文｜王小燕 呂爭(zhēng) 原征 鐘慧敏 王冠珠

中國(guó)資源衛(wèi)星應(yīng)用中心

一、前言

紅邊波段指紅色邊緣波段，是電磁波譜在690 ～770nm 處由植被內(nèi)部引起的反射率陡升的光譜通道，主要原因是強(qiáng)烈的葉綠素吸收導(dǎo)致的低紅光反射率和高內(nèi)部葉散射導(dǎo)致的高近紅外反射。紅邊是遙感調(diào)查植被狀態(tài)的理想工具。植被覆蓋度越高，葉面積指數(shù)越大，相應(yīng)的植被生長(zhǎng)狀態(tài)越好，紅邊斜率也就越大，紅邊位置會(huì)出現(xiàn)“紅移”；反之，則紅邊位置會(huì)相應(yīng)“藍(lán)移”。作物快成熟時(shí)，其葉綠素吸收邊（即紅邊）向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，即“紅移”。當(dāng)植被因?yàn)槿彼l(fā)生葉子枯萎時(shí)，紅邊位置將向短波方向移動(dòng)，產(chǎn)生“藍(lán)移”現(xiàn)象。所以通過(guò)對(duì)紅邊特性的研究，可以鑒定植被的生長(zhǎng)狀態(tài)。紅邊譜段可以有效監(jiān)測(cè)植被的生長(zhǎng)狀況，用于研究植物養(yǎng)分、健康狀態(tài)、植被識(shí)別和生理生化參數(shù)等信息。

目前，除了高光譜傳感器帶有紅邊波段，越來(lái)越多的多光譜遙感衛(wèi)星也設(shè)計(jì)了紅邊波段，相比無(wú)紅邊譜段的數(shù)據(jù)，紅邊譜段可以增強(qiáng)影像對(duì)綠色植被的響應(yīng)效率，為用戶提供信息內(nèi)容更豐富的數(shù)據(jù)；多個(gè)紅邊譜段結(jié)合使用可以對(duì)精細(xì)化的農(nóng)業(yè)、林業(yè)等行業(yè)應(yīng)用提供強(qiáng)有力的支撐，基于紅邊譜段數(shù)據(jù)進(jìn)行遙感定量參數(shù)反演具有更高的可靠性。本文首先介紹國(guó)內(nèi)外衛(wèi)星紅邊波段的基本參數(shù)和現(xiàn)狀，然后介紹紅邊波段在不同行業(yè)的典型應(yīng)用案例，并對(duì)該波段的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

二、應(yīng)用紅邊波段衛(wèi)星現(xiàn)狀

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用紅邊波段的衛(wèi)星主要有美國(guó)的WorldView 和SuperDove、德 國(guó) 的RapidEye、歐洲航天局的哨兵二號(hào)（Sentinel-2），中國(guó)的高分六號(hào)、高分多模、吉林一號(hào)、五米光學(xué)衛(wèi)星02D/02E、環(huán)境二號(hào)A/B 衛(wèi)星等光學(xué)遙感衛(wèi)星。WorldView-2/3 攜帶725nm 紅邊波段且分辨率高。RapidEye 是全球首個(gè)提供710nm 紅邊波段的多光譜商業(yè)衛(wèi)星，有利于監(jiān)測(cè)植被、適合農(nóng)林與環(huán)境監(jiān)測(cè)。哨兵二號(hào)是唯一一個(gè)在紅邊范圍含有705nm、740nm、783nm 3 個(gè)波段的數(shù)據(jù)，對(duì)監(jiān)測(cè)植被健康信息非常有效。高分六號(hào)衛(wèi)星是國(guó)內(nèi)首個(gè)提供紅邊波段（710nm 和750nm）用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)觀測(cè)的光學(xué)衛(wèi)星[1]。高分多模和吉林一號(hào)衛(wèi)星是國(guó)內(nèi)含有米級(jí)紅邊譜段的高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)，尤其高分多模衛(wèi)星同時(shí)實(shí)現(xiàn)高分辨率與敏捷成像技術(shù)，大幅提高我國(guó)遙感衛(wèi)星的觀測(cè)效率和應(yīng)用價(jià)值。國(guó)內(nèi)外衛(wèi)星的紅邊波段參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 國(guó)內(nèi)外衛(wèi)星的紅邊波段參數(shù)

