FY-3B_D星NDVI与MODIS NDVI对作物长势监测对比.pdf

FY-3B/D 星 NDVI 与 MODIS NDVI 对作物长势监测对比*钱永兰1赵晓凤1张晔萍2张明伟2王圆圆2吴门新1王小平3QIANYonglan1ZHAOXiaofeng1ZHANGYeping2ZHANGMingwei2WANGYuanyuan2WUMenxin1WANGXiaoping31.国家气象中心，北京，1000812.国家卫星气象中心，北京，1000813.中国气象局兰州干旱气象研究所，中国气象局干旱气候变化与减灾重点实验室，兰州，7300201.National Meteorological Centre，Beijing 100081，China2.National Satellite Meteorological Centre，Beijing 100081，China3.Institute of Arid Meteorological Lanzhou，Key laboratory of Arid Climate Change and Reducing Disaster of CMA，Lanzhou 730020，China2023-02-03 收稿，2023-04-13 改回.钱永兰，赵晓凤，张晔萍，张明伟，王圆圆，吴门新，王小平.2023.FY-3B/D 星 NDVI 与 MODISNDVI 对作物长势监测对比.气象学报，81（4）：660-672Qian Yonglan，Zhao Xiaofeng，Zhang Yeping，Zhang Mingwei，Wang Yuanyuan，Wu Menxin，Wang Xiaoping.2023.Comparison ofcrop growth monitoring based on FY-3B/D NDVI and MODIS NDVI.Acta Meteorologica Sinica，81（4）:660-672AbstractObjectiveevaluationofNDVIdata,thecropgrowthmonitoringdatafromChineseFengyun3(FY-3)thatisopentotheworldwideusers,ishelpfulfortheapplicationandpromotionofoperationalproducts,algorithmimprovementandcalibrationoflong-termtimeseriesdatasets.Inthestudy,theoperational10-dayandmonthlycompositeNDVIdatasetsofFY-3BandFY-3DarecomparedwiththesimilaroperationalMODISNDVIdatasetsofMOD13A1andMOD13A3andassessedforcropgrowthmonitoringbased on the interannual difference comparative model,vegetation condition index model and the NDVI-based crop growingprogress.TheresultsoftheinterannualdifferencecomparativemodelsuggestthatthedynamicrangeofmonitoringbasedonFY-3NDVIisabout0.10.15narrowerthanthatbasedonMODISNDVI，themodeloutputdifferencesarebetween0.02and0.02,andtheirstandarddeviationsarebetween0.08and0.09,whichcanbeignoredincataloguingevaluationofthecropgrowthcondition.ButthenarrowerdynamicrangeofFY-3suggestsitisnecessarytogradethecroplevelwithanarrowerthreshold.Asforthevegetationconditionindexmodel,thedifferencesbetweenFY-3BNDVIandMODISNDVIareclosetozero,whichindicatesFY-3BNDVIcangenerate the approximately equal model output to MODIS NDVI.Therefore,FY-3BNDVI,likeMODISNVDI,canmake adistinction ofdifferentcropgrowth conditions amongdifferentyears.Additionally,FY-3andMODISmonthlycompositeNDVIsproduceapproximatelythesamechangetrendalongwiththecropgrowingseason,butduringtherapidchangeperiodofcropNDVI,MODISmonthlycompositeNDVIusuallyyieldsadifferenttrend,whichisresultedfromitsaggregationmethodusingthree16-daycompositeswithaweightedaverageapproach.FY-310-daycompositeNDVIandMODIS16-daycompositeNDVIhavethesamecropprogressmonitoringresult,buttheformerprovidesbetterinterannualdifferentiationduringtheexuberantperiodofcropgrowth,*资助课题：中国气象局风云卫星应用先行计划（2022）（FY-APP-2022.0303）、中国气象局创新发展专项（CXFZ2021Z061）、国家自然科学基金项目（42075120）。