基于NDVI與EVI的作物長勢監(jiān)測研究

白燕英 高聚林 張寶林

(1.內蒙古農業(yè)大學水利與土木建筑工程學院， 呼和浩特 010018； 2.內蒙古農業(yè)大學農學院， 呼和浩特 010019；3.內蒙古師范大學化學與環(huán)境科學學院， 呼和浩特 010018)

0 引言

植被是陸地最重要的生態(tài)系統，它覆蓋了地球大部分陸地表面并強烈地影響地球的生態(tài)環(huán)境[1]。研究區(qū)域尺度植被的時空動態(tài)變化具有重要科學和應用價值。遙感影像由于其覆蓋面積廣，能頻繁獲取地表信息，已被廣泛應用于區(qū)域尺度植被覆蓋變化的動態(tài)監(jiān)測研究[2]。植被指數是遙感領域中用來表征地表植被覆蓋的簡單有效度量參數[3]，被廣泛應用于植被類型監(jiān)測[4-7]、長勢監(jiān)測[8]、植被覆蓋度監(jiān)測[9-12]，及生物量估算[13]、作物估產[14]等研究。

歸一化植被指數NDVI已經成為監(jiān)測植被覆蓋情況和生長狀況的最佳遙感指數[2]，但基于NIR和Red比值的NDVI算式是以其易飽和為代價來減少大氣的影響，主要表現在對大氣干擾的處理有限，在低植被覆蓋區(qū)易受土壤背景和植被冠層的影響而偏高，而在植被高覆蓋區(qū)則容易飽和[15-19]。植被指數飽和是指在密集植被區(qū)，當植被越來越茂密時，植被指數不再隨生物量的增加而增長的現象[19]。增強型植被指數EVI采用“抗大氣植被指數”和“土壤調節(jié)植被指數”削弱了氣溶膠和土壤背景的影響，并克服了植被飽和現象，能敏感地監(jiān)測稀疏植被和茂密植被生長與衰落狀況，可以彌補NDVI的不足[20-23]。

然而關于植被指數NDVI與EVI的差異研究主要基于MODIS和NOAA/AVHRR等數據產品，該數據時間分辨率高，空間分辨率低，適用于大中尺度區(qū)域的研究。基于中高分辨率影像的NDVI和EVI監(jiān)測植被差異的研究鮮見報道，對二者定量化監(jiān)測植被的比較研究更少。本文基于2015年大氣校正后的Landsat8影像，輔以Landsat7影像，以像元為基本計算單元，定量分析NDVI和EVI隨植被覆蓋度增加的變化規(guī)律及二者關系比較；分析低、中、高植被覆蓋度下，NDVI與EVI對作物長勢變化的監(jiān)測效果及其差異性，為作物類型及長勢監(jiān)測選取適宜的植被指數提供科學依據。

1 研究區(qū)概況及數據處理

1.1 研究區(qū)概況

土默特右旗位于內蒙古包頭市東南部，北倚陰山山脈，南鄰黃河，本文以土默特右旗陰山山脈以南的平原區(qū)為研究區(qū)，地理位置范圍110°13′～111°8′E，40°14′～40°39′N，面積1 667.5 km2(圖1)。研究區(qū)屬于典型溫帶大陸性氣候，降水量少，蒸發(fā)量大，年平均降水量357.6 mm，年平均蒸發(fā)量1 947.86 mm；主要依賴黃河水灌溉，土地平坦，水源充足，適宜多種農作物種植。

圖1 研究區(qū)地理位置分布Fig.1 Geographical distribution of study area

1.2 遙感影像數據及處理

選用Landsat8 OLI影像，輔以Landsat7 ETM+影像為遙感數據源，共篩選出2015年研究區(qū)云量較少的覆蓋作物生育期的12景影像(表1)，影像尺寸178 km×178 km，多光譜、全色波段空間分辨率分別為30、15 m。過境周期16 d，研究區(qū)所在行列號為127-32，過境時間為北京時間11：18左右。影像數據預處理主要包括輻射定標、大氣校正、圖像裁剪、去云處理和對ETM+的去條帶處理。選取6S模型對影像進行大氣校正，采用SPLINE線性插值法進行去云和去條帶處理。

