光学遥感卫星红边波段应用综述

文｜王小燕 吕争 原征 钟慧敏 王冠珠

中国资源卫星应用中心

一、前言

红边波段指红色边缘波段，是电磁波谱在690 ～770nm 处由植被内部引起的反射率陡升的光谱通道，主要原因是强烈的叶绿素吸收导致的低红光反射率和高内部叶散射导致的高近红外反射。红边是遥感调查植被状态的理想工具。植被覆盖度越高，叶面积指数越大，相应的植被生长状态越好，红边斜率也就越大，红边位置会出现“红移”；反之，则红边位置会相应“蓝移”。作物快成熟时，其叶绿素吸收边（即红边）向长波方向移动，即“红移”。当植被因为缺水而发生叶子枯萎时，红边位置将向短波方向移动，产生“蓝移”现象。所以通过对红边特性的研究，可以鉴定植被的生长状态。红边谱段可以有效监测植被的生长状况，用于研究植物养分、健康状态、植被识别和生理生化参数等信息。

目前，除了高光谱传感器带有红边波段，越来越多的多光谱遥感卫星也设计了红边波段，相比无红边谱段的数据，红边谱段可以增强影像对绿色植被的响应效率，为用户提供信息内容更丰富的数据；多个红边谱段结合使用可以对精细化的农业、林业等行业应用提供强有力的支撑，基于红边谱段数据进行遥感定量参数反演具有更高的可靠性。本文首先介绍国内外卫星红边波段的基本参数和现状，然后介绍红边波段在不同行业的典型应用案例，并对该波段的应用前景进行了展望。

二、应用红边波段卫星现状

当前国内外应用红边波段的卫星主要有美国的WorldView 和SuperDove、德 国 的RapidEye、欧洲航天局的哨兵二号（Sentinel-2），中国的高分六号、高分多模、吉林一号、五米光学卫星02D/02E、环境二号A/B 卫星等光学遥感卫星。WorldView-2/3 携带725nm 红边波段且分辨率高。RapidEye 是全球首个提供710nm 红边波段的多光谱商业卫星，有利于监测植被、适合农林与环境监测。哨兵二号是唯一一个在红边范围含有705nm、740nm、783nm 3 个波段的数据，对监测植被健康信息非常有效。高分六号卫星是国内首个提供红边波段（710nm 和750nm）用于精准农业观测的光学卫星[1]。高分多模和吉林一号卫星是国内含有米级红边谱段的高分辨率卫星数据，尤其高分多模卫星同时实现高分辨率与敏捷成像技术，大幅提高我国遥感卫星的观测效率和应用价值。国内外卫星的红边波段参数见表1。

表1 国内外卫星的红边波段参数

1.WorldView

WorldView-2 是美国数字地球公司（DG）于2009年10月发射的新一代高分辨率8 波段商用卫星，是DG 公司迄今为止发射的分辨率最高的商业遥感卫星，能以1.8m 的分辨率采集多光谱影像和以0.46m 的分辨率采集全色影像。WorldView-2 卫星能够提供独有的8 波段高清晰卫星影像数据，除能提供4 个常规标准波段（蓝、绿、红和近红外）外，还新增4 个彩色波段，包括：海岸波段，支持植物鉴定分析，以及基于叶绿素和渗水规格参数表的深海探测研究；黄色波段，是重要的植物应用波段；红边波段，可以辅助分析有关植物的生长情况，直接反映植物健康状况；近红外2 波段的波段范围为，该波段部分重叠在近红外1 波段上，较少受到大气层的影响，并且可以增强植被特征比率，拉伸植被光谱敏感区间，该波段还支持植物分析和单位面积内生物数量的研究，为植物分析提供更加敏感的信息，对于植被质量指标的定量计算和分析具有重要意义[2]。

