2 冠層及Sentinel-2植被指數(shù)隨生育時(shí)期變化特征

圖2 相同或相近時(shí)期的棉花實(shí)測冠層光譜反射率（2011年）與 Sentinel-2 衛(wèi)星反射率（2017年及 2018年）對比

為了更好體現(xiàn)不同植被指數(shù)隨生育進(jìn)程的變化差異，將獲取的植被指數(shù)進(jìn)行歸一化處理，歸一化值通過原植被指數(shù)值減去所有生育時(shí)期植被指數(shù)的平均值后除以平均值獲得。不同植被指數(shù)歸一化值在棉花不同生育時(shí)期的變化規(guī)律如圖3?？傮w上，各植被指數(shù)歸一化值均呈現(xiàn)出從苗期的負(fù)值到開花盛期以及吐絮期的最大正值再到采摘期的負(fù)值的變化規(guī)律。與NDVI 和SAVI 歸一化值相比，EVI 歸一化值變化范圍更大，表明其對葉面積指數(shù)（Leaf area index,LAI）變化更為靈敏，同時(shí) EVI 指數(shù)有效避免了NDVI 值隨LAI 值增大而呈現(xiàn)的飽和問題，如圖3 中2011年實(shí)測NDVI 值在開花期之后至吐絮初期變化非常小。進(jìn)一步分析各植被指數(shù)歸一化值正負(fù)變化時(shí)間點(diǎn)，可發(fā)現(xiàn)Sentinel-2 衛(wèi)星光譜指數(shù)的歸一化值與實(shí)測冠層光譜變化趨勢一致：在6月中旬棉花現(xiàn)蕾期前，各植被指數(shù)歸一化值均呈負(fù)值，現(xiàn)蕾期向開花期過渡的階段，植被指數(shù)歸一化值逐漸增大至正值，直到開花盛期（7月初至7月中旬左右）達(dá)到最大正值，而后開始逐漸減小，至吐絮盛期（9月初）減小至負(fù)值。植被指數(shù)歸一化值隨棉花生育進(jìn)程呈現(xiàn)的變化規(guī)律，可為棉花遙感識別及面積提取等提供有用信息。

圖3 不同年份基于實(shí)測（2011年）及Sentinel-2 衛(wèi)星光譜（2017年及2018年）的植被指數(shù)歸一化值隨棉花生育進(jìn)程的變化規(guī)律

3 結(jié)論

本研究初步分析了Sentinel-2 多光譜反射率及3 類常用植被指數(shù)隨棉花生育進(jìn)程的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)整體上Sentinel-2 多光譜反射率與實(shí)測冠層光譜反射率變化趨勢吻合，尤其在棉花開花期及開花盛期時(shí)Sentinel-2 多光譜反射率在可見光及近紅外波段均與實(shí)測觀測光譜反射率趨勢一致；Sentinel-2多光譜特有的紅邊參數(shù)波段反射率隨棉花生育進(jìn)程具有從棉花苗期逐漸增大，至開花盛期達(dá)到最大正值，而后逐漸減小的變化規(guī)律；對比Sentinel-2 多光譜指數(shù)NDVI、SAVI 以及EVI 隨生育進(jìn)程的變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)，基于實(shí)測冠層光譜和Sentinel-2 衛(wèi)星光譜的EVI 歸一化指數(shù)隨棉花生育進(jìn)程具有較為一致和穩(wěn)定的變化規(guī)律，現(xiàn)蕾期前EVI 歸一化值為負(fù)值并具有逐漸增大趨勢，至開花盛期達(dá)到最大正值，而后逐漸減小至吐絮盛期變?yōu)樨?fù)值。Sentinel-2 衛(wèi)星各波段值及植被指數(shù)值在棉花不同生育階段的取值特點(diǎn)，可為棉花遙感識別、棉花面積提取以及棉花生化參數(shù)定量診斷提供有用信息。本研究中所采用的Sentinel-2 衛(wèi)星數(shù)據(jù)以及實(shí)測冠層光譜數(shù)據(jù)分布于棉花生育進(jìn)程的幾個(gè)關(guān)鍵時(shí)期，數(shù)據(jù)獲取的年份不同、品種不同，數(shù)據(jù)分布的廣泛性增強(qiáng)了結(jié)論的普適性。后續(xù)隨著Sentinel-2 數(shù)據(jù)的累積，結(jié)合實(shí)測光譜數(shù)據(jù)，更為細(xì)化的分析可針對衛(wèi)星數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)同步的情況展開，探究Sentinel-2 數(shù)據(jù)在作物物候監(jiān)測方面的應(yīng)用前景。同時(shí)，基于Sentinel-2 的多光譜反射率是多個(gè)研究樣點(diǎn)的平均值，在后續(xù)的研究中，還有必要考慮到不同品種之間的差異，期望細(xì)化到不同品種間發(fā)育進(jìn)程的差異，從而實(shí)現(xiàn)不同品種的識別。此外，在此研究基礎(chǔ)上，還可以進(jìn)一步加入對比大面積研究區(qū)同一時(shí)期其他主要種植作物的光譜變化特征，如冬小麥、春玉米、葡萄等作物，使Sentinel-2 多光譜衛(wèi)星在棉花種植面積提取及估產(chǎn)等最佳時(shí)相的選擇等方面得到更廣泛的應(yīng)用。