1.3 研究區(qū)作物物候

土默特右旗主要種植小麥、玉米、豆類、馬鈴薯等糧食作物和葵花、西葫蘆、西瓜、甜菜及蔬菜等經濟作物。2015年小麥、玉米、葵花和西葫蘆種植面積約占農作物總種植面積的89.2%，其中玉米種植面積最大，約占總播種面積的70%。2015年Landsat8影像過境時間對應的主要作物生育期如下：①4月28日小麥處于苗期。②5月30日小麥處于拔節(jié)期，玉米和西葫蘆處于苗期。③6月15日小麥處于生育高峰期(孕穗期)，玉米處于拔節(jié)期，西葫蘆處于初花期。④7月1日小麥開始乳熟，長勢開始衰減，玉米進入大喇叭口期，西葫蘆進入生育高峰期(結果期)，葵花處于苗期。⑤7月25日小麥已經全部收割，玉米處于生育高峰期(抽雄期)，西葫蘆果實逐漸成熟，長勢開始衰落，葵花處于拔節(jié)期。⑥8月2日玉米進入灌漿期，長勢開始衰落。西葫蘆果實開始成熟，葵花進入生育高峰期(開花期)。⑦8月26日玉米進入乳熟期，西葫蘆已經收獲，葵花正值生育高峰期(開花期)，長勢茂密。⑧9月3日玉米開始成熟，葵花進入成熟期，長勢開始衰落。⑨9月19日玉米和葵花都進入收獲期。整個生育期內林地和荒草地從4月28日到8月2日長勢一直呈現逐漸增加趨勢，從8月2日到10月5日呈逐漸下降趨勢。

表1 2015年Landsat遙感影像Tab.1 Landsat images of study area in 2015

2 植被指數

對綠色植物強吸收的可見光紅波段和對綠色植物高反射的近紅外波段對同一植被的光譜響應截然相反，二者形成明顯的反差，這種反差隨著葉冠結構、植被覆蓋度而變化。紅色和近紅外波段的反差是對植物量很敏感的度量，常用這兩個波段反射率的比值、差分、線性組合等多種組合構建各種植被指數來增強或揭示隱含的植物信息[24]。常見植被指數有比值植被指數RVI、差值植被指數DVI、綠度植被指數GVI、歸一化植被指數NDVI、抗大氣植被指數ARVI、土壤調節(jié)植被指數SAVI、增強型植被指數EVI等。目前應用最為廣泛的是歸一化植被指數NDVI，其計算公式為

(1)

式中ρNIR——近紅外波段反射率

ρred——紅波段反射率

為了克服NDVI指數存在的缺陷，文獻[24]引入了背景調節(jié)參數L和大氣修正參數C1、C2，同時減少背景和大氣噪聲的影響，建立了增強型植被指數EVI，其計算公式為

(2)

式中ρblue——藍波段反射率

L——土壤調節(jié)參數，取1

C1——大氣修正紅光校正參數，取6.0

C2——大氣修正藍光校正參數，取7.5

土壤的紅波段反射率ρred與近紅外波段反射率ρNIR接近，隨著地表植被覆蓋度的增加，其紅波段反射率ρred減小，而近紅外反射率ρNIR大幅度增加，植被覆蓋度越高，紅光反射ρred越小，近紅外反射ρNIR越大，因此比值植被指數ρNIR/ρred能靈敏指示綠色植物生物量[19,24]。當植被越來越茂密，紅波段反射率ρred越小，近紅外波段反射率ρNIR越高，導致ρNIR/ρred快速增長[19]。

3 植被指數關系分析

3.1 NDVI與EVI與ρNIR/ρred關系分析

通過分析植被指數NDVI和EVI隨ρNIR/ρred的變化規(guī)律，揭示二者隨植被覆蓋度增加的變化規(guī)律及差異。土壤的ρNIR/ρred接近1，隨著地表開始出現植被，ρNIR/ρred開始逐漸增加，當地表的光譜特征開始表現為植被光譜特征時，ρNIR/ρred達到2[25]。

