2000–2017 年江漢平原耕地遙感植被指數(shù)數(shù)據(jù)集

陳迪，吳定峰

1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100086

2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)信息研究所，北京 100086

引 言

基于地物的光譜特征，將不同遙感通道信號(hào)特征進(jìn)行綜合分析運(yùn)算得到的遙感光譜指數(shù)是方便快捷地監(jiān)測(cè)地物狀態(tài)的重要手段[1]。植被指數(shù)是一種廣泛使用的遙感光譜指數(shù)，反映的是地上植被生長(zhǎng)的密度和茂盛度[2]，耕地植被指數(shù)是反映耕地作物生長(zhǎng)情況和田間生態(tài)環(huán)境狀態(tài)的重要指標(biāo)，被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)區(qū)劃和農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。江漢平原是我國(guó)自古以來有名的魚米之鄉(xiāng)，是我國(guó)少有的能大量出產(chǎn)稻，麥，粟，棉，麻，油，糖，魚，菜的地區(qū)[3]。針對(duì)江漢平原耕地的各類植被指數(shù)數(shù)據(jù)集鮮有公開。與其他數(shù)據(jù)相比，MODIS（Moderate-resolution imaging spectroradiometer，中分辨率成像光譜儀）遙感數(shù)據(jù)具有持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、光譜范圍廣、時(shí)間分辨率高的特點(diǎn)，可以提供長(zhǎng)時(shí)間序列的周期性對(duì)地觀測(cè)服務(wù)。本數(shù)據(jù)集以2000–2017 年江漢平原的MODIS 數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，整理出6 種常用的遙感植被指數(shù)數(shù)據(jù)，對(duì)于研究江漢平原作物生長(zhǎng)規(guī)律和耕地環(huán)境變遷具有重要的意義。

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

1.1 數(shù)據(jù)采集方法

本數(shù)據(jù)集利用2000–2017 年時(shí)序MODIS 數(shù)據(jù)計(jì)算獲得。MODIS 是一種重要的光譜傳感器，被安裝于Terra 和Aqua 太陽(yáng)同步極軌衛(wèi)星上。Terra MODIS 和Aqua MODIS 每1–2 天對(duì)地球表面觀測(cè)一次。MODIS 數(shù)據(jù)的光譜范圍是0.4–14.5 μm，共36 個(gè)波段，其星下點(diǎn)空間分辨率分別為：第1–2 波段250 m、第3–7 波段500 m、第8–36 波段1000 m。本數(shù)據(jù)集采用8 天合成的MODIS/Terra 地表反射率Collection 6 產(chǎn)品（MOD09A1 V006），數(shù)據(jù)空間分辨率500 m，且經(jīng)過大氣校正并已轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)正弦（Sinusoidal）投影。2000–2017 年江漢平原的MOD09A1 V006 產(chǎn)品從NASA EARTHDATA網(wǎng)站（https://earthdata.nasa.gov）下載。

本數(shù)據(jù)集的耕地區(qū)域利用美國(guó)波士頓大學(xué)生產(chǎn)的全球地表覆蓋產(chǎn)品（MCD12Q1 V006）進(jìn)行提取。MCD12Q1 V006 是利用增強(qiáng)型植被指數(shù)及MODIS 1–7 波段的光譜特征和時(shí)間特征，使用貝葉斯規(guī)則調(diào)整類條件概率，進(jìn)行決策樹分類生產(chǎn)的，空間分辨率500 m[4]，可從NASA EARTHDATA網(wǎng)站（https://earthdata.nasa.gov）下載。需要說明的是，由于該產(chǎn)品從2001 年開始每年發(fā)布一期，2000 年的耕地區(qū)域使用2001 年的產(chǎn)品進(jìn)行提取。