WorldView-2 影像的特点具有以下优势：1）高光谱分辨率、高空间分辨率、高时间分辨率、高辐射分辨率、高定位精度、丰富的几何纹理信息特征；2）影像地物的几何结构和纹理特征明显，比如河渠池圹、水利工程等都清晰可见。因此，WorldView-2 数据可为众多应用领域提供丰富、实时的数据资料。然而，当前高分辨率遥感影像中所包含的丰富信息并没有被充分地挖掘和利用[3]。

WorldView-3 为DG 公司第四代高分辨率光学卫星，于2014年8月13日发射，其拍摄的影像分辨率最高可达0.3m，是目前市面上分辨率最高的商业光学卫星。WorldView-3 承袭WorldView-2 的高光学分辨率与高几何精度，能在更短的时间内获取影像数据也让拍摄面积更为广泛。WorldView-3拍摄影像除延续WorldView-2 提供的全色影像和8个可见光波段信息外还提供8 波段短波红外信息，更有利于特殊地物的分类与侦测[4]。

2.SuperDove

新一代Planet 系列卫星SuperDove 拥有8 个光谱波段，其中红边波段范围为697 ～713nm，红边位置随叶绿素含量、生物量、叶片内部结构参数的变化而变化，是绿色植被反射光谱中斜率最大的点，可提供相比可见光以及近红外波段外更丰富的信息，在监测和辨识植被叶绿素含量、健康状况以及重金属污染等方向具有广泛的应用。

3.RapidEye

RapidEye 是德国于2008年8月发射的光学卫星，具有较高的空间分辨率和丰富的多光谱信息，其空间分辨率为6.5m，包括蓝、绿、红、红边和近红外5 个光谱波段，是第一个提供红边波段的商业卫星，该波段可监测植被变化,为土地分类和植被生长状态监测提供丰富、有效信息。RapidEye作为一种新型的遥感卫星，与同类卫星相比具有范围覆盖大、重访率高和光谱信息更丰富等优势，是土地利用监测、土地分类、环境监测等的重要数据源[5]。

4.Sentinel-2

哨兵 二 号A 星、B 星分 别于2015年6月 和2017年3月发射，有13 个光谱波段的遥感影像数据，一颗卫星的重访周期为10 天，两颗互补，重访周期为5 天。从可见光和近红外到短波红外，具有不同的空间分辨率，在光学数据中，Sentinel-2数据是唯一一个在红边范围含有三个波段的数据，这对监测植被健康信息非常有效。其中的红边波段作为一个介于红光波段与近红外波段之间的波段，在该范围内植被的叶片反射率会发生突变，此时对病害的胁迫比较敏感，非常有利于农作物分类及病虫害的预防，另一方面，红边波段不易受背景信息的影响，是遥感图像农作物分类的理论基础[6]；Sentinel-2 新型遥感影像以其特有的多波段、重访周期短、免费等特点，已被广泛应用到各个领域。

5.高分六号

2018年6月2日我国发射高分六号卫星，标志着中国首颗黄边、红边谱段卫星发射成功，是我国首颗精准农业观测的高分卫星，配置2m 全色/8m 多光谱高分辨率传感器（PMS）和16m 多光谱中分辨率宽幅传感器（WFV）。其中WFV 传感器观测幅宽800km 且增加了可有效反映植被特有光谱特征的“红边”“黄边”等波段。新增的黄边、红边1、红边2 和紫边波段都有助于森林类型遥感分类精度的提升，充分证明了新增波段对植被含水量、叶绿素含量等变化较为敏感，实现了提高植被分类精度的传感器设计目标[7]。高分六号卫星投入使用后，以农业农村、林业资源、减灾防灾等行业需求为牵引，聚焦粮食安全生产、农村人居环境整治、脱贫攻坚、森林资源监管、灾害风险调查等领域，为维护生态安全、生态文明建设等国家经济建设主战场的重大需求提供遥感数据保障。

