NDWI—-遥感空间植被液态水的归一化差异水分指数外文翻译资料

 2022-11-17 17:04:27

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NDWI----遥感空间植被液态水的归一化差异水分指数

Bo-Cai Gao

归一化植被指数（NDVI）已被广泛应用于植被遥感多年。该指数使用来自红色通道的辐射或反射率，大约在0.66um和近红外通道约0.86微米。红色通道位于强叶绿素吸收区，近红外通道位于植被冠层的高反射平台上。这两个通道对植被覆盖的深度有很大的不同。这篇文章介绍另一个指数，归一化水植被指数（NDWI），NDWI被用于遥感监测空间中的液态水。NDWI的定义为：(p(0.86 IJm) - p(1.24 um))/ (p(0.86 um) p(1.24 um))，其中p代表反射单位的辐射度。0.86um和1.24um通道都位于植被盖的高反射平台上。他们对植物冠层的遥感有相似的深度。靠近0.86微米的植被液体水吸收可忽略不计。存在1.24微米的弱液体吸收。 冠层散射增强了吸水性。 因此，NDWI敏感于植被冠层液态水含量的变化。0.86-1.24微米区域的大气气溶胶散射效应较弱。 NDWI在大气影响方面没有NDVI敏感，NDWI不能完全消除背景土壤反射效应，类似于NDVI。因为1.24um通道中包含的植被冠层的信息与0.66um附近的红色通道中包含的信息非常不同，NDWI应被视为独立的植被指数。它是NDVI的补充，而不是替代品。堆积绿色叶片的实验室测量反射光谱以及利用机载可见红外成像光谱仪（AVIRIS）在加利福尼亚州Jas-per Ridge和科罗拉多北部高原地区采集的光谱成像数据用于证明NDWI的有用性。 还给出了NDWI和NDVI图像的比较copy; Elsevier Science Inc., 1996.

介绍

归一化差异植被指数（NDVI）是过去20年来植被遥感最广泛使用的指标。它等于(pNIR - pRED) / (pNIR PRED), 其中PRED是接近0.66mu;m的红色通道的辐射（以反射单位），pNIR是接近红外通道的辐射（反射单位），约0.86mu;m。该指数已被用于许多应用，包括估计作物产量和季末地面干生物量（Tucker等，1986）。这两个通道用于NDVIsense通过不同深度的植被冠层。 近红外通道可以看到大约八个叶片层，而红色通道仅见到一个叶层或更少（Lillesaeter，1982），因为在0.67um附近有强的叶绿素吸收。尽管其有用性，但已知在应用于叶面积指数为3或更大的区域上的图像时，NDVI是饱和的。在过去的十年中，使用同一组近红外和红色通道开发了许多复杂程度不同的其他植被指数。这些指数并没有NDVI的指数那样流行。最近开发的抗大气植被指数（ARVI）（Kaufman和Tanre，1992）不仅使用近红外和红色通道，而且还使用了接近0.47um的蓝色通道。该指数具有大气效应的自校正特性。植物液态水遥感在农林业中有重要应用。

在这篇文章中，提出了一个归一化差异水指数（NDWI），它使用两个近红外通道，大约集中在0.86um和1.24um，用于从空间遥感植物液态水。先前未使用1.24um通道形成植被指数。 这个指数的初步研究在科学会议上被报道（Gao，1995）。

背景

0.9-2.5um地区绿色植被反射光谱中的光谱特征主要受液态水吸收的影响，而且受其他生化成分吸收的影响较弱（Gao和Goetz，1994）。Tucker（1980）首次提出，1.55-1.75um的光谱区间（Landsat TM Channel 5的带通）是0.7-2.5mu;m区域内用于监测太空植物冠层水状态的最适合的带。一些实验研究表明，随着叶片含水量下降（如Cibula等，1992），TM Channel 5带通的某些类型植被的反射率增加。利用TM Channel4（0.76-0.90mu;m）和TM Channel 5的多种宽通道比例和组合技术（Jackson等，1983; Hunt等，1987）被提出用于遥感植物水状况。一些使用宽通道比率技术的研究未能在生物有意义的范围内检测植物水分状况的变化（Hunt and Rock，1989; Pierce等，1990; Bowman，1990）。

成像光谱仪在许多连通的通道中获取图像，对于每个像素（像素），测量所覆盖的波长区域的无反射率或发射度谱（Goetz等，1985）。利用光谱匹配技术，从机载成像光谱仪数据中得到了等效水厚度（EWT）和植被冠层生物化学成分相关信息（Gao和Goetz，1995）。

