NPP-VIIRS卫星在西藏植被监测中的应用研究

益西卓玛 , 拉 巴 , 顿玉多吉

（西藏自治区气候中心，拉萨 850001）

引言

植被长势作为陆地生态系统的关键因子之一，其监测是高原生态环境监测中的一项重要内容。迄今为止，利用遥感手段监测植被长势方面的研究成果十分丰富，从最初公里级空间分辨率的NOAA卫星，到后来百米级分辨率的MODIS卫星，直至目前30 m分辨率的Landsat卫星和16 m分辨率的高分卫星，无论是在空间还是时间分辨率上，植被长势监测能力都取得了巨大的进步。Suomi NPP卫星作为与MODIS卫星具有相同特点的新一代极轨气象卫星，未来可以代替MODIS卫星继续完成陆面地表参数的遥感监测工作，作为MODIS卫星数据的延续卫星，可以作为地球生态环境监测和气候变化研究的重要数据源。

近年来，利用MODIS卫星反演的长时间序列植被NDVI产品开展的研究较多[1-3]，有利用植被NDVI产品反演植被覆盖度、物候期、生物量、植被分类的研究，还有结合气候要素和人为要素等研究植被生态变化对气候变化的响应分析。以上研究结果表明了植被NDVI产品可用于地表植被生态系统动态变化和气候变化研究。目前，NPP-VIIRS卫星数据仅在夜间灯光遥感、火灾和土壤湿度监测中有所应用[4-6]，而在植被监测领域的研究较少。西藏自治区遥感应用研究中心作为中国气象局西南区FY-3卫星省级地面接收站，从2002年开始接收极轨气象卫星数据，先后完成了2次系统升级任务，于2018年建成了FY-3号02批卫星接收处理系统。该系统在原有MODIS、NOAA和FY-3 数据的基础上，能够实时接收NPP-VIIRS卫星数据，为西藏高原地区生态环境监测提供了新的数据支撑。本文以NPP-VIIRS卫星在西藏地区植被生态监测中的应用探索为目的，对NPP-VIIRS卫星与MODIS卫星（TERRA、AQUA）反演植被NDVI产品的一致性进行检验，评估NPP-VIIRS卫星在西藏植被监测中的应用前景，以期更好地为西藏生态环境遥感监测提供数据支撑。

1 数据与方法

1.1 卫星数据简介

对地观测卫星（Earth Observing Satellites，EOS）是美国新一代地球观测系统计划的组成部分，装载有5个传感器，其中包括了中分辨率成像光谱仪（MODIS）。EOS卫星设计为近太阳同步极轨的双星系统，由上午星（EOS-TERRA）和下午星（EOS-AQUA）组成。美国新一代极轨运行环境卫星系统预备计划（National Polar-orbiting Operational Environmental Satellite System Preparatory Project，NPP）是极轨运行环境卫星系统（NPOESS）的预备项目[7]。NPOESS原本是美国21世纪卫星计划，2010年美国将NPOESS计划进行了重组，其中NOAA承担的部分命名为JPSS[8]。NPP计划的第一颗卫星于2011年10月从范登堡空军基地由Delta-II火箭发射升空，JPSS计划的第一颗卫星于2017年发射。NPP卫星设计寿命为7年，卫星上搭载了五种载荷，其中可见光红外辐射仪（VIIRS）作为最重要的载荷，汲取了当代业务和科研观测系统中最先进的技术。

VIIRS 有 22 个光谱波段（表1），分布在 0.3～14 μm波长区间。其中，可见光～近红外（0.4～0.9 μm）9 个，短、中波红外（1～4 μm）8 个，热红外（8～12 μm）4 个。为监测夜间云层和全球夜间灯光强度分布，还专门设计了1个低照度条件下中心波长位于0.7 μm的可见光～近红外宽波段 DNB（Day-Night Band）[9]。

表1 VIIRS各波段技术参数

1.2 实验数据

本研究选取了2018年8月28日TERRA、AQUA和NPP-VIIRS卫星过境高原时的数据，三部卫星过境时间分别为：13:52、15:24与14:59。高原地区夏季晴空日数极少，因此，本文仅获取到三景同一日过境西藏高原上空的晴空数据作为实验数据。数据覆盖区域为西藏西北部阿里地区日土县，平均海拔5145 m，该地区植被类型主要以草原、高山稀疏植被和荒漠类为主。其中，草原类分布有青藏苔草、紫花针茅、羽柱针茅高原草原、沙生针茅荒漠草原；高山类植被分布有三指雪莲花、西藏扁芒菊稀疏植被；荒漠类植被以垫状驼绒藜高寒荒漠为主。另外，研究区境内也发育有班公错、鲁玛江冬错，古里雅冰川等重要的湖泊、冰川资源[10]（图1）。

图1 研究区地形和植被分类

首先，分析省级站接收的原始L0级数据，经过地面处理应用系统的处理（包括数据辐射定标、大气校正、投影等），生成L2级数据，数据格式为（.ld3）。该数据在ARCGIS、ENVI软件中完成裁剪、反演NDVI、重采样等工作，最终将三个不同传感器接收的数据均采用等经纬度投影，重采样分辨率为0.01°×0.01°。NDVI反演的具体公式如下：

式中： ρNIR和 ρR分别表示近红外波段反射率和红外波段反射率，其中TERRA和AQUA卫星对应为2、1通道的反射率，NPP-VIIRS卫星对应为I2、I1通道的反射率。