將ENVI軟件計算得到的NDVI和EVI圖像以像元為單位輸出文本格式，每個像元輸出一個X、Y坐標及植被指數。用Matlab軟件讀入文本數據，繪制NDVI、EVI與ρNIR/ρred關系圖，見圖2a；繪制ρNIR/ρred與NDVI增量、EVI擬合曲線增量關系圖，見圖2b。

圖2a表明NDVI隨著ρNIR/ρred的增加而增加，這是由式(1)本身決定的。EVI引入調節(jié)土壤背景參數和大氣修正參數，隨著ρNIR/ρred的增加呈冪函數趨勢增加，圖中用其擬合曲線說明其變化情況。當地表為裸土，ρNIR/ρred為1時，NDVI與EVI均為0；當地表剛出現植被時，NDVI和EVI的增加速度最快，當ρNIR/ρred達到2時， NDVI升到0.333，EVI升到0.234，NDVI的增加速度明顯大于EVI的增加速度。圖2b表明隨著ρNIR/ρred的增加，NDVI和EVI持續(xù)增加，但增加值逐漸減小，當ρNIR/ρred達到10以后，NDVI與EVI增加極為緩慢。從地表開始出現植被到植被長勢茂密，NDVI的增加幅度一直高于EVI的增加幅度，這是植被無論在生長初期還是生育高峰期NDVI值都高于EVI值的根本原因。

圖2 植被指數與ρNIR/ρred的關系(2015年7月1日影像)Fig.2 Relationship between ρNIR/ρred and VI(Remote sensing image on July 1, 2015)

3.2 NDVI、EVI與植被覆蓋度關系分析

采用二分模型法計算植被覆蓋度，計算公式為

(3)

(4)

式中fcNDVI——NDVI值計算的植被覆蓋度

fcEVI——EVI值計算的植被覆蓋度

NDVIsoil——裸土的NDVI值

EVIsoil——裸土的EVI值

NDVIveg——植被的NDVI值

EVIveg——植被的EVI值

3.2.1純裸土和純植被的植被指數的確定

2015年5月14日遙感影像的裸土像元較多，用于確定純裸土像元的NDVI和EVI值比較理想。經過統計分析，像元分布頻率高于1%裸土的NDVI值范圍為0.08～0.15，EVI值范圍為0.06～0.1，該范圍的裸土像元數分別占總裸土總像元數的72.3%和62.4%。裸土的NDVI和EVI值主要受土壤背景明暗程度的影響，土壤背景越暗，NDVI和EVI越高，土壤背景越亮，NDVI和EVI越低。本文取純裸土像元NDVI值為0.15，EVI值取0.1。2015年7月1日遙感影像高植被覆蓋像元較多，用于確定純植被像元的NDVI和EVI值比較理想，因此根據圖2a確定純植被像元，選取NDVI和EVI的飽和值作為純植被像元的NDVI值和EVI值，分別為0.95和0.7。

3.2.2植被覆蓋度的計算

將研究區(qū)植被覆蓋度分為4個等級：低植被覆蓋(0

經過統計分析，低植被覆蓋地表NDVI和EVI值范圍分別為0～0.4和0～0.3，中低植被覆蓋地表NDVI和EVI值范圍分別為0.4～0.55和0.3～0.4，中高植被覆蓋度地表的NDVI和EVI值范圍分別為0.55～0.8和0.4～0.6，高植被覆蓋地表的NDVI和EVI值范圍分別為0.8～1.0和0.6～1.0。

表2 植被指數對應的植被覆蓋度Tab.2 Vegetation coverage corresponding to VI

NDVI和EVI的計算方法決定了NDVI始終高于EVI，二者差值隨植被長勢的增加而增加，當植被覆蓋度達到30%時，NDVI與EVI的差值為0.1，植被覆蓋度達到50%時，NDVI與EVI的差值達到0.2，植被覆蓋度達到80%時，NDVI與EVI的差值增加到0.27，植被覆蓋度達到100%時，NDVI與EVI的差值減小到0.26。