1.WorldView

WorldView-2 是美國(guó)數(shù)字地球公司（DG）于2009年10月發(fā)射的新一代高分辨率8 波段商用衛(wèi)星，是DG 公司迄今為止發(fā)射的分辨率最高的商業(yè)遙感衛(wèi)星，能以1.8m 的分辨率采集多光譜影像和以0.46m 的分辨率采集全色影像。WorldView-2 衛(wèi)星能夠提供獨(dú)有的8 波段高清晰衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，除能提供4 個(gè)常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)波段（藍(lán)、綠、紅和近紅外）外，還新增4 個(gè)彩色波段，包括：海岸波段，支持植物鑒定分析，以及基于葉綠素和滲水規(guī)格參數(shù)表的深海探測(cè)研究；黃色波段，是重要的植物應(yīng)用波段；紅邊波段，可以輔助分析有關(guān)植物的生長(zhǎng)情況，直接反映植物健康狀況；近紅外2 波段的波段范圍為，該波段部分重疊在近紅外1 波段上，較少受到大氣層的影響，并且可以增強(qiáng)植被特征比率，拉伸植被光譜敏感區(qū)間，該波段還支持植物分析和單位面積內(nèi)生物數(shù)量的研究，為植物分析提供更加敏感的信息，對(duì)于植被質(zhì)量指標(biāo)的定量計(jì)算和分析具有重要意義[2]。

WorldView-2 影像的特點(diǎn)具有以下優(yōu)勢(shì)：1）高光譜分辨率、高空間分辨率、高時(shí)間分辨率、高輻射分辨率、高定位精度、豐富的幾何紋理信息特征；2）影像地物的幾何結(jié)構(gòu)和紋理特征明顯，比如河渠池壙、水利工程等都清晰可見(jiàn)。因此，WorldView-2 數(shù)據(jù)可為眾多應(yīng)用領(lǐng)域提供豐富、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)資料。然而，當(dāng)前高分辨率遙感影像中所包含的豐富信息并沒(méi)有被充分地挖掘和利用[3]。

WorldView-3 為DG 公司第四代高分辨率光學(xué)衛(wèi)星，于2014年8月13日發(fā)射，其拍攝的影像分辨率最高可達(dá)0.3m，是目前市面上分辨率最高的商業(yè)光學(xué)衛(wèi)星。WorldView-3 承襲WorldView-2 的高光學(xué)分辨率與高幾何精度，能在更短的時(shí)間內(nèi)獲取影像數(shù)據(jù)也讓拍攝面積更為廣泛。WorldView-3拍攝影像除延續(xù)WorldView-2 提供的全色影像和8個(gè)可見(jiàn)光波段信息外還提供8 波段短波紅外信息，更有利于特殊地物的分類(lèi)與偵測(cè)[4]。

2.SuperDove

新一代Planet 系列衛(wèi)星SuperDove 擁有8 個(gè)光譜波段，其中紅邊波段范圍為697 ～713nm，紅邊位置隨葉綠素含量、生物量、葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化而變化，是綠色植被反射光譜中斜率最大的點(diǎn)，可提供相比可見(jiàn)光以及近紅外波段外更豐富的信息，在監(jiān)測(cè)和辨識(shí)植被葉綠素含量、健康狀況以及重金屬污染等方向具有廣泛的應(yīng)用。

