MODIS指数介绍

MODIS指数简介

1. MODIS数据介绍

1.1 简介

MODIS（MODerate-resolution Imaging Spectroradiometer，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1.3 Terra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1 MODIS波段信息

基本用途 陆地与云的界限 波段序号 1 2 3 4 陆地与云的性质 5 6 7 8 9 海洋颜色，水体表层性质，生物化学 10 11 12 13 14

波段宽度 nm 620－670 841－876 459－479 545－565 1230－1250 1628－1652 2105－2155 405－420 438－448 483－493 526－536 546－556 662－672 673－683 分辨率 m 250 250 500 500 500 500 500 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 波段值类型 反射值 反射值 反射值 反射值 反射值 反射值 反射值 反射值 反射值 反射值 反射值 反射值 反射值 反射值 光谱灵敏度 W/m2-?m-sr 21.8 24.7 35.3 29.0 5.4 7.3 1.0 44.9 41.9 32.1 27.9 21.0 9.5 8.7 信噪比 128 201 243 228 74 275 110 880 838 802 754 750 910 1087

15 16 17 大气水分 18 19 基本用途 波段序号 20 地表/云温度 21 22 23 大气温度 卷云 水汽 臭氧 地表/云温度 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 云顶高度 34 35 36 743－753 862－877 890－920 931－941 915－965 波段宽度 ?m 3.660-3.840 3.929-3.989 3.929-3.989 4.020-4.080 4.433-4.498 4.482-4.549 1.360-1.390 6.535-6.895 7.175-7.475 8.400-8.700 9.580-9.880 10.780-11.280 11.770-12.270 13.185-13.485 13.485-13.785 13.785-14.085 14.085-14.385 1000 1000 1000 1000 1000 分辨率 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 反射值 反射值 反射值 反射值 反射值 波段值类型 辐射值 辐射值 辐射值 辐射值 辐射值 辐射值 辐射值 辐射值 辐射值 辐射值 辐射值 辐射值 辐射值 辐射值 辐射值 辐射值 辐射值 10.2 6.2 10.0 3.6 15.0 光谱灵敏度 W/m2-?m-sr 0.45(300K) 2.38(335K) 0.67(300K) 0.79(300K) 0.17(250K) 0.59(275K) 6.00 1.16(240K) 2.18(250K) 9.58(300K) 3.69(250K) 9.55(300K) 8.94(300K) 4.52(260K) 3.76(250K) 3.11(240K) 2.08(220K) 586 516 167 57 250 信噪比 0.05 2.00 0.07 0.07 0.25 0.25 150(SNR) 0.25 0.25 0.05 0.25 0.05 0.05 0.25 0.25 0.25 0.25

1.2 MODIS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2 MODIS数据产品分级

级别 0级数据 级别说明 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 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 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1级数据 2级数据 3级数据

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。

MODIS 1B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。

MODIS 1B 产品命名如下：

表3 MODIS 1B产品概要

MODIS 1B 文件的命名 MODIS/Terra MOD02QKM MODIS/Aqua MYD02QKM 产品内容 校正过的250m分辨率的对地观测数据 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 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 星上校正器（OBC）和工程数据 MOD02HKM MYD02HKM MOD021KM MOD02OBC MYD021KM MYD02OBC

1.3 Terra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4 Terra与Aqua卫星参数

发射时间 运载火箭 轨道高度 轨道周期 过境时间 地面重复周期 重量 星载传感器数据量 星载传感器名称 遥测 数据下行 总供电功率 卫星设计寿命 TERRA 1999年12月18日 ATLAS IIAS 太阳同步，705公里 98.8分钟 上午10：30 16天 5,190公斤 5个 MODIS、MISR、 CERES、 MOPITT、ASTER S波段 X波段（8212.5MHz) 3,000瓦 5年 AQUA 2002年5月4日 DELTA CLASS 太阳同步，705公里 98.8分钟 下午1：30 16天 2，934公斤 6个 AIRS、AMSU-A、 CERES、MODIS、HSB、AMSR-E S波段 X波段（8160MHz） 4,860瓦 6年

2. MODIS指数

2.1 NDVI与EVI

NDVI（归一化植被指数）公式为NDVI??nir??red。?nir对应MODIS第1波段CH 1，?red?nir??red对应MODIS第2波段CH 2。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。

0.90.80.70.6反射率0.50.40.30.20.100.20.4MODIS CH 1MODIS CH 20.60.811.21.41.61.82波长μm 图1 NDVI示意图

EVI计算公式为EVI?G??nir??red，其中C1、C2、L和G是常量，默认值

?nir?C1??nir?C2??blue?L分别是6.0、7.5、1.0和2.5；?blue对应MODIS第4波段CH 4。

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。 2.2 NDWI（归一化水指数）

MODIS的归一化水指数计算公式为NDWI?CH4?CH2。水体在550?m处有较高的反射

CH4?CH2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NDWI>0。 2.3 NDSI（归一化积雪指数）

MODIS的归一化积雪指数计算公式为NDVI?CH4?CH6。积雪有很强的可见光反射和很

CH4?CH6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）

1积雪0.8反射率0.6MODIS CH 4MODIS CH 60.40.2000.51波长μm1.522.5 图2 积雪指数示意图

2.4 VSWI（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VSWI?NDVI。其中T31和T32

a?T31?b?T32?c分别为MODIS第31和第32波段的亮温。a = 3.6125，b = -2.5779， c = -10.05。 2.5 LST（地表温度）

LST：Land Surface Temperature。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。

2.6 LAI（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

得叶面积指数的有效方法。 2.7 VCI（植被状态指数）

植被状态指数的定义为VCI?NDVIi?NDVImin。其中NDVIi为某一特定年第i个时段某一

NDVImax?NDVImin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。 2.8 RVI（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RVI?2.9 TCI（温度状态指数）

温度状态指数定义为TCI?Tmax?Ti。其中，Ti为某一像素在某一特定年第i个时段的

Tmax?Tmin?red。 ?nir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条件，如净辐射、风速、湿度等对热红外遥感的影响及土地表面温度的季节性变化。 2.10

PTI（热惯量）

热惯量是对物质温度变化的一种量度，是表示物质热惰性（阻止物质温度变化）大小的物理量。高热惯量的物体对温度的变化阻力大，反之亦然。因此热惯量的大小决定了地表温度变化的快慢。直接测量热惯量不可能实现，可以通过遥感等手段测量。MODIS数据计算热惯量同时需要该地区白天的影像和夜间影像，计算公示如下：

W=a*PATI+b PATI =(1-ABE)/ΔT

ABE=0.155*CH1 + 0.062*CH2 + 0.161*CH3 + 0.146*CH4 + 0.112*CH8 + 0.092*CH9 + 0.093*CH10 + 0.091*CH11 + 0.049*CH14 + 0.035CH15

ΔT=Td -Tn

Td = 3.6125*CH31 - 2.5779*CH32 - 10.05

Tn = 3.6125*CH31 - 2.5779*CH32 - 10.05

其中：PATI为表观热惯量，ABE为地表全波段反照率，ΔT为一天最高温度、最低温度差，Td为白天的地面温度，Tn为夜晚的地面温度。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/5xiv.html