光學遙感衛星紅邊波段應用綜述

文｜王小燕 呂爭 原征 鐘慧敏 王冠珠

中國資源衛星應用中心

一、前言

紅邊波段指紅色邊緣波段，是電磁波譜在690 ～770nm 處由植被內部引起的反射率陡升的光譜通道，主要原因是強烈的葉綠素吸收導致的低紅光反射率和高內部葉散射導致的高近紅外反射。紅邊是遙感調查植被狀態的理想工具。植被覆蓋度越高，葉面積指數越大，相應的植被生長狀態越好，紅邊斜率也就越大，紅邊位置會出現“紅移”；反之，則紅邊位置會相應“藍移”。作物快成熟時，其葉綠素吸收邊（即紅邊）向長波方向移動，即“紅移”。當植被因為缺水而發生葉子枯萎時，紅邊位置將向短波方向移動，產生“藍移”現象。所以通過對紅邊特性的研究，可以鑒定植被的生長狀態。紅邊譜段可以有效監測植被的生長狀況，用于研究植物養分、健康狀態、植被識別和生理生化參數等信息。

目前，除了高光譜傳感器帶有紅邊波段，越來越多的多光譜遙感衛星也設計了紅邊波段，相比無紅邊譜段的數據，紅邊譜段可以增強影像對綠色植被的響應效率，為用戶提供信息內容更豐富的數據；多個紅邊譜段結合使用可以對精細化的農業、林業等行業應用提供強有力的支撐，基于紅邊譜段數據進行遙感定量參數反演具有更高的可靠性。本文首先介紹國內外衛星紅邊波段的基本參數和現狀，然后介紹紅邊波段在不同行業的典型應用案例，并對該波段的應用前景進行了展望。

二、應用紅邊波段衛星現狀

當前國內外應用紅邊波段的衛星主要有美國的WorldView 和SuperDove、德 國 的RapidEye、歐洲航天局的哨兵二號（Sentinel-2），中國的高分六號、高分多模、吉林一號、五米光學衛星02D/02E、環境二號A/B 衛星等光學遙感衛星。WorldView-2/3 攜帶725nm 紅邊波段且分辨率高。RapidEye 是全球首個提供710nm 紅邊波段的多光譜商業衛星，有利于監測植被、適合農林與環境監測。哨兵二號是唯一一個在紅邊范圍含有705nm、740nm、783nm 3 個波段的數據，對監測植被健康信息非常有效。高分六號衛星是國內首個提供紅邊波段（710nm 和750nm）用于精準農業觀測的光學衛星[1]。高分多模和吉林一號衛星是國內含有米級紅邊譜段的高分辨率衛星數據，尤其高分多模衛星同時實現高分辨率與敏捷成像技術，大幅提高我國遙感衛星的觀測效率和應用價值。國內外衛星的紅邊波段參數見表1。

表1 國內外衛星的紅邊波段參數

1.WorldView

WorldView-2 是美國數字地球公司（DG）于2009年10月發射的新一代高分辨率8 波段商用衛星，是DG 公司迄今為止發射的分辨率最高的商業遙感衛星，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 衛星能夠提供獨有的8 波段高清晰衛星影像數據，除能提供4 個常規標準波段（藍、綠、紅和近紅外）外，還新增4 個彩色波段，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格參數表的深海探測研究；黃色波段，是重要的植物應用波段；紅邊波段，可以輔助分析有關植物的生長情況，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，并且可以增強植被特征比率，拉伸植被光譜敏感區間，該波段還支持植物分析和單位面積內生物數量的研究，為植物分析提供更加敏感的信息，對于植被質量指標的定量計算和分析具有重要意義[2]。

WorldView-2 影像的特點具有以下優勢：1）高光譜分辨率、高空間分辨率、高時間分辨率、高輻射分辨率、高定位精度、豐富的幾何紋理信息特征；2）影像地物的幾何結構和紋理特征明顯，比如河渠池壙、水利工程等都清晰可見。因此，WorldView-2 數據可為眾多應用領域提供豐富、實時的數據資料。然而，當前高分辨率遙感影像中所包含的豐富信息并沒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衛星，于2014年8月13日發射，其拍攝的影像分辨率最高可達0.3m，是目前市面上分辨率最高的商業光學衛星。WorldView-3 承襲WorldView-2 的高光學分辨率與高幾何精度，能在更短的時間內獲取影像數據也讓拍攝面積更為廣泛。WorldView-3拍攝影像除延續WorldView-2 提供的全色影像和8個可見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與偵測[4]。

2.SuperDove

新一代Planet 系列衛星SuperDove 擁有8 個光譜波段，其中紅邊波段范圍為697 ～713nm，紅邊位置隨葉綠素含量、生物量、葉片內部結構參數的變化而變化，是綠色植被反射光譜中斜率最大的點，可提供相比可見光以及近紅外波段外更豐富的信息，在監測和辨識植被葉綠素含量、健康狀況以及重金屬污染等方向具有廣泛的應用。

