MODIS指数介绍

MODIS指数简介1.MODIS数据介绍1.1简介MODIS（MODerate-resolutionImagingSpectroradiometer，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1.3Terra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1MODIS波段信息基本用途波段序号波段宽度nm分辨率m波段值类型光谱灵敏度W/m2-m-sr信噪比陆地与云的界限1620－670250反射值21.81282841－876250反射值24.7201陆地与云的性质3459－479500反射值35.32434545－565500反射值29.022851230－1250500反射值5.47461628－1652500反射值7.327572105－2155500反射值1.0110海洋颜色，水体表层性质，生物化学8405－4201000反射值44.98809438－4481000反射值41.983810483－4931000反射值32.180211526－5361000反射值27.975412546－5561000反射值21.075013662－6721000反射值9.591014673－6831000反射值8.7108715743－7531000反射值10.258616862－8771000反射值6.2516大气水分17890－9201000反射值10.016718931－9411000反射值3.65719915－9651000反射值15.0250基本用途波段序号波段宽度m分辨率波段值类型光谱灵敏度W/m2-m-sr信噪比地表/云温度203.660-3.8401000辐射值0.45(300K)0.05213.929-3.9891000辐射值2.38(335K)2.00223.929-3.9891000辐射值0.67(300K)0.07234.020-4.0801000辐射值0.79(300K)0.07大气温度244.433-4.4981000辐射值0.17(250K)0.25254.482-4.5491000辐射值0.59(275K)0.25卷云261.360-1.3901000辐射值6.00150(SNR)水汽276.535-6.8951000辐射值1.16(240K)0.25287.175-7.4751000辐射值2.18(250K)0.25298.400-8.7001000辐射值9.58(300K)0.05臭氧309.580-9.8801000辐射值3.69(250K)0.25地表/云温度3110.780-11.2801000辐射值9.55(300K)0.053211.770-12.2701000辐射值8.94(300K)0.05云顶高度3313.185-13.4851000辐射值4.52(260K)0.253413.485-13.7851000辐射值3.76(250K)0.253513.785-14.0851000辐射值3.11(240K)0.253614.085-14.3851000辐射值2.08(220K)0.251.2MODIS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2MODIS数据产品分级级别级别说明0级数据卫星地面站直接接收到的、未经处理的、包括全部数据信息在内的原始数据为0级数据1级数据对没有经过处理的、完全分辨率的仪器数据进行重建，数据时间配准，使用辅助数据注解，计算和增补到0级数据之后为1级数据2级数据在1级数据基础上开发出的、具有相同空间分辨率和覆盖相同地理区域的数据为2级数据3级数据3级数据时以统一的时间-空间栅格表达的变量，通常具有一定的完整性和一致性。在3级水平上，将可以集中进行科学研究，如：定点时间序列，来自单一技术的观测方程和通用模型等4级数据通过分析模型和综合分析3级以下数据得出的结果数据为4级数据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。MODIS1B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。MODIS1B产品命名如下：表3MODIS1B产品概要MODIS1B文件的命名产品内容MODIS/TerraMODIS/AquaMOD02QKMMYD02QKM校正过的250m分辨率的对地观测数据MOD02HKMMYD02HKM校正过的500m分辨率的对地观测数据，包括250m重采样为500m分辨率的数据MOD021KMMYD021KM校正过的1km分辨率的对地观测数据，包括250m和500m重采样为1km分辨率的数据MOD02OBCMYD02OBC星上校正器（OBC）和工程数据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4Terra与Aqua卫星参数TERRAAQUA发射时间1999年12月18日2002年5月4日运载火箭ATLASIIASDELTACLASS轨道高度太阳同步，705公里太阳同步，705公里轨道周期98.8分钟98.8分钟过境时间上午10：30下午1：30地面重复周期16天16天重量5,190公斤2，934公斤星载传感器数据量5个6个星载传感器名称MODIS、MISR、CERES、MOPITT、ASTERAIRS、AMSU-A、CERES、MODIS、HSB、AMSR-E遥测S波段S波段数据下行X波段（8212.5MHz)X波段（8160MHz）总供电功率3,000瓦4,860瓦卫星设计寿命5年6年2.MODIS指数2.1NDVI与EVINDVI（归一化植被指数）公式为nirrednirredNDVI。nir对应MODIS第1波段CH1，red对应MODIS第2波段CH2。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1NDVI示意图EVI计算公式为12nirrednirnirblueEVIGCCL，其中C1、C2、L和G是常量，默认值分别是6.0、7.5、1.0和2.5；blue对应MODIS第4波段CH4。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。2.2NDWI（归一化水指数）MODIS的归一化水指数计算公式为CH4CH2CH4CH2NDWI。水体在550m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NDWI0。2.3NDSI（归一化积雪指数）MODIS的归一化积雪指数计算公式为CH4CH6CH4CH6NDVI。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0.5m附近有高反射率，在1.6m和2.1m附近反射率较低（图2）MODISCH1MODISCH200.10.20.30.40.50.60.70.80.90.20.40.60.811.21.41.61.82反射率波长μm图2积雪指数示意图2.4VSWI（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3132NDVIVSWIaTbTc。其中T31和T32分别为MODIS第31和第32波段的亮温。a=3.6125，b=-2.5779，c=-10.05。2.5LST（地表温度）LST：LandSurfaceTemperature。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。2.6LAI（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MODISCH4MODISCH600.20.40.60.8100.511.522.5反射率波长μm积雪得叶面积指数的有效方法。2.7VCI（植被状态指数）植被状态指数的定义为minmaxminiNDVINDVIVCINDVINDVI。其中NDVIi为某一特定年第i个时段某一像素的NDVI值，NDVImax和NDVImin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，NDVImax-NDVImin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NDVImin，作物长势越差。2.8RVI（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rednirRVI。2.9TCI（温度状态指数）温度状态指数定义为maxmaxminiTTTCITT。其中，Ti为某一像素在某一特定年第i个时段的地表温度，Tmax和Tmin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