一些未来的卫星仪器，如中分辨率成像光谱仪（MODIS）（Salomonson et al。，1989）和Landsat TM8，将在0.4-2.5mu;m的太阳光谱范围内有许多狭窄的离散通道，信噪比 大于100.由于这些仪器没有连续的光谱覆盖范围，因此频谱匹配技术显然不适合从这些仪器获取的数据推导植被的液态水含量。但是，仍然可以使用例如下面描述的归一化差异水指数（NDWI）从这些数据中获得植物液态水的一些信息。

图1.实验室测量的绿色和干燥植被反射光谱实例（Elvidge，1990）。 本图中7个MODIS通道的位置和宽度用粗横条标记。

NDWI的构造

这里提出的归一化差异水指数（NDWI）使用两个近红外通道; 一个大约在0.86um，另一个在1.24um。 NDVI简化后，NDWI定义为

其中p（lambda;）是表观反射率，lambda;是波长。P（lambda;）等于LR L（lambda;）/ [COS（Delta;O）E0（lambda;）]与L（lambda;），Delta;0，和E0（lambda;）为所测得的辐射率，太阳天顶角，并且太阳辐射在地球大气层之上，为了表明NDWI可用于遥感植被空间的植被液态水状态，绿色植被，干燥植被和土壤的反射特性以及大气气体和气溶胶的吸收散射特性如下所述。

绿色植被和干燥的植被

绿色和干燥植被反射光谱的实验室测量样本如图1所示。图中还显示了7个MODIS通道的位置和宽度。因为0.86um和1.24um通道都位于高反射平台上，所以两个通道的植被散射特性预计大致相同。在绿色植被光谱中，分别位于0.98um和1.20um的两个液体吸水特征很小。 尽管1.24um通道不在1.20um液态水特征的中心，但两种波长的液态水吸收量是可比的。该绿色植被光谱的NDWI值为0.064（正）。 0.8-1.3um地区干燥植被的反射率一般随波长而增加，除1.20um附近外，其中存在微弱的纤维素吸收带。

1.24微米处的纤维素吸收效果远小于1.20微米处的纤维素吸收效果。 因此，在形成NDWI中使用1.24mu;m的窄通道很大程度上避免了对NDWI的纤维素吸收作用。 NDWI的干燥植被光谱值为 - 0.056（负）。 一般来说，绿色植被的NDWI值是正值，这是由于1.24um附近的弱吸水率。

如图1所示，绿色植被光谱在1.5-2.5um区域的液态水吸收明显强于0.9-1.3um区域。当叶面积指数达到4或更高时，1.5-2.5um区域的反射光谱饱和（Lillesaeter，1982）。 另一方面，由于0.9-1.3um的液态水吸收较弱，该地区的植被光谱对叶片含水量变化敏感，直到叶面积指数达到8（Lillesaeter，1982）。图2说明了这种对液态水变化的敏感性，其中显示了0.05厘米，0.1厘米，0.2厘米和0.4厘米的水厚度的液态水透过率。这些透射光谱是使用由Palmer和Williams（1974）编制的水折射指数计算的。 图3显示NDWI是液体水厚度的函数。 NDWI与液态水厚度大致上呈线性变化。由于1.24um通道具有与0.86um通道类似的植被散射特性，并且因为1.24um通道对液态水变化敏感（见图2），认为NDWI对植被液态水变化敏感。

土壤

一些陆地表面部分被植被覆盖。 必须研究土壤背景对NDWI的影响。Bowker等编制了各种天然表面的反射光谱（1985）。 典型的土壤反射率随着0.8-1.3 um区域的波长而增加。 这些土壤的反射率，包括非常潮湿的土壤，没有显示出中心位于0.98um和1.20um附近的液态吸水带。图4a显示了500多个潮湿土壤的反射率在1.24um和0.86um之间的散点图（Stoner和Baumgardner，1980）。图中还显示了直线1：1线。图4b类似于图4a，除了大约130干燥的土壤。 由于大多数湿润和干燥土壤的反射率都在1.24um以上，大于0.86um的反射率，因此大多数裸土的NDWI值预计为负值。

图5a和5b更加明确地显示了土壤对NDWIs的影响。 在图5a中，显示了潮湿土壤的NDWI和0.86um反射率之间的散点图。 除了较干燥的土壤外，图5b与图5a类似。超过98％的土壤具有负NDWI。 只有少数土壤具有积极的NDWI。 这两个散点图都表明，随着0.86um反射率增加，NDWI增加，NDWI绝对值减小。散点图表明NDVI不能完全消除背景土壤的影响。