6.高分多模

高分辨率多模综合成像卫星（简称高分多模）是我国2020年7月发射的一颗分辨率优于0.5m 并具有多种成像模式的综合光学遥感卫星。卫星具备敏捷机动能力，可以实现同轨多目标成像、指定区域拼幅成像、同一目标多角度/立体成像、非沿迹主动推扫成像。卫星配置大口径、长焦距的光学相机，实现全色0.42m/多光谱1.68m、1 全色+8 多光谱高分辨率成像能力，卫星高在轨传函、高信噪比、高量化等级，定位精度高；配置大气同步校正仪，实现对图像MTF 和辐射反演精度的进一步提升，实现图像数据在自然资源、减灾与应急、农业农村、生态环境、住房和城乡建设、林业和草原等主要行业的业务化应用。

1）海岸波段（400 ～450nm）：海岸波段具有最大的水渗透能力，常用于水域测量，海底制图，海岸地形学分类，水体及其设施识别、水体质量检测与应用研究等。2）黄色波段（585 ～625nm）：黄波段用来检测陆生或水生植被的泛黄度，有效分辨植物种类，进行植被分析。黄波段对于碳的浓度非常敏感，可以用来检测二氧化碳的含量。与红边结合有利于植被健康度制图和精细农业实现。3）红边波段（705 ～745nm）：红边波段集中在植被响应中高反射率范围，用于识别不同的植物类别和年龄，寻找管道漏油位置。水生植物/叶绿素对700nm 左右的光谱非常敏感，所以，红边波段还可用于发现低浓度的水生植物，以及黄波段结合能够在植被分类中有效地检测健康植被与病虫害植被与死亡植被。其适用于水生植被的识别监测等分析。4）近红外远端波段（860 ～1040nm）：这个波段比陆地卫星的近红外短波波段（如ETM4 波段）的900nm 高一些，使它既有高分辨率数据的特性，又具备有一定的地质制图功能，对矿山勘探工程部署、矿区地质构造解译、矿区环境及地质灾害监测等应用具有积极作用与科学意义。故其可借鉴于水利工程地质基础等信息提取。

7.五米光学

五米光学卫星主要指资源一号02D 和02E 两颗卫星，其中资源一号02D 于2019年9月发射，是资源一号02C 的后续星，卫星平台搭载有可见近红外相机和高光谱相机两台相机。其中可见近红外相机工作在可见和近红外谱段获取9 个谱段较高分辨率的地球表面全色多光谱数据；高光谱相机是一台成像光谱仪，获取图谱合一的高光谱分辨率数据。相机同时具备大气校正辐射计辐射定标功能。资源一号02E 于2021年12月发射，新增红外相机可获取分辨率16m 的长波红外数据。可见近红外相机是五米光学卫星的主要载荷。

8.环境二号A/B 星

环境二号A/B 卫星于2020年9月27日发射，载荷部分均配置有4 台16m 相机、1 台高光谱成像仪、1 台红外相机和1 台大气校正仪。其中16m 相机在充分继承高分一号卫星16m 相机技术方案的基础上，增加了红边谱段。卫星发射后以防灾减灾、环境保护为主要业务，可为自然灾害要素监测、土地利用宏观监测、水资源监管与保护、农作物面积动态监测与产量评估、地震应急救援等方面提供有力支撑。

9.吉林一号

吉林一号视频04 星于2017年11月发射，是国内首颗搭载红边谱段的米级分辨率卫星，在农作物精细分类中有着特有的优势。吉林一号视频04 ～08 星推扫数据是国内首颗含有米级红边谱段的高分辨率卫星数据，能够为经济作物种植地块的准确识别提供有效支撑[8]。

三、红边波段应用案例

1.农业调查

在农作物精细识别方面，红边谱段能够显著提升作物精准识别能力，可实现对玉米、大豆、棉花、马铃薯等同期生长的大宗作物和大蒜、生姜、枸杞等经济作物的精细识别，为高精度、定量化的农业生产过程和农业资源环境要素监测提供可靠的支撑手段。图1—2 为对某地区开展不同类型的大宗作物的提取和识别，对比无红边、有红边和多红边等不同影像上提取结果，发现红边信息越丰富，提取效果越好。