植被NDVI删格数据的统计分析和遥感影像的制作在EXCEL、R语言和ARCGIS中完成。在选择统计样本数据时，以日土县为边界，创建随机矢量点数据，从中剔除无效值和冰雪湖泊区域，最后确定了空间上分布均匀的189个样点作为分析样本（图2），利用GIS空间分析方法，提取每个点对应的NDVI值，构建直方图和数据散点图进行统计分析。

图2 监测样点分布

2 结果分析

2.1 植被 NDVI 空间分布特征

图3给出了TERRA、AQUA和NPP-VIIRS三颗卫星反演植被NDVI的空间分布。整体上看，日土县植被NDVI较低，三颗卫星反演估算的NDVI平均值分别为TERRA 卫星（0.13）、AQUA 卫星（0.13）以及NPP-VIIRS卫星（0.21）。从空间分布上看，三颗卫星反演的NDVI值整体分布特征较为一致，TERRA和AQUA卫星反演的NDVI无论数值大小还是空间分布特征近乎一致，NPP-VIIRS卫星也能较好地反映日土县植被覆盖的基本特征；三颗卫星反演的NDVI值＞0.17区域主要分布在南部和中东部，表明日土县东南部地区的植被覆盖情况相对较好。从不同等级的NDVI值分布特点来看，TERRA和AQUA卫星的NDVI估算值大致介于0.13～0.17；NPP-VIIRS卫星的NDVI估算值介于0.17～0.24，南部部分地区的估算值超过了0.24，最大值达到0.69；三颗卫星反演的NDVI值＜0.08的区域基本一致，均位于日土县北部，说明该地区植被覆盖相对稀疏；此外，0.08～0.17的NDVI估算值主要出现在TERRA和AQUA卫星反演的空间分布中，而在NPP-VIIRS卫星反演中此类区域较少。

图3 2018年8月28日不同卫星反演日土县植被NDVI的空间分布（a.TERRA，b.AQUA，c.NPP-VIIRS）

2.2 NPP-VIIRS 卫星反演植被 NDVI的对比检验

本文采用随机抽样方法对来自不同卫星反演估算的NDVI值进行对比分析（图4）。如图所示，三颗卫星估算的NDVI值均成正态分布，其中TERRA和AQUA卫星反演的NDVI平均值为0.13，最大值分别为0.32和0.31；NPP-VIIRS卫星反演的NDVI平均值为0.22，最大值达0.37；TERRA、AQUA 和NPP-VIIRS三颗卫星随机抽样的最小值分布分别为0.00、0.02和0.06。从以上统计指标可以看出，NPP-VIIRS反演的NDVI值均大于TERRA和AQUA卫星。从NDVI值的分布范围来看，TERRA和AQUA卫星估算的NDVI值范围基本一致，数值主要集中在0.05～0.20，且出现频数均高于30；而NPP-VIIRS卫星估算的NDVI值集中在0.20～0.25，与MODIS 两颗卫星不同，0.05～0.1 估算值出现频数低于10，而0.25～0.30估算值出现频数高于20。

图4 TERRA（a）、AQUA（b）和NPP-VIIRS（c）卫星反演的NDVI值出现频次分布

2.3 不同植被类型 NDVI 对比

研究区主要的植被类型为草原、高山和荒漠，利用ARCGIS空间分析法分别提取不同类型植被在三种不同卫星传感器上的NDVI值（图5）。按不同植被类型比较，对应NDVI大小依次为：草原植被区＞荒漠植被区＞高山植被区。按卫星传感器类型比较，对应NDVI大小依次为：NPP-VIIRS＞AQUA＞TERRA。

图5 三种不同类型植被NDVI值对比

2.4 不同卫星植被 NDVI 相关性分析

为了验证NPP-VIIRS卫星反演植被NDVI的可信度，将反演结果与同一时段过境的TERRA和AQUA卫星反演的NDVI进行比较（图6），发现NPP-VIIRS与TERRA、AQUA卫星估算的NDVI值相关性均较好，判定系数 R2分别为 0.657和 0.660（P＜0.001），属于高度正相关。另外，同时段TERRA和AQUA卫星反演的NDVI值间也呈正相关，判定系数R2为 0.666（P＜0.001）。因此，可以认为NPP-VIIRS在反演植被NDVI上具有与AQUA和TERRA相同的优势，可以用于计算植被NDVI数据，并在日常业务监测中应用。

图6 不同卫星反演植被NDVI的散点分布（a.TERRA与AQUA，b.NPP-VIIRS与TERRA，c.NPP-VIIRS与AQUA）

3 结论

本文通过对NPP-VIIRS卫星与MODIS卫星（TERRA、AQUA）反演植被NDVI的一致性进行检验，评估了NPP-VIIRS卫星在西藏植被监测中的适用性，得到如下主要结论：

（1）TERRA、AQUA 和NPP-VIIRS卫星反演的植被NDVI值均服从正态分布，NPP-VIIRS卫星反演的植被NDVI值略大于MODIS两颗卫星反演的NDVI值。

（2）NPP-VIIRS卫星与MODIS卫星反演的植被NDVI指数具有较好的相关性，可以满足高原地区监测植被长势的需求，未来可以替代MODIS卫星继续完成地表植被监测任务，为西藏高原遥感生态环境监测提供更可靠、稳定的新数据源。