NDVI

Группировка вегетационных индексов в категории. | Вегетационные индексы

« | Главная | »

Группировка вегетационных индексов в категории.

Автор: Alexander | 29.11.2016

Характерным признаком растительности и её состояния является спектральная отражательная способность, характеризующаяся большими различиями в отражении излучения разных длин волн.  Поэтому знания о связи  структуры и состояния растительности с её спектральными отражательными способностями лежат в основе решения тематических задач сельского хозяйства. Для работы со спектральной информацией строят так называемые «индексные» изображения. На основе комбинаций значений яркости в различных спектральных каналах и расчёта по этим значениям «спектрального индекса» строятся изображения объекта, соответствующее значению индекса в каждом пикселе, что позволяет выделить исследуемый объект и оценить его состояние. Спектральные индексы, используемые для оценки состояния растительности, получили название вегетационных индексов. Вегетационные индексы выводятся опытным путем. В настоящее время известно около 160-ти вариантов вегетационных индексов. Они подбираются экспериментально, исходя из известных особенностей отражательной способности растительности и почв.

Для расчёта большей части вегетационных индексов используются два наиболее стабильных участка спектральной отражательной способности растений . На красную зону спектра (0,62-0,75 мкм) приходится максимум поглощения солнечного  излучения хлорофиллом, а на ближнюю инфракрасную зону (0,75-1,3 мкм) максимальное отражение солнечной энергии клеточной структурой листа. В связи с этим высокая фотосинтетическая активность (связанная с большой фитомассой растительности) ведёт к более низким значениям коэффициентов отражения в красной зоне спектра и большим значениям в ближней инфракрасной области. Отношение этих показателей друг к другу позволяет чётко отделять растительность от других природных объектов.

Один из вариантов группировки индексов в категории по свойству растительности, которое  они характеризуют:

Broadband Greenness (индексы «зелености»), рассчитываемые по данным в широких спектральных зонах:

  • Normalized Difference Vegetation Index (NDVI)
  • Simple Ratio Index (SR)
  • Enhanced Vegetation Index (EVI)
  • Atmospherically Resistant Vegetation Index (ARVI)
  • SumGreenIndex (SGI)

Индексы этой группы отражают общее количество растительности и используются для оценки ее состояния при решении широкого круга задач. Они суммируют и отражают влияние таких факторов, как содержание хлорофилла, площадь листовой поверхности, сомкнутость и структура растительного покрова. Вегетационные индексы этой группы хорошо коррелируют с индексом фотосинтетически активной радиации (fAPAR) и индексом листовой поверхности (LAI). Их можно использовать при работе с любыми мультиспектральными аэрокосмическими снимками высокого, среднего или низкого разрешения, у которых есть спектральные каналы в красной (0,60 — 0,75 мкм) и ближней инфракрасной (0,75 — 1,3 мкм) зонах.

Основное назначение этих индексов – картирование растительного покрова, выявление площадей покрытых и непокрытых растительностью, оценка и мониторинг состояния растительного покрова, оценка продуктивности и урожайности.

Narrowband Greenness (индексы «зелености»), рассчитываемые по данным в узких спектральных зонах:

  • Red Edge Normalized Difference Vegetation Index (Red Edge NDVI)
  • Modified Red Edge Simple Ratio Index (mSR)
  • Modified Red Edge Normalized Difference Vegetation Index (Red Edge mNDVI)
  • Vogelmann Red Edge Index 1 (VOG1)
  • Vogelmann Red Edge Index 2 (VOG2)
  • Vogelmann Red Edge Index 3 (VOG3)
  • Red Edge Position Index

Индексы этой группы также отражают общее количество и состояние растительности. Все, сказанное для предыдущей группы индексов (Broadband Greenness), справедливо и здесь. Отличие в том, что для расчетов этих индексов используются значения коэффициентов отражения на участке спектра от 0,690 до 0,750 мкм, т. е. рассматривается область ближнего инфракрасного склона спектральной кривой растительности (red edge). Использование значений коэффициентов отражения в узких спектральных зонах позволяет с помощью индексов фиксировать даже небольшие изменения состояния растительности. Расчет индексов возможен только по гиперспектральным аэрокосмическим снимкам.

Light Use Efficiency (индексы эффективности использования света):

  • Photochemical Reflectance Index (PRI)
  • Structure Insensitive Pigment Index (SIPI)
  • Red Green Ratio Index (RGI)

Индексы этой группы отражают эффективность, с которой растительность способна использовать поступающий свет для фотосинтеза. Они хорошо коррелируют с эффективностью усвоения углерода и с активностью роста, а также тесно связаны с поглощением фотосинтетически активной радиации. Вегетационные индексы учитывают соотношение между различными типами пигментов для оценки общей эффективности использования света. Индексы помогают оценить рост и продуктивность растений, что актуально при решении сельскохозяйственных задач.