3.3 NDVI與EVI散點圖及擬合曲線關系分析

根據NDVI與EVI散點圖，分析研究區(qū)作物生育前期(5月30日)、生育高峰期(7月1日)及生育末期(9月19日)3個時期的NDVI和EVI關系，見圖3。圖3表明3個時期的散點圖分布規(guī)律基本一致，呈正比例散點圖分布，且主要分布在1∶1直線上方，說明絕大部分像元的NDVI值均高于EVI值。3個時期的散點圖分布略有區(qū)別，作物生育前期(5月30日)，高植被覆蓋地表少，因此在高值區(qū)的散點少。7月1日的高植被覆蓋地表較多，植被指數較高，高值區(qū)的散點多而密集。9月19日很多作物已經開始收獲，植被長勢明顯枯萎，在高值區(qū)的散點明顯減少。

圖3 EVI與NDVI散點關系圖及擬合曲線Fig.3 Scatter diagrams and fitting curves of EVI and NDVI

EVI與NDVI散點圖的擬合曲線形式為二次函數，根據擬合曲線斜率將EVI與NDVI散點圖的擬合曲線分為3段，EVI為0～0.3、0.3～0.6、0.6～1.0。擬合曲線在EVI小于0.3范圍內斜率大于1∶1直線，說明低植被覆蓋下隨著植被覆蓋度的增加，NDVI增加速度高于EVI值增加速度。擬合曲線在EVI為0.3～0.6范圍內斜率接近1∶1直線，說明在中等植被覆蓋區(qū)隨著植被覆蓋度的增加，NDVI增加速度與EVI的增加速度基本一致。擬合曲線在EVI為 0.6～1.0范圍內斜率小于1∶1直線，說明在高植被覆蓋區(qū)隨著植被覆蓋度的增加，NDVI的增加速度低于EVI增加速度。

3.4 NDVI與EVI分布頻率比較

不同NDVI(EVI)值對應的像元數與研究區(qū)總像元數比值即NDVI(EVI)值的分布頻率，植被指數對應的分布頻率越高，表明該植被指數對應的像元數越多，植被指數對應的分布頻率越低，表明該植被指數對應的像元數越少。作物不同生育時期遙感影像的NDVI和EVI分布頻率曲線見圖4和圖5。

圖4 不同時期植被指數分布頻率曲線Fig.4 VI distribution frequency curves in different periods

圖5 同一時期NDVI與EVI分布頻率曲線比較Fig.5 Comparison of NDVI and EVI distribution frequency curves in the same time period

圖4表明不同時期的NDVI(EVI)分布頻率曲線差異較大，5月30日NDVI和EVI分布頻率曲線在低值區(qū)呈尖峰狀，說明NDVI和EVI的分布比較集中，表明此時地表大部分為裸土和低植被覆蓋。6月15日曲線峰值明顯下降且右移，但曲線峰值對應的植被指數仍屬于低植被覆蓋范圍，說明地表仍以低植被覆蓋為主，但地表的植被覆蓋明顯增加。從7月1日開始，曲線明顯下移且分布范圍擴大，表明高植被覆蓋地表明顯增加，此時大部分作物處于生育高峰期，長勢茂密。9月3日分布頻率曲線從右側收縮，表明長勢茂盛的作物開始衰落，植被指數下降。9月19日分布曲線從右側繼續(xù)收縮，右側峰值左移，說明作物長勢繼續(xù)衰落，植被指數繼續(xù)下降。

比較不同時期的NDVI(EVI)分布頻率曲線目的在于比較不同時期地表植被覆蓋度的變化，結果表明：不同時期NDVI(EVI)分布頻率曲線對比能明顯反映地表植被覆蓋度的變化。

圖5表明同一時期NDVI與EVI分布頻率曲線形狀相似，由于NDVI值域范圍寬為0～0.95，EVI值域范圍窄為0～0.7，因此EVI頻率曲線分布比NDVI頻率曲線分布集中。由于同一像元NDVI值高于EVI，且隨著地表覆蓋度的增加，NDVI與EVI的差值逐漸增加，在圖上表現為EVI曲線較NDVI曲線左移，隨著植被覆蓋度的增加，左移距離明顯增加。NDVI與EVI分布曲線差異表現在： 6月15日NDVI曲線峰值明顯低于EVI曲線峰值，9月3日和9月19日NDVI曲線左側峰值略低于EVI曲線左側峰值，說明NDVI對地表開始生長植被反映敏感，估計值偏高，因此剛出現植被的地表像元NDVI值增加較EVI快，分布范圍較EVI廣，導致NDVI峰值低于EVI峰值。

