NPP-VIIRS衛(wèi)星在西藏植被監(jiān)測中的應(yīng)用研究

益西卓瑪 , 拉 巴 , 頓玉多吉

（西藏自治區(qū)氣候中心，拉薩 850001）

引言

植被長勢作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵因子之一，其監(jiān)測是高原生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中的一項(xiàng)重要內(nèi)容。迄今為止，利用遙感手段監(jiān)測植被長勢方面的研究成果十分豐富，從最初公里級(jí)空間分辨率的NOAA衛(wèi)星，到后來百米級(jí)分辨率的MODIS衛(wèi)星，直至目前30 m分辨率的Landsat衛(wèi)星和16 m分辨率的高分衛(wèi)星，無論是在空間還是時(shí)間分辨率上，植被長勢監(jiān)測能力都取得了巨大的進(jìn)步。Suomi NPP衛(wèi)星作為與MODIS衛(wèi)星具有相同特點(diǎn)的新一代極軌氣象衛(wèi)星，未來可以代替MODIS衛(wèi)星繼續(xù)完成陸面地表參數(shù)的遙感監(jiān)測工作，作為MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)的延續(xù)衛(wèi)星，可以作為地球生態(tài)環(huán)境監(jiān)測和氣候變化研究的重要數(shù)據(jù)源。

近年來，利用MODIS衛(wèi)星反演的長時(shí)間序列植被NDVI產(chǎn)品開展的研究較多[1-3]，有利用植被NDVI產(chǎn)品反演植被覆蓋度、物候期、生物量、植被分類的研究，還有結(jié)合氣候要素和人為要素等研究植被生態(tài)變化對(duì)氣候變化的響應(yīng)分析。以上研究結(jié)果表明了植被NDVI產(chǎn)品可用于地表植被生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)變化和氣候變化研究。目前，NPP-VIIRS衛(wèi)星數(shù)據(jù)僅在夜間燈光遙感、火災(zāi)和土壤濕度監(jiān)測中有所應(yīng)用[4-6]，而在植被監(jiān)測領(lǐng)域的研究較少。西藏自治區(qū)遙感應(yīng)用研究中心作為中國氣象局西南區(qū)FY-3衛(wèi)星省級(jí)地面接收站，從2002年開始接收極軌氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)，先后完成了2次系統(tǒng)升級(jí)任務(wù)，于2018年建成了FY-3號(hào)02批衛(wèi)星接收處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)在原有MODIS、NOAA和FY-3 數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，能夠?qū)崟r(shí)接收NPP-VIIRS衛(wèi)星數(shù)據(jù)，為西藏高原地區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測提供了新的數(shù)據(jù)支撐。本文以NPP-VIIRS衛(wèi)星在西藏地區(qū)植被生態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用探索為目的，對(duì)NPP-VIIRS衛(wèi)星與MODIS衛(wèi)星（TERRA、AQUA）反演植被NDVI產(chǎn)品的一致性進(jìn)行檢驗(yàn)，評(píng)估NPP-VIIRS衛(wèi)星在西藏植被監(jiān)測中的應(yīng)用前景，以期更好地為西藏生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測提供數(shù)據(jù)支撐。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 衛(wèi)星數(shù)據(jù)簡介

對(duì)地觀測衛(wèi)星（Earth Observing Satellites，EOS）是美國新一代地球觀測系統(tǒng)計(jì)劃的組成部分，裝載有5個(gè)傳感器，其中包括了中分辨率成像光譜儀（MODIS）。EOS衛(wèi)星設(shè)計(jì)為近太陽同步極軌的雙星系統(tǒng)，由上午星（EOS-TERRA）和下午星（EOS-AQUA）組成。美國新一代極軌運(yùn)行環(huán)境衛(wèi)星系統(tǒng)預(yù)備計(jì)劃（National Polar-orbiting Operational Environmental Satellite System Preparatory Project，NPP）是極軌運(yùn)行環(huán)境衛(wèi)星系統(tǒng)（NPOESS）的預(yù)備項(xiàng)目[7]。NPOESS原本是美國21世紀(jì)衛(wèi)星計(jì)劃，2010年美國將NPOESS計(jì)劃進(jìn)行了重組，其中NOAA承擔(dān)的部分命名為JPSS[8]。NPP計(jì)劃的第一顆衛(wèi)星于2011年10月從范登堡空軍基地由Delta-II火箭發(fā)射升空，JPSS計(jì)劃的第一顆衛(wèi)星于2017年發(fā)射。NPP衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命為7年，衛(wèi)星上搭載了五種載荷，其中可見光紅外輻射儀（VIIRS）作為最重要的載荷，汲取了當(dāng)代業(yè)務(wù)和科研觀測系統(tǒng)中最先進(jìn)的技術(shù)。

