Please wait a minute...
 
自然资源遥感  2025, Vol. 37 Issue (5): 206-215    DOI: 10.6046/zrzyyg.2024298
  技术应用 本期目录 | 过刊浏览 | 高级检索 |
多卫星数据反射率标准化后重建15 m分辨率作物植被指数时间序列
敖洋钎1,2(), 孙亮1()
1.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/北方干旱半干旱耕地高效利用全国重点实验室,北京 100081
2.江西省气象科学研究所/江西省气候变化风险与气象灾害防御重点实验室,南昌 330096
Reconstruction of vegetation index time-series data for crops at a 15 m resolution after reflectance normalization of multi-satellite data
AO Yangqian1,2(), SUN Liang1()
1. Institute of Agricultural Resources and Agricultural Zoning,Chinese Academy of Agricultural Sciences/National Key Laboratory for Efficient Utilization of Arid and Semiarid Cultivated Land in the North,Beijing 100081,China
2. Jiangxi Institute of Meteorological Sciences/Key Laboratory of Climate Change Risk and Meteorological Disaster Prevention of Jiangxi Province,Nanchang 330096,China
全文: PDF(4831 KB)   HTML  
输出: BibTeX | EndNote (RIS)      
摘要 植被指数的变化在一定程度上可以反映所在区域植被覆盖变化及生长情况,通过监测植被指数时间序列的变化对于当地农业管理具有重要意义。现有的植被指数时间序列重建方法存在数据源输入单一、重建结果空间分辨率低等问题。为此,该文提出一种融合卫星数据标准化方法及作物参考曲线法的植被指数时间序列重建方法,重建研究区域冬小麦2021年的高时空分辨率的归一化植被指数(normalized differential vegetation index,NDVI)及增强型植被指数(enhanced vegetation index,EVI)时间序列。结果表明:①反射率标准化后在红光、绿光、红外及近红外波段,GF-1卫星与VIIRS地表反射率数据决定系数(coefficient of determination,R2)大部分提高0.05,少部分提高超过了0.1。均方根误差(root mean square error,RMSE)降低,大部分RMSE降低了0.01,相对均方根误差(relative root mean square error,rRMSE)降低幅度在2%左右。GF-6卫星大部分R2提高了约0.12,RMSE大部分减小了0.03,rRMSE减小幅度普遍在3%~4%之间。Sentinel-2卫星R2整体提升约0.05,RMSErRMSE的降低大部分在0.001及2%左右。②重建的研究区内高分辨植被指数时间序列精度评价结果显示,NDVI时间序列重建结果在验证时期均有较高的R2,大多数验证影像R2达到0.5及以上;RMSE在所有的验证时期均小于0.1。相对误差(relative error,RE)在绝大部分情况下小于15%,仅有1景验证影像RE达到18%。EVI时间序列重建结果同样具有较高的R2,在验证影像中有5景影像的R2不低于0.44,大部分影像RMSErRMSE的值分别小于0.15及20%。
服务
把本文推荐给朋友
加入引用管理器
E-mail Alert
RSS
作者相关文章
敖洋钎
孙亮
关键词 作物参考曲线反射率标准化植被指数时间序列数据重建    
Abstract

Changes in the vegetation index can reflect variations in vegetation cover and growth in the region to some extent. Monitoring the changes in vegetation index time-series data plays a significant role in local agricultural management. However,existing methods for vegetation index time-series data reconstruction face challenges such as a single data source input and low spatial resolution of reconstruction results. In response to this,this paper proposes a reconstruction method for vegetation index time-series data that integrates the satellite data standardization method and the crop reference curve method. Consequently,it reconstructed vegetation index time-series data with high spatiotemporal resolution for winter wheat in the study area in 2021,including normalized differential vegetation index (NDVI) and enhanced vegetation index (EVI). The results show that after reflectance normalization,the coefficient of determination (R2) for GF-1 satellite and VIIRS surface reflectance data in red,green,infrared,and near infrared bands generally increased by 0.05%,with a few exceeding 0.1%. The root mean square error (RMSE) was reduced,with the majority decreasing by 0.01. In contrast,the relative root mean square error (rRMSE) showed a reduction of about 2%. Most data from the GF-6 satellites exhibited an increase of about 0.12 in R2,a decrease of 0.03 in RMSE,and a general decline in rRMSE ranging from 3% to 4%. In contrast,the data from the Sentinel-2 satellite show an overall increase of about 0.05 in R2,as well as a decrease of around 0.001 and 2% in RMSE and rRMSE,respectively. The accuracy assessment results for the reconstructed high-resolution vegetation index time-series data indicate that the NDVI time-series reconstruction results presented high R2 values in the validation period,with five validation images reaching 0.49 and above. The RMSE was less than 0.1 in all validation periods,while the relative error (RE) was less than 15% in most cases,with only one validation image reaching 18%. Similarly,the EVI time-series reconstruction results also exhibited high R2 values,with five validation images above 0.44. Both RMSE and rRMSE values were less than 0.15 and 20%,respectively.