圖6 同一作物NDVI與EVI時序曲線比較Fig.6 Comparison of the same crop NDVI and EVI time series curves

比較同一時期NDVI與EVI分布頻率曲線的目的在于揭示NDVI和EVI指示研究區(qū)地物不同植被覆蓋度的分布結果。分析結果表明：同一時期的NDVI與EVI的頻率分布曲線形狀相似，說明NDVI和EVI描述不同植被覆蓋度分布的結果基本一致。

3.5 作物NDVI與EVI時序曲線比較

3.5.1同一作物NDVI與EVI時序曲線比較

在不同時相NDVI圖像和EVI圖像上提取作物采樣點的NDVI值和EVI值，構建作物時間序列NDVI曲線和EVI曲線，見圖6。圖6表明每種作物的NDVI時序曲線和EVI時序曲線趨勢基本一致，都能清晰反映作物的生長和衰落變化。作物的EVI曲線始終低于NDVI曲線，二者差值隨長勢增加而增大，隨長勢衰落減小。在作物生長初期或中低植被覆蓋下，兩種曲線變化趨勢一致，對植被描述能力相似。

在高植被覆蓋下，兩種曲線描述作物生長或衰落有所差異。主要表現在作物繼續(xù)生長時，NDVI增長趨勢不如EVI增長趨勢明顯，如玉米從7月1日大喇叭口期到7月25日抽雄期，小麥從5月22日拔節(jié)期到6月15日孕穗期。高植被覆蓋作物開始成熟時NDVI呈繼續(xù)增加趨勢而EVI則呈下降趨勢，如玉米從7月25日抽雄期到8月2日灌漿期，小麥從6月15日孕穗期到7月1日乳熟期。說明由于NDVI的飽和性，高植被覆蓋度作物繼續(xù)生長時，NDVI增加不如EVI增加明顯；高植被覆蓋作物衰落時，EVI呈現下降趨勢而NDVI表現為繼續(xù)增加。

NDVI時序曲線在作物長勢明顯增加或衰落時呈突增或突降趨勢，EVI曲線變化較NDVI曲線平緩，主要因為NDVI僅與ρNIR/ρred有關，當植被長勢變化明顯時，其ρNIR/ρred變化明顯導致NDVI突增或突減。EVI由于引入調節(jié)土壤背景參數和大氣修正參數，計算結果較為穩(wěn)定，不會因為ρNIR/ρred的較大變化而呈突增或突降。

3.5.2不同作物間NDVI及EVI時序曲線比較

分別將上述研究的6種植被(作物)典型采樣點的NDVI、EVI時序曲線放在一起分析其差異，比較結果見圖7。

圖7 不同作物植被指數時間序列曲線比較Fig.7 Comparison of VI time series curves of different crops

圖7表明不同植被(作物)NDVI和EVI時序曲線的差異規(guī)律基本一致，都能清晰反映植被(作物)在生育期內隨長勢變化的規(guī)律和不同植被(作物)在同一時期的長勢差異。

兩條時序曲線的明顯差異表現在植被(作物)從6月15日到7月1日的變化趨勢，小麥的NDVI曲線表現為增加趨勢，EVI曲線顯示為降低趨勢，原因在于6月15日小麥處于生育高峰期孕穗期，由營養(yǎng)生長變?yōu)樯成L，此時長勢最旺盛，此后開始逐漸乳熟，長勢逐漸衰落。7月1日玉米、西葫蘆、小麥和林地的NDVI值接近，難以區(qū)分，但它們的EVI值差異明顯，西葫蘆最高，玉米和林地接近，小麥略低。上述現象表明NDVI由于其易飽和性對高植被覆蓋作物長勢變化反應不敏感，而EVI對高植被覆蓋作物長勢變化反應敏感。