VIIRS 有 22 個(gè)光譜波段（表1），分布在 0.3～14 μm波長區(qū)間。其中，可見光～近紅外（0.4～0.9 μm）9 個(gè)，短、中波紅外（1～4 μm）8 個(gè)，熱紅外（8～12 μm）4 個(gè)。為監(jiān)測夜間云層和全球夜間燈光強(qiáng)度分布，還專門設(shè)計(jì)了1個(gè)低照度條件下中心波長位于0.7 μm的可見光～近紅外寬波段 DNB（Day-Night Band）[9]。

表1 VIIRS各波段技術(shù)參數(shù)

1.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

本研究選取了2018年8月28日TERRA、AQUA和NPP-VIIRS衛(wèi)星過境高原時(shí)的數(shù)據(jù)，三部衛(wèi)星過境時(shí)間分別為：13:52、15:24與14:59。高原地區(qū)夏季晴空日數(shù)極少，因此，本文僅獲取到三景同一日過境西藏高原上空的晴空數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)覆蓋區(qū)域?yàn)槲鞑匚鞅辈堪⒗锏貐^(qū)日土縣，平均海拔5145 m，該地區(qū)植被類型主要以草原、高山稀疏植被和荒漠類為主。其中，草原類分布有青藏苔草、紫花針茅、羽柱針茅高原草原、沙生針茅荒漠草原；高山類植被分布有三指雪蓮花、西藏扁芒菊稀疏植被；荒漠類植被以墊狀駝絨藜高寒荒漠為主。另外，研究區(qū)境內(nèi)也發(fā)育有班公錯(cuò)、魯瑪江冬錯(cuò)，古里雅冰川等重要的湖泊、冰川資源[10]（圖1）。

圖1 研究區(qū)地形和植被分類

首先，分析省級(jí)站接收的原始L0級(jí)數(shù)據(jù)，經(jīng)過地面處理應(yīng)用系統(tǒng)的處理（包括數(shù)據(jù)輻射定標(biāo)、大氣校正、投影等），生成L2級(jí)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式為（.ld3）。該數(shù)據(jù)在ARCGIS、ENVI軟件中完成裁剪、反演NDVI、重采樣等工作，最終將三個(gè)不同傳感器接收的數(shù)據(jù)均采用等經(jīng)緯度投影，重采樣分辨率為0.01°×0.01°。NDVI反演的具體公式如下：

式中： ρNIR和 ρR分別表示近紅外波段反射率和紅外波段反射率，其中TERRA和AQUA衛(wèi)星對(duì)應(yīng)為2、1通道的反射率，NPP-VIIRS衛(wèi)星對(duì)應(yīng)為I2、I1通道的反射率。

植被NDVI刪格數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析和遙感影像的制作在EXCEL、R語言和ARCGIS中完成。在選擇統(tǒng)計(jì)樣本數(shù)據(jù)時(shí)，以日土縣為邊界，創(chuàng)建隨機(jī)矢量點(diǎn)數(shù)據(jù)，從中剔除無效值和冰雪湖泊區(qū)域，最后確定了空間上分布均勻的189個(gè)樣點(diǎn)作為分析樣本（圖2），利用GIS空間分析方法，提取每個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的NDVI值，構(gòu)建直方圖和數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

圖2 監(jiān)測樣點(diǎn)分布

2 結(jié)果分析

2.1 植被 NDVI 空間分布特征

圖3給出了TERRA、AQUA和NPP-VIIRS三顆衛(wèi)星反演植被NDVI的空間分布。整體上看，日土縣植被NDVI較低，三顆衛(wèi)星反演估算的NDVI平均值分別為TERRA 衛(wèi)星（0.13）、AQUA 衛(wèi)星（0.13）以及NPP-VIIRS衛(wèi)星（0.21）。從空間分布上看，三顆衛(wèi)星反演的NDVI值整體分布特征較為一致，TERRA和AQUA衛(wèi)星反演的NDVI無論數(shù)值大小還是空間分布特征近乎一致，NPP-VIIRS衛(wèi)星也能較好地反映日土縣植被覆蓋的基本特征；三顆衛(wèi)星反演的NDVI值＞0.17區(qū)域主要分布在南部和中東部，表明日土縣東南部地區(qū)的植被覆蓋情況相對(duì)較好。從不同等級(jí)的NDVI值分布特點(diǎn)來看，TERRA和AQUA衛(wèi)星的NDVI估算值大致介于0.13～0.17；NPP-VIIRS衛(wèi)星的NDVI估算值介于0.17～0.24，南部部分地區(qū)的估算值超過了0.24，最大值達(dá)到0.69；三顆衛(wèi)星反演的NDVI值＜0.08的區(qū)域基本一致，均位于日土縣北部，說明該地區(qū)植被覆蓋相對(duì)稀疏；此外，0.08～0.17的NDVI估算值主要出現(xiàn)在TERRA和AQUA衛(wèi)星反演的空間分布中，而在NPP-VIIRS衛(wèi)星反演中此類區(qū)域較少。