3.RapidEye

RapidEye 是德國(guó)于2008年8月發(fā)射的光學(xué)衛(wèi)星，具有較高的空間分辨率和豐富的多光譜信息，其空間分辨率為6.5m，包括藍(lán)、綠、紅、紅邊和近紅外5 個(gè)光譜波段，是第一個(gè)提供紅邊波段的商業(yè)衛(wèi)星，該波段可監(jiān)測(cè)植被變化,為土地分類(lèi)和植被生長(zhǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)提供豐富、有效信息。RapidEye作為一種新型的遙感衛(wèi)星，與同類(lèi)衛(wèi)星相比具有范圍覆蓋大、重訪率高和光譜信息更豐富等優(yōu)勢(shì)，是土地利用監(jiān)測(cè)、土地分類(lèi)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等的重要數(shù)據(jù)源[5]。

4.Sentinel-2

哨兵 二 號(hào)A 星、B 星分 別于2015年6月 和2017年3月發(fā)射，有13 個(gè)光譜波段的遙感影像數(shù)據(jù)，一顆衛(wèi)星的重訪周期為10 天，兩顆互補(bǔ)，重訪周期為5 天。從可見(jiàn)光和近紅外到短波紅外，具有不同的空間分辨率，在光學(xué)數(shù)據(jù)中，Sentinel-2數(shù)據(jù)是唯一一個(gè)在紅邊范圍含有三個(gè)波段的數(shù)據(jù)，這對(duì)監(jiān)測(cè)植被健康信息非常有效。其中的紅邊波段作為一個(gè)介于紅光波段與近紅外波段之間的波段，在該范圍內(nèi)植被的葉片反射率會(huì)發(fā)生突變，此時(shí)對(duì)病害的脅迫比較敏感，非常有利于農(nóng)作物分類(lèi)及病蟲(chóng)害的預(yù)防，另一方面，紅邊波段不易受背景信息的影響，是遙感圖像農(nóng)作物分類(lèi)的理論基礎(chǔ)[6]；Sentinel-2 新型遙感影像以其特有的多波段、重訪周期短、免費(fèi)等特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。

5.高分六號(hào)

2018年6月2日我國(guó)發(fā)射高分六號(hào)衛(wèi)星，標(biāo)志著中國(guó)首顆黃邊、紅邊譜段衛(wèi)星發(fā)射成功，是我國(guó)首顆精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)觀測(cè)的高分衛(wèi)星，配置2m 全色/8m 多光譜高分辨率傳感器（PMS）和16m 多光譜中分辨率寬幅傳感器（WFV）。其中WFV 傳感器觀測(cè)幅寬800km 且增加了可有效反映植被特有光譜特征的“紅邊”“黃邊”等波段。新增的黃邊、紅邊1、紅邊2 和紫邊波段都有助于森林類(lèi)型遙感分類(lèi)精度的提升，充分證明了新增波段對(duì)植被含水量、葉綠素含量等變化較為敏感，實(shí)現(xiàn)了提高植被分類(lèi)精度的傳感器設(shè)計(jì)目標(biāo)[7]。高分六號(hào)衛(wèi)星投入使用后，以農(nóng)業(yè)農(nóng)村、林業(yè)資源、減災(zāi)防災(zāi)等行業(yè)需求為牽引，聚焦糧食安全生產(chǎn)、農(nóng)村人居環(huán)境整治、脫貧攻堅(jiān)、森林資源監(jiān)管、災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)調(diào)查等領(lǐng)域，為維護(hù)生態(tài)安全、生態(tài)文明建設(shè)等國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)主戰(zhàn)場(chǎng)的重大需求提供遙感數(shù)據(jù)保障。