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

首先利用NASA 開發(fā)的MODIS轉(zhuǎn)投影工具（MODIS Reprojection Tool，MRT）對(duì)MOD09A1 V006數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接和投影轉(zhuǎn)換，再利用江漢平原的區(qū)劃圖對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪。最后輸出的數(shù)據(jù)為Geo TIFF格式，采用Geographic 投影，WGS84 基準(zhǔn)面，空間分辨率500 m。利用處理后的MOD09A1 數(shù)據(jù)計(jì)算6 種遙感植被指數(shù)：歸一化差值植被指數(shù)（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）[5]、增強(qiáng)型植被指數(shù)（Enhanced vegetation index，EVI）[6]、差值植被指數(shù)（Difference Vegetation Index，DVI）[7]、比值植被指數(shù)（Ratio Vegetation Index，RVI）[8]、調(diào)整土壤亮度植被指數(shù)（Soil-Adjusted Vegetation Index，SAVI）[9]、植被水分指數(shù)/歸一化水指數(shù)（Normalized Difference Water Index，NDWI）[10]。6 種指數(shù)計(jì)算公式如下。其中，b1為MOD09A1 包含的紅光波段（620–670 nm），b2為近紅外波段（841–876 nm），b3為藍(lán)光波段（459–479 nm），b5為中紅外波段（1230–1250 nm）。

NDVI 計(jì)算公式為：

EVI 計(jì)算公式為：

RVI 計(jì)算公式為：

DVI 計(jì)算公式為：

SAVI 計(jì)算公式為：

式中，L 取值為0.5。NDWI 計(jì)算公式為：

2 數(shù)據(jù)樣本描述

2.1 數(shù)據(jù)組成

本數(shù)據(jù)集包含2000–2017 年江漢平原耕地區(qū)域的NDVI、EVI、RVI、DVI、SAVI、NDWI 六種遙感植被指數(shù)。其空間分辨率500 m，采用Geographic 投影，WGS84 坐標(biāo)系，總數(shù)據(jù)量37.4 MB。每一種植被指數(shù)單獨(dú)打包為一個(gè)rar 壓縮包，每個(gè)壓縮包內(nèi)文件按年份命名，命名規(guī)則為“研究區(qū)縮寫_植被指數(shù)名稱_數(shù)值類型_年份”，如JH_NDVI_mean_2000。每年有tfw、tif、tif.aux.xml 3 個(gè)文件，分別是影像坐標(biāo)信息文件、影像文件、影像輔助信息文件。

2.2 數(shù)據(jù)樣本

通過本文1.2 節(jié)中的數(shù)據(jù)處理方法，得到江漢平原耕地區(qū)域500 m 分辨率的植被指數(shù)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)樣本如圖1 所示。

圖1 江漢平原遙感植被指數(shù)數(shù)據(jù)年均值樣本

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評(píng)估

本數(shù)據(jù)集生產(chǎn)過程中基于MOD09A1 的質(zhì)量控制文件進(jìn)行了嚴(yán)格的質(zhì)量控制，將數(shù)據(jù)進(jìn)行異常值剔除、填充值處理等操作以確保數(shù)據(jù)質(zhì)量。數(shù)據(jù)處理過程采用自動(dòng)化程序完成，并進(jìn)行了人工復(fù)驗(yàn)。需特別說明的是，由于缺少2000 年的地表覆蓋數(shù)據(jù)，本數(shù)據(jù)集中2000 年的耕地區(qū)域是使用2001年地表覆蓋數(shù)據(jù)產(chǎn)品提取的，可能導(dǎo)致本數(shù)據(jù)集中2000 年的耕地?cái)?shù)據(jù)與實(shí)際有些微差異。

4 數(shù)據(jù)使用方法和建議

本數(shù)據(jù)集可通過國(guó)家農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)中心在線服務(wù)門戶（www.agridata.cn）下載獲取，對(duì)數(shù)據(jù)的可視化使用建議通過ArcMap 進(jìn)行加載，在ArcGIS 軟件中可對(duì)本數(shù)據(jù)集中的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、重組、計(jì)算處理等一系列操作。以本數(shù)據(jù)集為基礎(chǔ)可開展江漢平原作物種植和生長(zhǎng)情況的歷史溯源研究，本數(shù)據(jù)集亦可作為江漢平原農(nóng)田生態(tài)演進(jìn)研究的基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)。

致 謝

感謝常乃杰博士在本數(shù)據(jù)集數(shù)據(jù)處理過程中提供的無私幫助，感謝周清波研究員和吳文斌研究員在本數(shù)據(jù)集收集整理過程中提供的指導(dǎo)。