3.RapidEye

RapidEye 是德國于2008年8月發射的光學衛星，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、綠、紅、紅邊和近紅外5 個光譜波段，是第一個提供紅邊波段的商業衛星，該波段可監測植被變化,為土地分類和植被生長狀態監測提供豐富、有效信息。RapidEye作為一種新型的遙感衛星，與同類衛星相比具有范圍覆蓋大、重訪率高和光譜信息更豐富等優勢，是土地利用監測、土地分類、環境監測等的重要數據源[5]。

4.Sentinel-2

哨兵 二 號A 星、B 星分 別于2015年6月 和2017年3月發射，有13 個光譜波段的遙感影像數據，一顆衛星的重訪周期為10 天，兩顆互補，重訪周期為5 天。從可見光和近紅外到短波紅外，具有不同的空間分辨率，在光學數據中，Sentinel-2數據是唯一一個在紅邊范圍含有三個波段的數據，這對監測植被健康信息非常有效。其中的紅邊波段作為一個介于紅光波段與近紅外波段之間的波段，在該范圍內植被的葉片反射率會發生突變，此時對病害的脅迫比較敏感，非常有利于農作物分類及病蟲害的預防，另一方面，紅邊波段不易受背景信息的影響，是遙感圖像農作物分類的理論基礎[6]；Sentinel-2 新型遙感影像以其特有的多波段、重訪周期短、免費等特點，已被廣泛應用到各個領域。

5.高分六號

2018年6月2日我國發射高分六號衛星，標志著中國首顆黃邊、紅邊譜段衛星發射成功，是我國首顆精準農業觀測的高分衛星，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型遙感分類精度的提升，充分證明了新增波段對植被含水量、葉綠素含量等變化較為敏感，實現了提高植被分類精度的傳感器設計目標[7]。高分六號衛星投入使用后，以農業農村、林業資源、減災防災等行業需求為牽引，聚焦糧食安全生產、農村人居環境整治、脫貧攻堅、森林資源監管、災害風險調查等領域，為維護生態安全、生態文明建設等國家經濟建設主戰場的重大需求提供遙感數據保障。

6.高分多模

高分辨率多模綜合成像衛星（簡稱高分多模）是我國2020年7月發射的一顆分辨率優于0.5m 并具有多種成像模式的綜合光學遙感衛星。衛星具備敏捷機動能力，可以實現同軌多目標成像、指定區域拼幅成像、同一目標多角度/立體成像、非沿跡主動推掃成像。衛星配置大口徑、長焦距的光學相機，實現全色0.42m/多光譜1.68m、1 全色+8 多光譜高分辨率成像能力，衛星高在軌傳函、高信噪比、高量化等級，定位精度高；配置大氣同步校正儀，實現對圖像MTF 和輻射反演精度的進一步提升，實現圖像數據在自然資源、減災與應急、農業農村、生態環境、住房和城鄉建設、林業和草原等主要行業的業務化應用。

1）海岸波段（400 ～450nm）：海岸波段具有最大的水滲透能力，常用于水域測量，海底制圖，海岸地形學分類，水體及其設施識別、水體質量檢測與應用研究等。2）黃色波段（585 ～625nm）：黃波段用來檢測陸生或水生植被的泛黃度，有效分辨植物種類，進行植被分析。黃波段對于碳的濃度非常敏感，可以用來檢測二氧化碳的含量。與紅邊結合有利于植被健康度制圖和精細農業實現。3）紅邊波段（705 ～745nm）：紅邊波段集中在植被響應中高反射率范圍，用于識別不同的植物類別和年齡，尋找管道漏油位置。水生植物/葉綠素對700nm 左右的光譜非常敏感，所以，紅邊波段還可用于發現低濃度的水生植物，以及黃波段結合能夠在植被分類中有效地檢測健康植被與病蟲害植被與死亡植被。其適用于水生植被的識別監測等分析。4）近紅外遠端波段（860 ～1040nm）：這個波段比陸地衛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據的特性，又具備有一定的地質制圖功能，對礦山勘探工程部署、礦區地質構造解譯、礦區環境及地質災害監測等應用具有積極作用與科學意義。故其可借鑒于水利工程地質基礎等信息提取。

7.五米光學

五米光學衛星主要指資源一號02D 和02E 兩顆衛星，其中資源一號02D 于2019年9月發射，是資源一號02C 的后續星，衛星平臺搭載有可見近紅外相機和高光譜相機兩臺相機。其中可見近紅外相機工作在可見和近紅外譜段獲取9 個譜段較高分辨率的地球表面全色多光譜數據；高光譜相機是一臺成像光譜儀，獲取圖譜合一的高光譜分辨率數據。相機同時具備大氣校正輻射計輻射定標功能。資源一號02E 于2021年12月發射，新增紅外相機可獲取分辨率16m 的長波紅外數據?？梢娊t外相機是五米光學衛星的主要載荷。