Key wordscrop reference curve    reflectance normalization    vegetation index    time series    data reconstruction
收稿日期: 2024-09-13      出版日期: 2025-10-28
ZTFLH:  TP79  
基金资助:国家重点研发计划项目“农情信息空天地高精度高时效智能监测系统研发与应用”(2022YFD2001100)
通讯作者: 孙 亮(1982-),男,研究员,主要从事近实时农情监测与预测、多源遥感数据融合算法及应用研究。Email:sunliang@caas.cn
作者简介: 敖洋钎(1998-),男,硕士,主要从事遥感技术及应用气象研究。Email:424106459@qq.com
引用本文:   
敖洋钎, 孙亮. 多卫星数据反射率标准化后重建15 m分辨率作物植被指数时间序列[J]. 自然资源遥感, 2025, 37(5): 206-215.
AO Yangqian, SUN Liang. Reconstruction of vegetation index time-series data for crops at a 15 m resolution after reflectance normalization of multi-satellite data. Remote Sensing for Natural Resources, 2025, 37(5): 206-215.
链接本文:  
https://www.gtzyyg.com/CN/10.6046/zrzyyg.2024298      或      https://www.gtzyyg.com/CN/Y2025/V37/I5/206
Fig.1  研究区影像
数据类型 名称 时间 空间分辨率/m
卫星反射
率数据
GF-1 2021-01-03 16
2021-01-28
2021-02-17
2021-04-07
GF-6 2021-02-16 16
2021-03-04
2021-04-18
2021-05-01
2021-05-05
Sentinel-2 2021-02-01 10
2021-02-11
2021-03-03
2021-03-23
2021-04-27
2021-05-07
2021-05-27
2021-06-26
VIIRS数据 VNP09GA 2021年1—6月 1 000
作物分
布数据
中国冬小麦
识别数据集
2021年 10
Tab.1  本文使用数据
Fig.2  研究流程图
Fig.3  NDVI,EVI曲线库
波段 标准化
R2
标准化
R2
标准
化前
RMSE
标准
化后
RMSE
标准
化前
rRMSE/%
标准
化后
rRMSE/%
蓝光 0.568 0.658 0.01 0.008 33.199 29.557
绿光 0.563 0.632 0.012 0.011 17.037 15.624
红光 0.592 0.642 0.017 0.016 28.550 26.732
近红外 0.822 0.861 0.003 0.028 8.020 7.078
Tab.2  GF-1卫星反射率标准化前后评价指标变化
波段 标准化
R2
标准化
R2
标准
化前
RMSE
标准
化后
RMSE
标准
化前
rRMSE/%
标准
化后
rRMSE/%
蓝光 0.499 0.620 0.014 0.011 22.497 18.852
绿光 0.518 0.674 0.018 0.015 16.526 13.591
红光 0.585 0.721 0.029 0.024 23.666 19.423
近红外 0.759 0.812 0.041 0.036 10.421 9.202
Tab.3  GF-6卫星反射率标准化前后评价指标变化
波段 标准化
R2
标准化
R2
标准
化前
RMSE
标准
化后
RMSE
标准
化前
rRMSE/%
标准
化后
rRMSE/%
蓝光 0.326 0.446 0.01 0.009 22.816 20.688
绿光 0.572 0.646 0.012 0.011 16.856 15.335
红光 0.586 0.647 0.017 0.015 28.74 26.552
近红外 0.824 0.864 0.031 0.027 7.976 7.012
Tab.4  Sentinel-2卫星反射率标准化前后评价指标变化
Fig.4  NDVI时间序列重建结果图
Fig.5  EVI时间序列重建结果图
积日 原始NDVI
图像均值
重建NDVI
图像均值
Bias RMSE RE/% R2
28 0.23 0.19 -0.04 0.05 18.25 0.49
42 0.21 0.21 0.00 0.03 11.49 0.52
47 0.26 0.24 -0.02 0.03 9.22 0.85
82 0.55 0.54 -0.01 0.09 14.26 0.38
117 0.67 0.75 0.07 0.10 13.71 0.59
125 0.74 0.73 -0.01 0.04 3.90 0.84
127 0.67 0.73 0.06 0.10 13.07 0.42
Tab.5  NDVI时间序列重建精度评价表
积日 原始EVI
图像均值
重建EVI
图像均值
Bias RMSE RE/% R2
28 0.15 0.14 -0.004 0.02 11.56 0.49
42 0.15 0.15 -0.005 0.03 13.37 0.44
47 0.14 0.16 0.013 0.02 11.64 0.78
82 0.44 0.48 0.034 0.19 38.95 0.10
117 0.62 0.55 -0.072 0.11 13.63 0.57
125 0.56 0.50 -0.057 0.07 11.16 0.74
127 0.60 0.49 -0.108 0.14 20.59 0.35
Tab.6  EVI时间序列重建精度评价
Fig.6  标准化前后NDVI时间序列折线图
[1] Chen J, Jönsson P, Tamura M, et al. A simple method for reconstructing a high-quality NDVI time-series data set based on the Savitzky-Golay filter[J]. Remote Sensing of Environment, 2004, 91(3/4):332-344.