圖3 2018年8月28日不同衛(wèi)星反演日土縣植被NDVI的空間分布（a.TERRA，b.AQUA，c.NPP-VIIRS）

2.2 NPP-VIIRS 衛(wèi)星反演植被 NDVI的對(duì)比檢驗(yàn)

本文采用隨機(jī)抽樣方法對(duì)來自不同衛(wèi)星反演估算的NDVI值進(jìn)行對(duì)比分析（圖4）。如圖所示，三顆衛(wèi)星估算的NDVI值均成正態(tài)分布，其中TERRA和AQUA衛(wèi)星反演的NDVI平均值為0.13，最大值分別為0.32和0.31；NPP-VIIRS衛(wèi)星反演的NDVI平均值為0.22，最大值達(dá)0.37；TERRA、AQUA 和NPP-VIIRS三顆衛(wèi)星隨機(jī)抽樣的最小值分布分別為0.00、0.02和0.06。從以上統(tǒng)計(jì)指標(biāo)可以看出，NPP-VIIRS反演的NDVI值均大于TERRA和AQUA衛(wèi)星。從NDVI值的分布范圍來看，TERRA和AQUA衛(wèi)星估算的NDVI值范圍基本一致，數(shù)值主要集中在0.05～0.20，且出現(xiàn)頻數(shù)均高于30；而NPP-VIIRS衛(wèi)星估算的NDVI值集中在0.20～0.25，與MODIS 兩顆衛(wèi)星不同，0.05～0.1 估算值出現(xiàn)頻數(shù)低于10，而0.25～0.30估算值出現(xiàn)頻數(shù)高于20。

圖4 TERRA（a）、AQUA（b）和NPP-VIIRS（c）衛(wèi)星反演的NDVI值出現(xiàn)頻次分布

2.3 不同植被類型 NDVI 對(duì)比

研究區(qū)主要的植被類型為草原、高山和荒漠，利用ARCGIS空間分析法分別提取不同類型植被在三種不同衛(wèi)星傳感器上的NDVI值（圖5）。按不同植被類型比較，對(duì)應(yīng)NDVI大小依次為：草原植被區(qū)＞荒漠植被區(qū)＞高山植被區(qū)。按衛(wèi)星傳感器類型比較，對(duì)應(yīng)NDVI大小依次為：NPP-VIIRS＞AQUA＞TERRA。

圖5 三種不同類型植被NDVI值對(duì)比

2.4 不同衛(wèi)星植被 NDVI 相關(guān)性分析

為了驗(yàn)證NPP-VIIRS衛(wèi)星反演植被NDVI的可信度，將反演結(jié)果與同一時(shí)段過境的TERRA和AQUA衛(wèi)星反演的NDVI進(jìn)行比較（圖6），發(fā)現(xiàn)NPP-VIIRS與TERRA、AQUA衛(wèi)星估算的NDVI值相關(guān)性均較好，判定系數(shù) R2分別為 0.657和 0.660（P＜0.001），屬于高度正相關(guān)。另外，同時(shí)段TERRA和AQUA衛(wèi)星反演的NDVI值間也呈正相關(guān)，判定系數(shù)R2為 0.666（P＜0.001）。因此，可以認(rèn)為NPP-VIIRS在反演植被NDVI上具有與AQUA和TERRA相同的優(yōu)勢，可以用于計(jì)算植被NDVI數(shù)據(jù)，并在日常業(yè)務(wù)監(jiān)測中應(yīng)用。

圖6 不同衛(wèi)星反演植被NDVI的散點(diǎn)分布（a.TERRA與AQUA，b.NPP-VIIRS與TERRA，c.NPP-VIIRS與AQUA）

3 結(jié)論

本文通過對(duì)NPP-VIIRS衛(wèi)星與MODIS衛(wèi)星（TERRA、AQUA）反演植被NDVI的一致性進(jìn)行檢驗(yàn)，評(píng)估了NPP-VIIRS衛(wèi)星在西藏植被監(jiān)測中的適用性，得到如下主要結(jié)論：

（1）TERRA、AQUA 和NPP-VIIRS衛(wèi)星反演的植被NDVI值均服從正態(tài)分布，NPP-VIIRS衛(wèi)星反演的植被NDVI值略大于MODIS兩顆衛(wèi)星反演的NDVI值。

（2）NPP-VIIRS衛(wèi)星與MODIS衛(wèi)星反演的植被NDVI指數(shù)具有較好的相關(guān)性，可以滿足高原地區(qū)監(jiān)測植被長勢的需求，未來可以替代MODIS衛(wèi)星繼續(xù)完成地表植被監(jiān)測任務(wù)，為西藏高原遙感生態(tài)環(huán)境監(jiān)測提供更可靠、穩(wěn)定的新數(shù)據(jù)源。