图1 高分六号卫星黑龙江松嫩平原农作物影像

图2 高分多模卫星济宁市金乡县不同光谱特性下的农田影像

图1 为应用红边波段的高分六号卫星黑龙江松嫩平原农作物影像。影像采用近红外、红边1 和红波段进行假彩色合成，可以看出深棕色和浅棕色区域分别是水稻和玉米种植区，白色区域是土壤肥力较差的区域。利用该载荷影像，特别是对红边波段的应用，可以实现作物精细分类，以及作物和农田环境的定量诊断。

图2 为高分多模卫星济宁市金乡县不同光谱特性下的农田影像。影像上中下分别为采用真彩色321（红、绿、蓝）、假彩色432（近红外、红、绿）、假彩色473（近红外、红边和红波段）合成的影像，经过对比可以看出区域内的不同作物的差异特征在473 假彩色影像中得到了更直观的表现，而在真彩色影像中，采用目视观察的方式很难将上述地物进行准确区分，因此红边波段的应用可实现农作物的精细分类和识别。

2.生态保护

在生态保护方面，基于藻华在红波段和红边谱段反射率的差别构建指数，对水体中的藻华进行准确识别，可以实现藻华监测；利用红边谱段对植被生长状况的敏感性，结合多种植被指数，评估矿山恢复治理区植被情况，可以实现矿山恢复治理区植被情况与健康状况监测。图3 为高分六号卫星16m 宽幅相机的洞庭湖近红外、红边1 和红波段假彩色合成影像，可以看出部分内湖水质差，水生态所有破坏，区域污染负荷重；陆地区域植被覆盖良好，不同作物分层明显，可较好地体现采用红边波段的优势。

图3 高分六号WFV 相机洞庭湖假彩色合成影像

3.林业监察

在森林植被提取方面，植被在红边谱段与其他地物有明显特征差异，因此可用于实现森林的精确识别和提取，有助于林业、环境等方面的调查和研究，对林业资源评估和监测具有重要意义。

图4 为高分多模卫星德国荷兰交界全色多光谱融合影像，影像采用近红外、红边1 和红波段进行假彩色融合，图中不同颜色表示各色花卉种植区，影像中种植的各色花卉色彩鲜艳、交错有致，可以看出利用不同谱段之间的融合能够提取更多的地物信息，利用红边波段可清晰反映出植被覆盖、分类、生长等情况。

图4 高分多模卫星德国荷兰交界全色多光谱融合影像

四、红边波段应用前景展望

当前，拥有红边谱段的卫星，其红边谱段影像在时间分辨率、光谱分辨率及宽幅上具有不同的优势，可广泛地应用于农业调查、生态保护、林业监察等方面。

1）农业调查方面，能够快速调查农作物种植面积（利用红边谱段提升分类精度），进行叶面积指数估算（通过红边参数与LAI 的显著相关性可以有效估算叶面积指数）、叶绿素含量估算（通过红边参数与叶绿素含量的显著相关性可以有效估算叶绿素含量）、小麦倒伏研究（根据红边位置、红边幅值和红边面积对小麦倒伏进行有效监测），以及判断不同牧场状态（即割草、放牧、燃烧、施肥和控制及无处理管理的草原）。

2）生态保护方面，能够实现藻华监测与矿山恢复治理区植被物候与健康状况监测，对生态保护工作起到重要的支撑作用。

3）林业监察方面，监测树林空间分布（面向对象法并结合光谱特征、植被指数特征和红边特征）、用于森林地上生物量反演（联合红边谱段和野外调查AGB 数据）、森林的精确识别和提取（植被在红边谱段与其他地物有明显特征差异）、植被健康监测（不同健康水平的植被在红边光谱上响应明显不同）。