[2] 边金虎, 李爱农, 宋孟强, 等. MODIS植被指数时间序列Savitzky-Golay滤波算法重构[J]. 遥感学报, 2010, 14(4):725-741.
Bian J H, Li A N, Song M Q, et al. Reconstruction of NDVI time-series datasets of MODIS based on Savitzky-Golay filter[J]. Journal of Remote Sensing, 2010, 14(4):725-741.
[3] 胡顺石, 黄春晓, 杨斌, 等. 自适应加权Savitzky-Golay滤波重构MODIS植被指数时间序列[J]. 测绘科学, 2020, 45(4):105-116.
Hu S S, Huang C X, Yang B, et al. Reconstruction of MODIS vegetation index time series by adaptive weighted Savitzky-Golay filter[J]. Science of Surveying and Mapping, 2020, 45(4):105-116.
[4] Lovell J L, Graetz R D. Filtering pathfinder AVHRR land NDVI data for Australia[J]. International Journal of Remote Sensing, 2001, 22(13):2649-2654.
[5] 王鹏新, 荀兰, 李俐, 等. 基于时间序列叶面积指数傅里叶变换的作物种植区域提取[J]. 农业工程学报, 2017, 33(21):207-215.
Wang P X, Xun L, Li L, et al. Extraction of planting areas of main crops based on Fourier transformed characteristics of time series leaf area index products[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2017, 33(21):207-215.
[6] Yang G, Shen H, Zhang L, et al. A moving weighted harmonic analysis method for reconstructing high-quality SPOT vegetation NDVI time-series data[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2015, 53(11):6008-6021.
[7] Jonsson P, Eklundh L. Seasonality extraction by function fitting to time-series of satellite sensor data[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2002, 40(8):1824-1832.
[8] 邵亚婷, 王卷乐, 严欣荣. 蒙古国植被物候特征及其对地理要素的响应[J]. 地理研究, 2021, 40(11):3029-3045.
doi: 10.11821/dlyj020210139
Shao Y T, Wang J L, Yan X R. The phenological characteristics of Mongolian vegetation and its response to geographical elements[J]. Geographical Research, 2021, 40(11):3029-3045.
[9] Ma M, Veroustraete F. Reconstructing pathfinder AVHRR land NDVI time-series data for the Northwest of China[J]. Advances in Space Research, 2006, 37(4):835-840.
[10] 樊辉. 融合QA-SDS的MODIS NDVI时序数据重构[J]. 遥感技术与应用, 2013, 28(1):90-96.
doi: 10.11873/j.issn.1004-0323.2013.1.90
Fan H. MODIS NDVI time-series data reconstruction integrating with the quality assessment science data set(QA-SDS)[J]. Remote Sensing Technology and Application, 2013, 28(1):90-96.
[11] Sun L, Gao F, Xie D, et al. Reconstructing daily 30 m NDVI over complex agricultural landscapes using a crop reference curve approach[J]. Remote Sensing of Environment, 2021, 253:112156.
[12] Che X, Zhang H K, Liu J. Making Landsat 5,7 and 8 reflectance consistent using MODIS nadir-BRDF adjusted reflectance as reference[J]. Remote Sensing of Environment, 2021, 262:112517.
[13] 贾良良, 刘克桐, 孙彦铭, 等. 河北省低平原区近16年来农田施肥量、作物产量和养分效率的变化特征[J]. 中国土壤与肥料, 2017(3):50-55.
Jia L L, Liu K T, Sun Y M, et al. Dynamic changes of fertilization rate,yield and nutrient use efficiency in recent 16 years in the low plain area of Hebei Province[J]. Soil and Fertilizer Sciences in China, 2017(3):50-55.
[14] 王晓峰, 陈霞. 衡水市冬小麦节水品种栽培技术试验[J]. 种子世界, 2016(5):25-26.
Wang X F, Chen X. Experiment on cultivation techniques of water-saving winter wheat varieties in Hengshui City[J]. Seed World, 2016(5):25-26.
[15] 潘海珠. 基于作物多模型遥感数据同化的区域冬小麦生长模拟研究[D]. 北京: 中国农业科学院, 2020.