Canopy Nitrogen (индекс содержания азота в растительном покрове):

  • Normalized Difference Nitrogen Index (NDNI)

Этот индекс отражает концентрацию азота в растительном покрове. Азот входит в состав белков, хлорофилла и многих других органических соединений. Высокие концентрации обычно наблюдаются в быстрорастущей растительности. При азотном голодании листья приобретают бледно-зеленую окраску, мельчают, уменьшается ветвление побегов. При избытке азота усиливается рост, ткани образуются рыхлые, цветение задерживается. Вегетационные индексы, чувствительные к хлорофиллу, часто одновременно отражают содержание азота. Для расчета относительного содержания азота в растительном покрове используется средний инфракрасный диапазон (SWIR).

Dry or Senescent Carbon (индексы содержания углерода в виде лигнина и целлюлозы):

  • Normalized Difference Lignin Index (NDLI)
  • Cellulose Absorption Index (CAI)
  • Plant Senescence Reflectance Index (PSRI)

Эти индексы разработаны для учета общего количества «сухого» углерода в виде лигнина и целлюлозы. Такой углерод в больших количествах присутствует в древесине и в мертвых или сухих растительных тканях. Увеличение этих показателей может отражать процесс «старения» и отмирания растений. Для расчета относительного содержания азота в растительном покрове используется средний инфракрасный диапазон (SWIR). Эти индексы широко используются при оценке пожаропасности на территории.

Leaf Pigments (индексы содержания пигментов), каротиноиды и антоцианины:

  • Carotenoid Reflectance Index 1 (CRI1)
  • Carotenoid Reflectance Index 2 (CRI2)
  • Anthocyanin Reflectance Index 1 (ARI1)
  • Anthocyanin Reflectance Index 2 (ARI2)

Индексы этой группы оценивают пигменты, характерные для растений в состоянии стресса. К ним относятся каротиноиды и антоцианины, которые наблюдаются в значительных количествах у угнетенной растительности. Индексы не учитывают хлорофилл, так как он измеряется с использованием индексов «зелености». Областями применения индексов Leaf Pigments является сельское хозяйство(мониторинг состояния полей и оценка урожайности), а также выявление участков растительного покрова, находящихся в стрессовом состоянии. Часто индексы могут показать стрессовое состояние растительности еще до того, как оно будет заметно «невооруженным глазом». Для их расчета используются данные в узких спектральных зонах видимого диапазона.

Canopy Water Content (индексы для оценки содержания влаги в растительном покрове):

  • Water Band Index (WBI)
  • Normalized Difference Water Index (NDWI)
  • Moisture Stress Index (MSI)
  • Normalized Difference Infrared Index (NDII)

Эти индексы разработаны для оценки содержания влаги в растительном покрове. Содержание воды – важный показатель, высокое содержание влаги характерно для здоровой растительности, которая быстрее растет и более устойчива к пожарам. Для расчетов индексов используется ближний и средний инфракрасный диапазоны. Индексы широко применяются при оценке пожароопасности на территории вместе с индексами группы Dry or Senescent Carbon. Каждая из перечисленных групп индексов предназначена для оценки какого-либо из свойств растительного покрова и содержит несколько индексов. Для конкретных природных условий и различных задач одни индексы из группы могут дать более точные результаты, чем другие. Сравнивая результаты расчетов индексов с полевыми данными, можно выбрать индекс, максимально точно отражающий исследуемое свойство. Таким образом существенно повышается точность результатов при последующей обработке.

Наиболее популярный и часто используемый индекс — NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) – нормализованный разностный индекс растительности, впервые был описан Rouse B.J. в 1973 г. – простой количественный показатель количества фотосинтетически активной биомассы (обычно называемый вегетационным индексом). Один из самых распространенных и используемых индексов для решения задач, использующих количественные оценки растительного покрова. Проанализировав перечень вегетативных индексов и их параметров мы также пришли к выводу того, чтобы использовать для наших дальнейших исследований вегетативный индекс NDVI. По снимкам, где есть только красная и ближняя инфракрасная спектральные зоны можно рассчитать только два индекса – NDVI и RVI. Нормализованный разностный вегетационный индекс NDVI (Normalized Difference Vegetacion Index). NDVI характеризует плотность растительности, что позволяет растениеводам оценить всхожесть и рост растений, продуктивность угодий. Индекс рассчитывается как разность значений коэффициентов отражения в ближней инфракрасной и красной областях спектра, делённая на их сумму. В результате значения NDVI меняются в диапазоне от -1 до 1.

Рубрики: Вегетационные индексы, Научная литература | Оставить отзыв »

Отзывы