8.環境二號A/B 星

環境二號A/B 衛星于2020年9月27日發射，載荷部分均配置有4 臺16m 相機、1 臺高光譜成像儀、1 臺紅外相機和1 臺大氣校正儀。其中16m 相機在充分繼承高分一號衛星16m 相機技術方案的基礎上，增加了紅邊譜段。衛星發射后以防災減災、環境保護為主要業務，可為自然災害要素監測、土地利用宏觀監測、水資源監管與保護、農作物面積動態監測與產量評估、地震應急救援等方面提供有力支撐。

9.吉林一號

吉林一號視頻04 星于2017年11月發射，是國內首顆搭載紅邊譜段的米級分辨率衛星，在農作物精細分類中有著特有的優勢。吉林一號視頻04 ～08 星推掃數據是國內首顆含有米級紅邊譜段的高分辨率衛星數據，能夠為經濟作物種植地塊的準確識別提供有效支撐[8]。

三、紅邊波段應用案例

1.農業調查

在農作物精細識別方面，紅邊譜段能夠顯著提升作物精準識別能力，可實現對玉米、大豆、棉花、馬鈴薯等同期生長的大宗作物和大蒜、生姜、枸杞等經濟作物的精細識別，為高精度、定量化的農業生產過程和農業資源環境要素監測提供可靠的支撐手段。圖1—2 為對某地區開展不同類型的大宗作物的提取和識別，對比無紅邊、有紅邊和多紅邊等不同影像上提取結果，發現紅邊信息越豐富，提取效果越好。

圖1 高分六號衛星黑龍江松嫩平原農作物影像

圖2 高分多模衛星濟寧市金鄉縣不同光譜特性下的農田影像

圖1 為應用紅邊波段的高分六號衛星黑龍江松嫩平原農作物影像。影像采用近紅外、紅邊1 和紅波段進行假彩色合成，可以看出深棕色和淺棕色區域分別是水稻和玉米種植區，白色區域是土壤肥力較差的區域。利用該載荷影像，特別是對紅邊波段的應用，可以實現作物精細分類，以及作物和農田環境的定量診斷。

圖2 為高分多模衛星濟寧市金鄉縣不同光譜特性下的農田影像。影像上中下分別為采用真彩色321（紅、綠、藍）、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，經過對比可以看出區域內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，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行準確區分，因此紅邊波段的應用可實現農作物的精細分類和識別。

2.生態保護

在生態保護方面，基于藻華在紅波段和紅邊譜段反射率的差別構建指數，對水體中的藻華進行準確識別，可以實現藻華監測；利用紅邊譜段對植被生長狀況的敏感性，結合多種植被指數，評估礦山恢復治理區植被情況，可以實現礦山恢復治理區植被情況與健康狀況監測。圖3 為高分六號衛星16m 寬幅相機的洞庭湖近紅外、紅邊1 和紅波段假彩色合成影像，可以看出部分內湖水質差，水生態所有破壞，區域污染負荷重；陸地區域植被覆蓋良好，不同作物分層明顯，可較好地體現采用紅邊波段的優勢。

圖3 高分六號WFV 相機洞庭湖假彩色合成影像

3.林業監察

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，因此可用于實現森林的精確識別和提取，有助于林業、環境等方面的調查和研究，對林業資源評估和監測具有重要意義。

圖4 為高分多模衛星德國荷蘭交界全色多光譜融合影像，影像采用近紅外、紅邊1 和紅波段進行假彩色融合，圖中不同顏色表示各色花卉種植區，影像中種植的各色花卉色彩鮮艷、交錯有致，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、生長等情況。

圖4 高分多模衛星德國荷蘭交界全色多光譜融合影像

四、紅邊波段應用前景展望

當前，擁有紅邊譜段的衛星，其紅邊譜段影像在時間分辨率、光譜分辨率及寬幅上具有不同的優勢，可廣泛地應用于農業調查、生態保護、林業監察等方面。

1）農業調查方面，能夠快速調查農作物種植面積（利用紅邊譜段提升分類精度），進行葉面積指數估算（通過紅邊參數與LAI 的顯著相關性可以有效估算葉面積指數）、葉綠素含量估算（通過紅邊參數與葉綠素含量的顯著相關性可以有效估算葉綠素含量）、小麥倒伏研究（根據紅邊位置、紅邊幅值和紅邊面積對小麥倒伏進行有效監測），以及判斷不同牧場狀態（即割草、放牧、燃燒、施肥和控制及無處理管理的草原）。

2）生態保護方面，能夠實現藻華監測與礦山恢復治理區植被物候與健康狀況監測，對生態保護工作起到重要的支撐作用。

3）林業監察方面，監測樹林空間分布（面向對象法并結合光譜特征、植被指數特征和紅邊特征）、用于森林地上生物量反演（聯合紅邊譜段和野外調查AGB 數據）、森林的精確識別和提取（植被在紅邊譜段與其他地物有明顯特征差異）、植被健康監測（不同健康水平的植被在紅邊光譜上響應明顯不同）。