Pan H Z. Regional winter wheat growth simulation based on multi-model remote sensing data assimilation[D]. Beijing: Chinese Academy of Agricultural Sciences, 2020.
[16] 吴尚蓉. 基于流依赖背景误差同化系统的冬小麦估产研究[D]. 北京: 中国农业科学院, 2019.
Wu S R. Winter wheat yield estimation based on flow-dependent background error assimilation system[D]. Beijing: Chinese Academy of Agricultural Sciences, 2019.
[17] 闫峰, 史培军, 武建军, 等. 基于MODIS-EVI数据的河北省冬小麦生育期特征[J]. 生态学报, 2008, 28(9):4381-4387.
Yan F, Shi P J, Wu J J, et al. The phenology character of winter wheat by MODIS-EVI data in Hebei China[J]. Acta Ecologica Sinica, 2008, 28(9):4381-4387.
[1] 唐伟, 闫壮壮, 王一鸣, 徐方芳, 吴烜宇. 基于InSAR评估地下水位回升对太原市地面沉降的影响[J]. 自然资源遥感, 2025, 37(2): 108-116.
[2] 谢宜嘉, 杨倍倍, 张镇, 陈佳, 王喆, 孟令奎. 2000—2022年北京市植被春季物候期变化特征分析[J]. 自然资源遥感, 2025, 37(2): 185-193.
[3] 陈志洋, 毛德华, 王宗明, 林楠, 贾明明, 任春颖, 王铭. 基于时序Sentinel-2数据的江汉平原养殖池提取[J]. 自然资源遥感, 2025, 37(1): 169-178.
[4] 陈媛媛, 严铄婷, 颜瑾, 郑思齐, 王昊, 朱杰. 基于Landsat时间序列影像和LandTrendr算法的浙江省丽水市森林扰动监测[J]. 自然资源遥感, 2025, 37(1): 179-187.
[5] 凌肖露, 陈朝荣, 郭维栋, 秦凯, 张锦龙. ESA CCI土壤湿度资料在中国东部的综合评估[J]. 自然资源遥感, 2024, 36(4): 92-106.
[6] 罗维, 李修华, 覃火娟, 张木清, 王泽平, 蒋柱辉. 基于多源卫星遥感影像的广西中南部地区甘蔗识别及产量预测[J]. 自然资源遥感, 2024, 36(3): 248-258.
[7] 易邦进, 黄成, 傅涛, 孙技星, 朱宝权, 钟成. 基于SBAS-InSAR 技术的中缅边境山区地质灾害隐患探测[J]. 自然资源遥感, 2023, 35(4): 186-191.
[8] 张治梅, 樊彦国, 矫志军, 管青春. 土壤盐渍化对滨海湿地生态环境质量的影响——以黄河三角洲为例[J]. 自然资源遥感, 2023, 35(4): 226-235.
[9] 秦乐, 何鹏, 马玉忠, 刘建强, 杨彬. 基于时空谱特征的遥感影像时间序列变化检测[J]. 自然资源遥感, 2022, 34(4): 105-112.
[10] 张思源, 岳楚, 袁国礼, 袁帅, 庞文强, 李俊. 基于ENDVI-SI3特征空间的盐渍化反演模型及风险评估[J]. 自然资源遥感, 2022, 34(4): 136-143.
[11] 毛克彪, 严毅博, 曹萌萌, 袁紫晋, 覃志豪. 北美洲地表温度数据重建及时空变化分析[J]. 自然资源遥感, 2022, 34(4): 203-215.
[12] 陈艳英, 马鑫程, 徐彦平, 王颖, 汪艳波. 地形及NDVI在林火遥感监测二次识别中应用的方法探讨[J]. 自然资源遥感, 2022, 34(3): 88-96.
[13] 曾晖, 任华忠, 朱金顺, 郭金鑫, 叶昕, 滕沅建, 聂婧, 秦其明. 叙利亚战争对植被的影响[J]. 自然资源遥感, 2022, 34(3): 121-128.
[14] 骆泓鉴, 明冬萍, 徐录. 基于GEE的遥感生态指数时序计算[J]. 自然资源遥感, 2022, 34(2): 271-277.
[15] 李伟光, 侯美亭. 植被遥感时间序列数据重建方法简述及示例分析[J]. 自然资源遥感, 2022, 34(1): 1-9.
Viewed
Full text


Abstract

Cited

  Shared   
  Discussed   
京ICP备05055290号-2
版权所有 © 2015 《自然资源遥感》编辑部
地址:北京学院路31号中国国土资源航空物探遥感中心 邮编:100083
电话:010-62060291/62060292 E-mail:zrzyyg@163.com
本系统由北京玛格泰克科技发展有限公司设计开发