为了研究部分植被覆盖条件下土壤对NDWI的影响，研究了土壤和植被混合区域的NDWI。 这里考虑的植被是一种针叶林。植被的0.86um反射率为0.294，反射率为1.24um，为0.261。 反射率来自森林采集的遥感数据，其中大气效应被消除。 该植被覆盖率为100％的NDWI约为0.06。 计算所有与这种具有不同面积分数的植被混合的干湿土壤的NDWI。图6显示了所有湿地土壤与该植被（实线）混合物的平均NDWI以及所有干燥土壤与该植被混合物的平均NDWI（虚线）作为植被面积分数的函数。 两条曲线都表明，NDWI的平均值随着植被面积分数的增加而增加。

大气

0.9-2.5um区域内水汽和液态水带的中心波长位置相对偏移约50nm。这些变化归因于液相和气相中水的O-H键强度差异。图7显示了作为波长的函数的大气水蒸气透过率和液体水透过率。 可以看出，NDWI中使用的0.86um和1.24um通道都位于大气窗口，其中水蒸气吸收非常小。为了量化大气水汽对NDWIs的影响，图2中的液体水透过率谱乘以大气水汽透射谱，总水汽量在0和30cm之间。NDWIs从所得光谱计算。 这些NDWI与NDWIs在纯液态水情况下进行比较。对于0.05cm，0.1cm，0.2cm和0.4cm的液态水厚度，大气水汽对NDWIs的影响分别为1.50％，0.74％，0.37％和0.22％。而且这是还是被发现是由其他更大的错误引入的。因此，大气水汽对NDWI的影响非常小。

大气气溶胶散射和吸收太阳辐射。 Fraser和Kaufman（1985）先前研究了气溶胶散射和吸收在遥感中的相对重要性。 为了说明大气对NDWI和NDVI的影响，使用6S代码进行辐射传输计算（Vermoteet al。，1996）。 计算三个狭窄通道，分别为0.66um，0.865um和1.24um，太阳天顶角为30°，最低点为几何图形bull;计算中使用气溶胶浓度可调的农村气溶胶模型。 三种波长的地表植被假设反射率分别为0.03,0.3和0.24。该植被的真实NDVI值为0.818，NDWI值为0.107。

图8a显示了作为气溶胶光学深度函数的最终的大气顶层反射率。 对于p（0.66 / an）的曲线，由于主要的气溶胶和分子散射效应，气溶胶光学深度增加时表观反射率增加。 然而，对于p（0.865um）和p（1.24um）的曲线，由于气溶胶对明亮目标的主要吸收效应，因此气溶胶光学深度增加时，表观反射率降低（Fraser and Kaufman，1985）。图8b显示NDWI（虚线）和NDVI（实线）作为气溶胶光学深度的函数。 为了清楚地看到气溶胶对NDWI和NDVI影响的相对重要性，这两条曲线垂直缩放，结果如图8b所示的新曲线在零气溶胶光学深度处都具有相同的值1.0。可以看出，比例NDWI曲线（虚线）随着气溶胶光学深度的增加而降低得比标定的NDVI曲线（点划线）慢得多。 对于气溶胶光学厚度从0增加到1.0，NDWI降低了11％，NDVI增加了34％。 因此NDWI对大气散射效应的敏感性远低于NDVI。

用实验室数据进行演示

在前一节中，描述了NDWI的制定以及地表植被，土壤和大气对NDWI的影响。 为了证明NDWI对植被液态水遥感的有用性，本部分对实验室测得的堆放叶片反射光谱进行了分析。

反射光谱的实验室测量使用附有积分球的Beckman 5270光谱仪进行。 温室里的一棵小树上采摘的宽叶片堆放在样品架内。 为了减少这些表面的反射和散射，保持器的内部底面和侧面被涂成黑色。图9a显示了在0.8-1.4um区域中具有两个，四个和六个叶片层的叶片堆叠的测量反射光谱。 随着叶片层增加，整个光谱区域的反射率的绝对值增加。从该图中可以明显看出弱的液态吸水带集中在0.98um和1.20um左右。 图9b类似于图9a，不同之处在于光谱在0.86um附近归一化。 随着叶片层增加，由于液体吸水率增加，相对于0.80um附近的反射率接近1.24um的反射率下降。 图10显示了从测量的光谱计算的NDWls作为叶层的函数。 NDWI随着叶片层增加而增加，表明NDWI对堆积叶中液态水的总量敏感。

用AVIRIS数据进行演示

为了进一步证明NDWI对太空遥感植被液态水的有用性，对NASA /喷气推进实验室（JPL）机载可见红外成像光谱仪（AVIRIS）采集的光谱成像数据进行了分析（Vane et al。，1993 ）在本节中描述。 AVIRIS通常从覆盖整个0.4-2.5um太阳光谱区的224个10-nm通道中的20公里的ER-2飞机获取数据。 下文介绍了1992年6月2日在加利福尼亚州Jasper Ridge和1990年8月7日在科罗拉多州北部高原地区测量的AVIRIS数据的分析结果。

Jasper Ridge

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