300k

MODIS指数简介

数据介绍

1.1简介

MODIS（MODerate-resolutionImagingSpectroradiometer，中等分辨率成像光谱仪）分别搭

载在TERRA和AQUA两颗卫星上，数据可分别从TERRA和AQUA两颗卫星获取。TERRA和AQUA

卫星都是太阳同步极轨卫星，TERRA在地方时上午过境，AQUA将在地方时下午过境。TERRA

与AQUA上的MODIS数据在时间更新频率上相配合，加上晚间过境数据，对于接收MODIS数

据来说，可以得到每天最少2次白天和2次黑夜更新数据。这样的数据更新频率，对实时地球

观测、应急处理（例如森林和草原火灾监测和救灾）和日内频率的地球系统的研究有非常重要

的实用价值。关于TERRA和AQUA卫星介绍，可参看1.3Terra卫星和Aqua卫星。

MODIS扫描周期为1.477秒，每条扫描线沿扫描方向有1354个Pixels，沿卫星轨道方向有

10个1KMD的IFOV。

MODIS共36个波段，其中250m分辨率有2个波段，500m分辨率有5个波段，1000m分

辨率有29个波段。36个波段中波段值分辐射值和反射值两种。MODIS各波段的信息如表1所

示。

表1MODIS波段信息

基本用途波段序号

波段宽度

nm

分辨率

m

波段值类型

光谱灵敏度

W/m2-m-sr

信噪比

陆地与云的界限

1

620－670

250

反射值

21.8128

2

841－876

250

反射值

24.7201

陆地与云的性质

3

459－479

500

反射值

35.3243

4

545－565

500

反射值

29.0228

5

1230－1250

500

反射值

5.474

6

1628－1652

500

反射值

7.3275

7

2105－2155

500

反射值

1.0110

海洋颜色，水体

表层性质，生物

化学

8

405－420

1000

反射值

44.9880

9

438－448

1000

反射值

41.9838

10

483－493

1000

反射值

32.1802

11

526－536

1000

反射值

27.9754

12

546－556

1000

反射值

21.0750

13

662－672

1000

反射值

9.5910

14

673－683

1000

反射值

8.71087

15

743－753

1000

反射值

10.2586

16

862－877

1000

反射值

6.2516

大气水分

17

890－920

1000

反射值

10.0167

18

931－941

1000

反射值

3.657

19

915－965

1000

反射值

15.0250

基本用途波段序号

波段宽度

m

分辨率波段值类型

光谱灵敏度

W/m2-m-sr

信噪比

地表/云温度

203.660-3.8401000

辐射值

0.45(300K)0.05

213.929-3.9891000

辐射值

2.38(335K)2.00

223.929-3.9891000

辐射值

0.67(300K)0.07

234.020-4.0801000

辐射值

0.79(300K)0.07

大气温度

244.433-4.4981000

辐射值

0.17(250K)0.25

254.482-4.5491000

辐射值

0.59(275K)0.25

卷云

261.360-1.3901000

辐射值

6.00150(SNR)