6.高分多模

高分辨率多模綜合成像衛(wèi)星（簡(jiǎn)稱(chēng)高分多模）是我國(guó)2020年7月發(fā)射的一顆分辨率優(yōu)于0.5m 并具有多種成像模式的綜合光學(xué)遙感衛(wèi)星。衛(wèi)星具備敏捷機(jī)動(dòng)能力，可以實(shí)現(xiàn)同軌多目標(biāo)成像、指定區(qū)域拼幅成像、同一目標(biāo)多角度/立體成像、非沿跡主動(dòng)推掃成像。衛(wèi)星配置大口徑、長(zhǎng)焦距的光學(xué)相機(jī)，實(shí)現(xiàn)全色0.42m/多光譜1.68m、1 全色+8 多光譜高分辨率成像能力，衛(wèi)星高在軌傳函、高信噪比、高量化等級(jí)，定位精度高；配置大氣同步校正儀，實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像MTF 和輻射反演精度的進(jìn)一步提升，實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)在自然資源、減災(zāi)與應(yīng)急、農(nóng)業(yè)農(nóng)村、生態(tài)環(huán)境、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)、林業(yè)和草原等主要行業(yè)的業(yè)務(wù)化應(yīng)用。

1）海岸波段（400 ～450nm）：海岸波段具有最大的水滲透能力，常用于水域測(cè)量，海底制圖，海岸地形學(xué)分類(lèi)，水體及其設(shè)施識(shí)別、水體質(zhì)量檢測(cè)與應(yīng)用研究等。2）黃色波段（585 ～625nm）：黃波段用來(lái)檢測(cè)陸生或水生植被的泛黃度，有效分辨植物種類(lèi)，進(jìn)行植被分析。黃波段對(duì)于碳的濃度非常敏感，可以用來(lái)檢測(cè)二氧化碳的含量。與紅邊結(jié)合有利于植被健康度制圖和精細(xì)農(nóng)業(yè)實(shí)現(xiàn)。3）紅邊波段（705 ～745nm）：紅邊波段集中在植被響應(yīng)中高反射率范圍，用于識(shí)別不同的植物類(lèi)別和年齡，尋找管道漏油位置。水生植物/葉綠素對(duì)700nm 左右的光譜非常敏感，所以，紅邊波段還可用于發(fā)現(xiàn)低濃度的水生植物，以及黃波段結(jié)合能夠在植被分類(lèi)中有效地檢測(cè)健康植被與病蟲(chóng)害植被與死亡植被。其適用于水生植被的識(shí)別監(jiān)測(cè)等分析。4）近紅外遠(yuǎn)端波段（860 ～1040nm）：這個(gè)波段比陸地衛(wèi)星的近紅外短波波段（如ETM4 波段）的900nm 高一些，使它既有高分辨率數(shù)據(jù)的特性，又具備有一定的地質(zhì)制圖功能，對(duì)礦山勘探工程部署、礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造解譯、礦區(qū)環(huán)境及地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)等應(yīng)用具有積極作用與科學(xué)意義。故其可借鑒于水利工程地質(zhì)基礎(chǔ)等信息提取。

7.五米光學(xué)

五米光學(xué)衛(wèi)星主要指資源一號(hào)02D 和02E 兩顆衛(wèi)星，其中資源一號(hào)02D 于2019年9月發(fā)射，是資源一號(hào)02C 的后續(xù)星，衛(wèi)星平臺(tái)搭載有可見(jiàn)近紅外相機(jī)和高光譜相機(jī)兩臺(tái)相機(jī)。其中可見(jiàn)近紅外相機(jī)工作在可見(jiàn)和近紅外譜段獲取9 個(gè)譜段較高分辨率的地球表面全色多光譜數(shù)據(jù)；高光譜相機(jī)是一臺(tái)成像光譜儀，獲取圖譜合一的高光譜分辨率數(shù)據(jù)。相機(jī)同時(shí)具備大氣校正輻射計(jì)輻射定標(biāo)功能。資源一號(hào)02E 于2021年12月發(fā)射，新增紅外相機(jī)可獲取分辨率16m 的長(zhǎng)波紅外數(shù)據(jù)?？梢?jiàn)近紅外相機(jī)是五米光學(xué)衛(wèi)星的主要載荷。

