红-绿光宽波段归一化植被指数可以有效追踪植物光合物候

叶绿素-类胡萝卜素比值指数(CCI)是目前常用的追踪植物光合物候的遥感指数，由于需要对叶黄素循环敏感的窄波段(531nm)支持，而只有MODIS等极少数传感器配置了该波段，这大大限制了它的实用性。

本文发现，MODIS的第11波段(531nm,窄波段)和4波段(宽波段绿光)实际是等效的，因此对于遥感观测，基于宽波段绿光和红光计算的归一化植被指数是CCI的等效物。由于绿光在大多数光学传感器上都有配置，这一发现将大大提高光合物候追踪能力。

01 研究背景

准确刻画总初级生产力的季相变化规律(光合物候)是理解植被对气候变化的响应、提高碳估算精度的前提。已有植被指数(如NDVI、EVI)大都表征冠层结构特征，代表了植被的潜在最大生产力，而非环境胁迫情况下的实际生产力，这将引起对光合物候生长季长度的高估。

叶绿素-类胡萝卜素比值指数(CCI)是光化学指数(PRI)在季相尺度上的等效物。由于两色素比值是叶片光合速率的有效代理，因此CCI可追踪植物的光合物候。然而，CCI的计算需要对叶黄素循环敏感的531nm处窄波段的支持，而目前只有MODIS等极少数的在轨卫星配置了该波段(MODIS 11波段)，这严重制约了CCI的实用性。

由于531nm窄波段反射率受大气影响较大，很多报道指出对MODIS 11波段进行大气校正反而不利于对光合物候的刻画，这启发我们做出以下假设：MODIS 11波段可能与MODIS 4波段等效，即经过大气校正后MODIS 11波段可能未能完全捕捉到叶黄素循环过程。

若该假设成立，则证明MODIS CCI在刻画光合物候上的良好表现，是由于引入了绿波段，而非传统认为的叶黄素循环窄波段。由于绿色宽波段在大多光学传感器上都有配置，该发现将大大提高对光合物候的追踪能力。

02 研究思路与实验方法

首先比较了经过严密大气校正后的MCD19A1产品的第4波段和第11波段反射率，然后据此分别计算了CCI和GRVI指数，即

CCI = (B11-B1)/ (B11+B1)

GRVI = (B4-B1)/ (B4+B1)

式中，B1，B4和B11分别表示MODIS的第1、4和11波段。GRVI可以视为CCI的宽波段等效物。

以FLUXNET-2015数据记录的实测GPP为基准，比较了CCI、GRVI、NDVI、EVI和日光诱导叶绿素荧光(SIF)提取光合物候生长季起点和终点的表现。

03 重要数据结果

分析发现，MODIS的第4和第11波段显著相关(R2 = 0.98,p<0.001)；GRVI与CCI也表现出显著相关性(R2=0.97,p<0.001)(图1)。该结果证明了前述假设：对于卫星观测，标称对叶黄素敏感的窄波段(531nm)实际上等效于宽波段绿光，因此GRVI是CCI的卫星尺度等效物。

在春季，植被结构与生理的生长相对同步，这造成实际和潜在GPP相对一致，因此不同指标提取的生长季起点差异并不明显。然而，在秋季植被光合作用受环境(尤其是辐射)胁迫强，造成植被结构与生理时间变化的脱耦，生理比结构指标先衰落。因此，追踪植被结构的指标如NDVI、EVI等会造成植物光合物候终点的晚估。GRVI与CCI表现类似，两者都大大缓解了该晚估现象(图2)。

04 研究结论

MODIS 11波段等效于4波段、GRVI等效于CCI，即由卫星遥感观测计算CCI时，可以由宽波段绿光代替531nm窄波段。由于绿光波段在目前光学传感器中普遍存在，这一发现将大大提高对植物光合物候的刻画能力。后续将开展地面实验，并联合无人机升尺度获得叶黄素-类胡萝卜素比值的真值图，验证卫星尺度CCI、GRVI对该比值的刻画能力。