水汽

276.535-6.8951000

辐射值

1.16(240K)0.25

287.175-7.4751000

辐射值

2.18(250K)0.25

298.400-8.7001000

辐射值

9.58(300K)0.05

臭氧

309.580-9.8801000

辐射值

3.69(250K)0.25

地表/云温度

3110.780-11.2801000

辐射值

9.55(300K)0.05

3211.770-12.2701000

辐射值

8.94(300K)0.05

云顶高度

3313.185-13.4851000

辐射值

4.52(260K)0.25

3413.485-13.7851000

辐射值

3.76(250K)0.25

3513.785-14.0851000

辐射值

3.11(240K)0.25

3614.085-14.3851000

辐射值

2.08(220K)0.25

1.2MODIS结构与数据级别

MODIS数据产品分级系统：MODIS标准数据产品分级系统由5级数据构成，它们分别是：

0级、1级、2级、3级和4级。

表2MODIS数据产品分级

级别级别说明

0级数据

卫星地面站直接接收到的、未经处理的、包括全部数

据信息在内的原始数据为0级数据

1级数据

对没有经过处理的、完全分辨率的仪器数据进行重

建，数据时间配准，使用辅助数据注解，计算和增补

到0级数据之后为1级数据

2级数据

在1级数据基础上开发出的、具有相同空间分辨率和

覆盖相同地理区域的数据为2级数据

3级数据

3级数据时以统一的时间-空间栅格表达的变量，通常

具有一定的完整性和一致性。在3级水平上，将可以

集中进行科学研究，如：定点时间序列，来自单一技

术的观测方程和通用模型等

4级数据

通过分析模型和综合分析3级以下数据得出的结果

数据为4级数据

MODIS标准数据产品根据内容的不同分为0级、1级数据产品，在1B级数据产品之后，

划分2－4级数据产品，包括：陆地标准数据产品、大气标准数据产品和海洋标准数据产品等

三种主要标准数据产品类型，总计分解为44种标准数据产品类型。

MOD01：即MODIS1A数据产品。

MOD02：即MODIS1B数据产品。

MOD03：即MODIS数据地理定位文件。

其余类型产品略。

MODIS1B采用分等级的数据格式（层次结构，树结构）HDF和HDF-EOS。其中HDF-EOS

是对地观测系统（EOS）对HDF的扩展。

MODIS1B产品命名如下：

表3MODIS1B产品概要

MODIS1B文件的命名

产品内容

MODIS/TerraMODIS/Aqua

MOD02QKMMYD02QKM

校正过的250m分辨率的对地观测

数据

MOD02HKMMYD02HKM

校正过的500m分辨率的对地观测

数据，包括250m重采样为500m

分辨率的数据

MOD021KMMYD021KM

校正过的1km分辨率的对地观测

数据，包括250m和500m重采样

为1km分辨率的数据

MOD02OBCMYD02OBC

星上校正器（OBC）和工程数据

1.3Terra卫星与Aqua卫星

TERRA卫星每日地方时上午10：30时过境，因此也把它称作地球观测第一颗上午星

（EOS-AM1）。AQUA卫星保留了TERRA卫星上已经有了的CERES和MODIS传感器，并在数据

采集时间上与TERRA形成补充。它也是太阳同步极轨卫星，每日地方时下午过境，因此称作

地球观测第一颗下午星（EOS-PM1）

表4Terra与Aqua卫星参数

TERRAAQUA

发射时间1999年12月18日2002年5月4日

运载火箭

ATLASIIASDELTACLASS

轨道高度太阳同步，705公里太阳同步，705公里

轨道周期98.8分钟98.8分钟

过境时间上午10：30下午1：30

地面重复周期16天16天

重量5,190公斤2，934公斤

星载传感器数据量5个6个

星载传感器名称

MODIS、MISR、

CERES、

MOPITT、ASTER

AIRS、AMSU-A、

CERES、MODIS、HSB、AMSR-E

遥测S波段S波段

数据下行X波段（8212.5MHz)X波段（8160MHz）

总供电功率3,000瓦4,860瓦

卫星设计寿命5年6年

指数

2.1NDVI与EVI

NDVI（归一化植被指数）公式为nirred

nirred

NDVI











。

nir



对应MODIS第1波段CH1，red



对应MODIS第2波段CH2。由于叶绿素吸收在蓝色（470nm）和红色（670nm）波段最敏感，

可见光波段的反射能量很低。而几乎所有的近红外（NIR）辐射都被散射掉了（反射和传输），

很少吸收，而且散射程度因叶冠的光学和结构特性而异。因此红色和近红外波段的反差（对比）

是对植物量很敏感的度量（图1）。无植被或少植被区反差最小，中等植被区反差是红色和近

红外波段的变化结果，而高植被区则只有近红外波段对反差有贡献，红色波段趋于饱和，不再

变化。NDVI可以很好地突出正常植被的特征。但NDVI在0.8附近时易达到饱和，表现为无论

植被密度多高，NDVI的值不再升高。相对于NDVI，EVI（增强型植被指数）能更好地解决饱和

问题，同时减弱了大气和土壤对NDVI的影响。

图1NDVI示意图