作者简介：钱永兰，主要从事农业遥感与农业气象研究。E-mail：doi:10.11676/qxxb2023.20230012气象学报whilethelatterhasasmoothermonitoringcurve.However,thereisanoveralldifferencebetweenFY-3NDVIandMODISNDVI,whichneedstobeeliminatedthroughfurtherdataprocessing,qualitycontrolandobjectivecalibrationtoproducestandardizedNDVIproductsconsistentwithMODISNDVIforlong-termquantitativeassessmentofcropgrowthcondition.Key wordsFY-3，FY-3NDVI，MODISNDVI，Cropgrowthmonitoring摘要风云三号卫星（FY-3）NDVI 数据是中国对全球用户开放可进行全球尺度作物长势监测的主要卫星遥感数据源，客观评估其进行作物长势监测的真实状况和能力，对业务产品应用推广、产品算法和流程改进以及长时序标准数据生产等具有重要意义。采用国际通用的年际差值比较模型、植被状况指数模型（VCI）以及基于 NDVI 的作物生长过程评估了中国风云三号 B 星（FY-3B）和 D 星（FY-3D）NDVI 旬、月合成业务产品与同期 MODISMOD13A1 和 MOD13A3NDVI 数据对作物长势的监测情况。年际比较模型结果表明，FY-3NDVI 的监测动态范围比 MODISNDVI 的窄约 0.10.15，两者差值在0.020.02，均方根误差在0.080.09，在长势分级评估时可忽略，但动态范围偏窄提示有必要在分级评估时使用窄一些的阈值范围。植被状况指数模型结果表明，FY-3BNDVI 和 MODISNDVI 的监测结果高度一致，因此 FY-3BNDVI 和 MODISNDVI 一样可准确反映作物生长的年际差异。作物生长过程动态监测结果表明，FY-3 和 MODIS 月合成 NDVI 的年际比较结果总体一致，但在作物快速生长阶段，MODIS 用 3 个 16d 数据采用权重法合成月值的方法有一定偏差，导致两者出现差异；FY-3 旬合成数据和 MODIS16d 合成数据的监测结果总体一致，前者在作物生长旺季的年际区分度更优，后者的监测曲线更平滑。但是，FY-3NDVI 与 MODISNDVI 存在总体偏差，需进一步的数据处理、质量控制和客观标定，以生成与 MODIS、AVHRR 等一致且连续的长时序 FY-3NDVI 标准数据集产品，方可用于作物生长参数定量评估。关键词 FY-3，FY-3NDVI，MODISNDVI，作物长势监测中图法分类号P49S1271引言风云三号（Fengyun3，简称 FY-3）气象卫星是继中国第一代极轨气象卫星风云一号（FY-1）之后的第二代极轨气象卫星，目前已发射 3 批次（Jin，etal，2010；卢乃锰等，2012；Yang，etal，2012；张鹏等，2012），FY-3B 和 FY-3D 分别为 01 批和 02 批的下午星，其中 FY-3D 自 2020 年正式接替 FY-3B 在轨服役，提供常规业务产品（朱爱军等，2018）。FY-3 携带的光学成像仪有 2 种（张甲珅等，2009；张鹏等，2012），一种是可见光红外扫描辐射计（VIRR），其功能类似于美国 NOAA 系列卫星上的 AVHRR，另一种是中分辨率光谱成像仪（MERSI），是 VIRR的升级换代仪器，功能类似于美国 EOS 卫星上的MODIS，拥有 20 个可见光至热红外通道，刈幅与VIRR 相同，其中有 5 个空间分辨率 250m 的光谱通道，其他 15 个通道星下点空间分辨率为 1km。FY-3D 携带的 MERSIII 是在 FY-3B 携带的 MERSI基础上的改进（Xu，etal，2018；Yang，etal，2019）。FY-3 VIRR 和 MERSI 数 据 与 美 国 NOAA/AVHRR、EOS/MODIS、欧盟 SPOT/VEGETATION等卫星遥感数据一样可用于全球大尺度农业监测，且针对这些卫星遥感数据及应用已有大量研究（Huete，etal，2002；Gallo，etal，2004，2005；Tucker，et al，2005；Brown，et al，2006；Fensholt，et al，2006；Ji，etal，2008；Jiang，etal，2011；Fan，etal，2016；Marshall，etal，2016；Skakun，etal，2018）。目前，针对 FY-3 数据的评估仅限于 NDVI 产品本身（Han，etal，2020；王圆圆等，2022），针对农作物监测应用的评估很少。为此，本研究选取中国黄淮海主产区冬小麦和东北地区玉米、水稻、大豆为研究对象，这 4 种作物生长季涵盖春、夏、秋、冬四个季节，作物种植区集中且覆盖了中、高纬度不同地区，能够比较全面地覆盖卫星监测中卫星观测角度、太阳方位角、气溶胶状况、作物类型、植被覆盖度等不同而导致的各种误差，将 FY-3B 星和 D 星NDVI 常规业务产品与功能相近的同类传感器 EOS/MODISNDVI 产品进行对比研究，评估 FY-3NDVI作物长势监测能力，为 FY-3NDVI（含后续 FY-3F星等）业务产品应用推广、产品算法和流程改进、长时序标准数据产品生产等提供参考信息。2数据和方法 2.1 数据目前中外大尺度作物长势监测业