4 討論

(1)圖2植被指數與ρNIR/ρred關系和圖3b EVI與NDVI散點圖都顯示植被茂盛期7月7日NDVI的取值范圍在0～0.95，EVI的取值范圍在0～0.95，但圖5頻率分布曲線顯示7月1日植被生育高峰期EVI超過0.7的像元分布頻率接近0，達到0.7的像元分布頻率為0.02%，大于0.7的像元數共有4 684個像元，累積值僅占研究區(qū)面積0.25%，因此EVI最大值取0.7。NDVI超過0.95的像元分布頻率接近0，NDVI最大值取0.95。

(2)在植被生長初期或低植被覆蓋下，NDVI和EVI增加都很快，NDVI的增加速度明顯高于EVI的增加速度，導致作物生長初期NDVI和EVI都過高地估計植被覆蓋度，NDVI估計值略高于EVI的估計值。在植被生育中期或中等植被覆蓋下，NDVI和EVI隨植被長勢增加速度接近，對植被描述能力相似。在植被生育高峰期或高植被覆蓋下，EVI的增加速度高于NDVI，植被繼續(xù)生長或開始衰落時，NDVI值變化不如EVI變化明顯，甚至有的情況下當植被開始衰落時，EVI值顯示下降，NDVI值仍顯示增加，說明NDVI由于其公式決定的高植被覆蓋下易飽和性，不能敏感監(jiān)測植被長勢變化，而EVI則能敏感監(jiān)測高植被覆蓋植被長勢變化。

5 結論

(1)定量分析了NDVI與EVI隨植被覆蓋度變化關系。地表剛出現植被時，NDVI和EVI的增加速度最快，隨著地表植被覆蓋度的增加，NDVI與EVI的增加速度減緩，高植被覆蓋時，二者增加速度極為緩慢。NDVI和EVI的公式決定了NDVI始終高于EVI，二者差值隨植被長勢的增加而增加，當植被覆蓋度達到30%時，NDVI與EVI的差值為0.1，植被覆蓋度達到50%時，NDVI與EVI的差值達到0.2，植被覆蓋度達到80%時，NDVI與EVI的差值增加到0.27，植被覆蓋度達到100%時，NDVI與EVI的差值減小到0.26。

(2)量化了低、中、高植被覆蓋度下NDVI和EVI的取值范圍。低植被覆蓋地表NDVI和EVI值范圍分別為0～0.4和0～0.3，中低植被覆蓋地表的NDVI和EVI值范圍分別為0.4～0.55和0.3～0.4，中高植被覆蓋地表的NDVI和EVI值范圍分別為0.55～0.8和0.4～0.6，高植被覆蓋地表的NDVI和EVI值范圍分別為0.8～1.0和0.6～1.0。

(3)比較不同時期的NDVI(EVI)分布頻率曲線目的在于比較不同時期地表植被覆蓋度的變化，結果表明：不同時期NDVI(EVI)分布頻率曲線對比能明顯反映地表植被覆蓋度的變化。比較同一時期NDVI與EVI分布頻率曲線的目的在于揭示NDVI和EVI指示研究區(qū)地物不同植被覆蓋度的分布結果。分析結果表明：同一時期的NDVI與EVI的頻率分布曲線形狀相似，說明NDVI和EVI描述不同植被覆蓋度分布的結果基本一致。

(4)通過比較幾種作物NDVI與EVI時間序列曲線發(fā)現，NDVI時序曲線在作物長勢明顯增加或衰落時呈突增或突降趨勢，EVI由于引入調節(jié)土壤背景參數和大氣修正參數，計算結果較為穩(wěn)定，不會因為ρNIR/ρred的較大變化而呈突增或突降，更符合作物生長發(fā)育特點。在作物生長初期或低植被覆蓋下，NDVI、EVI都過高估計植被覆蓋度，NDVI估計值略高于EVI的估計值。在作物與生育中期或中等植被覆蓋下，對作物描述能力相似。在作物生育高峰期或高植被覆蓋下，監(jiān)測作物長勢變化EVI比NDVI更敏感。