8.環(huán)境二號(hào)A/B 星

環(huán)境二號(hào)A/B 衛(wèi)星于2020年9月27日發(fā)射，載荷部分均配置有4 臺(tái)16m 相機(jī)、1 臺(tái)高光譜成像儀、1 臺(tái)紅外相機(jī)和1 臺(tái)大氣校正儀。其中16m 相機(jī)在充分繼承高分一號(hào)衛(wèi)星16m 相機(jī)技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，增加了紅邊譜段。衛(wèi)星發(fā)射后以防災(zāi)減災(zāi)、環(huán)境保護(hù)為主要業(yè)務(wù)，可為自然災(zāi)害要素監(jiān)測(cè)、土地利用宏觀監(jiān)測(cè)、水資源監(jiān)管與保護(hù)、農(nóng)作物面積動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與產(chǎn)量評(píng)估、地震應(yīng)急救援等方面提供有力支撐。

9.吉林一號(hào)

吉林一號(hào)視頻04 星于2017年11月發(fā)射，是國(guó)內(nèi)首顆搭載紅邊譜段的米級(jí)分辨率衛(wèi)星，在農(nóng)作物精細(xì)分類(lèi)中有著特有的優(yōu)勢(shì)。吉林一號(hào)視頻04 ～08 星推掃數(shù)據(jù)是國(guó)內(nèi)首顆含有米級(jí)紅邊譜段的高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)，能夠?yàn)榻?jīng)濟(jì)作物種植地塊的準(zhǔn)確識(shí)別提供有效支撐[8]。

三、紅邊波段應(yīng)用案例

1.農(nóng)業(yè)調(diào)查

在農(nóng)作物精細(xì)識(shí)別方面，紅邊譜段能夠顯著提升作物精準(zhǔn)識(shí)別能力，可實(shí)現(xiàn)對(duì)玉米、大豆、棉花、馬鈴薯等同期生長(zhǎng)的大宗作物和大蒜、生姜、枸杞等經(jīng)濟(jì)作物的精細(xì)識(shí)別，為高精度、定量化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程和農(nóng)業(yè)資源環(huán)境要素監(jiān)測(cè)提供可靠的支撐手段。圖1—2 為對(duì)某地區(qū)開(kāi)展不同類(lèi)型的大宗作物的提取和識(shí)別，對(duì)比無(wú)紅邊、有紅邊和多紅邊等不同影像上提取結(jié)果，發(fā)現(xiàn)紅邊信息越豐富，提取效果越好。

圖1 高分六號(hào)衛(wèi)星黑龍江松嫩平原農(nóng)作物影像

圖2 高分多模衛(wèi)星濟(jì)寧市金鄉(xiāng)縣不同光譜特性下的農(nóng)田影像

圖1 為應(yīng)用紅邊波段的高分六號(hào)衛(wèi)星黑龍江松嫩平原農(nóng)作物影像。影像采用近紅外、紅邊1 和紅波段進(jìn)行假彩色合成，可以看出深棕色和淺棕色區(qū)域分別是水稻和玉米種植區(qū)，白色區(qū)域是土壤肥力較差的區(qū)域。利用該載荷影像，特別是對(duì)紅邊波段的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)作物精細(xì)分類(lèi)，以及作物和農(nóng)田環(huán)境的定量診斷。

圖2 為高分多模衛(wèi)星濟(jì)寧市金鄉(xiāng)縣不同光譜特性下的農(nóng)田影像。影像上中下分別為采用真彩色321（紅、綠、藍(lán)）、假彩色432（近紅外、紅、綠）、假彩色473（近紅外、紅邊和紅波段）合成的影像，經(jīng)過(guò)對(duì)比可以看出區(qū)域內(nèi)的不同作物的差異特征在473 假彩色影像中得到了更直觀的表現(xiàn)，而在真彩色影像中，采用目視觀察的方式很難將上述地物進(jìn)行準(zhǔn)確區(qū)分，因此紅邊波段的應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物的精細(xì)分類(lèi)和識(shí)別。

2.生態(tài)保護(hù)