EVI计算公式为

12

nirred

nirnirblue

EVIG

CCL











，其中C

1、C2、L和G是常量，默认值

分别是6.0、7.5、1.0和2.5；

blue



对应MODIS第4波段CH4。

MODIS增强植被指数（EVI）的主要缺点是蓝色通道的分辨率为500m，这将使最终的植被

指数分辨率由250m降到500m；或者要求“重采样”，将蓝色波段与红色及近红外的配准。

2.2NDWI（归一化水指数）

MODIS的归一化水指数计算公式为

CH4CH2

CH4CH2

NDWI







。水体在550m处有较高的反射

率，而在近红外波段反射率较低，采用NDWI指数可以较好地突出影像上的水体特征。一般来

说，水体的NDWI>0。

2.3NDSI（归一化积雪指数）

MODIS的归一化积雪指数计算公式为

CH4CH6

CH4CH6

NDVI







。积雪有很强的可见光反射和很

强的短波红外吸收特性。积雪在0.5m附近有高反射率，在1.6m和2.1m附近反射率较低

（图2）

MODISCH1

MODISCH2

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

0.20.40.60.811.21.41.61.82

反

射

率

波长μm

图2积雪指数示意图

2.4VSWI（植被供水指数）

干旱时或作物供水不足，一方面作物的生长受到影响，植被指数降低；另一方面由于缺水，

没有足够的水分供给植株蒸腾蒸发，迫使叶片关闭一部分气孔，导致作物的冠层温度升高。因

此可以定义植被供水指数。植被供水指数计算公式为

3132

NDVI

VSWI

aTbTc





。其中T

31和T32

分别为MODIS第31和第32波段的亮温。a=3.6125，b=-2.5779，c=-10.05。

2.5LST（地表温度）

LST：LandSurfaceTemperature。大部分地表物质在第31和第32波段的比辐射率稳定，因

此地表温度一般由MODIS的第31和第32波段的亮温反演实现。一般采用劈窗算法实现LST

反演。

2.6LAI（叶面积指数）

为了在大尺度模型中运用叶面积指数，须有较长时间和覆盖地球表面不同地区的历史叶面

积指数数据。该数据可由多波段的遥感图像获得。从遥感图像估计叶面积指数有两种方法。一

种方法是建立地面实测的叶面积指数和由卫星获得的植被指数间的经验关系，另外一种是通过

植被反射率模型反演叶面积指数。两种方法各有优劣：基于第一种方法已建立了较多的经验关

系，但是叶面积指数和植被指数的关系不稳定，植被类型，土壤背景都会影响两者间的关系，

所以该方法不适合用于大范围尺度上。所以基于辐射传输模型的反演方法是唯一在大范围上获

MODISCH4

MODISCH6

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

00.511.522.5

反

射

率

波长μm

积雪

得叶面积指数的有效方法。

2.7VCI（植被状态指数）

植被状态指数的定义为min

maxmin

i

NDVINDVI

VCI

NDVINDVI







。其中NDVI

i为某一特定年第i个时段某一

像素的NDVI值，NDVI

max和NDVImin分别代表所研究年限内第i个时段该像素NDVI的最大值和

最小值，NDVI

max-NDVImin在一定意义上代表了NDVI的最大变化范围，反映了当地植被的生态

环境；分子部分在一定意义上表示了某一特定的年的第i个时期的当地气象信息，VCI越小表

示该时段的NDVI越接近NDVI

min，作物长势越差。

2.8RVI（比值植被指数）

比值植被指数即红光波段与近红外波段的比值。公式为red

nir

RVI





。

2.9TCI（温度状态指数）

温度状态指数定义为max

maxmin

i

TT

TCI

TT







。其中，T

i为某一像素在某一特定年第i个时段的

地表温度，T

max和Tmin分别表示在所研究年限内第i个时段内该像素地表温度的最大值和最小

值，TCI值越小，表示该时段作物长势越差。

TCI的缺点是未考虑白天的气象条件，如净辐射、风速、湿度等对热红外遥感的影响及土

地表面温度的季节性变化。

2.10PTI（热惯量）

热惯量是对物质温度变化的一种量度，是表示物质热惰性（阻止物质温度变化）大小的物

理量。高热惯量的物体对温度的变化阻力大，反之亦然。因此热惯量的大小决定了地表温度变

化的快慢。直接测量热惯量不可能实现，可以通过遥感等手段测量。MODIS数据计算热惯量同

时需要该地区白天的影像和夜间影像，计算公示如下：

W=a*PATI+b

PATI=(1-ABE)/ΔT

ABE=0.155*CH1+0.062*CH2+0.161*CH3+0.146*CH4+0.112*CH8+0.092*CH9+0.093*CH10+

0.091*CH11+0.049*CH14+0.035CH15

ΔT=Td-Tn

Td=3.6125*CH31-2.5779*CH32-10.05

Tn=3.6125*CH31-2.5779*CH32-10.05

其中：P

ATI为表观热惯量，ABE为地表全波段反照率，ΔT为一天最高温度、最低温度差，

Td为白天的地面温度，Tn为夜晚的地面温度。