在生態(tài)保護(hù)方面，基于藻華在紅波段和紅邊譜段反射率的差別構(gòu)建指數(shù)，對(duì)水體中的藻華進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別，可以實(shí)現(xiàn)藻華監(jiān)測(cè)；利用紅邊譜段對(duì)植被生長(zhǎng)狀況的敏感性，結(jié)合多種植被指數(shù)，評(píng)估礦山恢復(fù)治理區(qū)植被情況，可以實(shí)現(xiàn)礦山恢復(fù)治理區(qū)植被情況與健康狀況監(jiān)測(cè)。圖3 為高分六號(hào)衛(wèi)星16m 寬幅相機(jī)的洞庭湖近紅外、紅邊1 和紅波段假彩色合成影像，可以看出部分內(nèi)湖水質(zhì)差，水生態(tài)所有破壞，區(qū)域污染負(fù)荷重；陸地區(qū)域植被覆蓋良好，不同作物分層明顯，可較好地體現(xiàn)采用紅邊波段的優(yōu)勢(shì)。

圖3 高分六號(hào)WFV 相機(jī)洞庭湖假彩色合成影像

3.林業(yè)監(jiān)察

在森林植被提取方面，植被在紅邊譜段與其他地物有明顯特征差異，因此可用于實(shí)現(xiàn)森林的精確識(shí)別和提取，有助于林業(yè)、環(huán)境等方面的調(diào)查和研究，對(duì)林業(yè)資源評(píng)估和監(jiān)測(cè)具有重要意義。

圖4 為高分多模衛(wèi)星德國(guó)荷蘭交界全色多光譜融合影像，影像采用近紅外、紅邊1 和紅波段進(jìn)行假彩色融合，圖中不同顏色表示各色花卉種植區(qū)，影像中種植的各色花卉色彩鮮艷、交錯(cuò)有致，可以看出利用不同譜段之間的融合能夠提取更多的地物信息，利用紅邊波段可清晰反映出植被覆蓋、分類(lèi)、生長(zhǎng)等情況。

圖4 高分多模衛(wèi)星德國(guó)荷蘭交界全色多光譜融合影像

四、紅邊波段應(yīng)用前景展望

當(dāng)前，擁有紅邊譜段的衛(wèi)星，其紅邊譜段影像在時(shí)間分辨率、光譜分辨率及寬幅上具有不同的優(yōu)勢(shì)，可廣泛地應(yīng)用于農(nóng)業(yè)調(diào)查、生態(tài)保護(hù)、林業(yè)監(jiān)察等方面。

1）農(nóng)業(yè)調(diào)查方面，能夠快速調(diào)查農(nóng)作物種植面積（利用紅邊譜段提升分類(lèi)精度），進(jìn)行葉面積指數(shù)估算（通過(guò)紅邊參數(shù)與LAI 的顯著相關(guān)性可以有效估算葉面積指數(shù)）、葉綠素含量估算（通過(guò)紅邊參數(shù)與葉綠素含量的顯著相關(guān)性可以有效估算葉綠素含量）、小麥倒伏研究（根據(jù)紅邊位置、紅邊幅值和紅邊面積對(duì)小麥倒伏進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)），以及判斷不同牧場(chǎng)狀態(tài)（即割草、放牧、燃燒、施肥和控制及無(wú)處理管理的草原）。

2）生態(tài)保護(hù)方面，能夠?qū)崿F(xiàn)藻華監(jiān)測(cè)與礦山恢復(fù)治理區(qū)植被物候與健康狀況監(jiān)測(cè)，對(duì)生態(tài)保護(hù)工作起到重要的支撐作用。

3）林業(yè)監(jiān)察方面，監(jiān)測(cè)樹(shù)林空間分布（面向?qū)ο蠓ú⒔Y(jié)合光譜特征、植被指數(shù)特征和紅邊特征）、用于森林地上生物量反演（聯(lián)合紅邊譜段和野外調(diào)查AGB 數(shù)據(jù)）、森林的精確識(shí)別和提?。ㄖ脖辉诩t邊譜段與其他地物有明顯特征差異）、植被健康監(jiān)測(cè)（不同健康水平的植被在紅邊光譜上響應(yīng)明顯不同）。