Вегетационные индексы
и их интерпретация
После обработки исходных снимков, снятых БПЛА сельскохозяйственной комплектации, помимо получения основных трех типов данных: ортофотоплан, цифровая модель местности (ЦММ) и карта высот, мы получаем еще и карты вегетационных индексов таких как NDVI, SAVI, WI, NDWI, WDRVI, ARI, TCARI, MSAVI и др. Особое место занимает вопрос получения карты вегетационного индекса NDVI.
Природа происхождения NDVI индекса
и формула расчета
Алгоритм для расчета NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) был разработан еще в 1973 году доктором Джоном Роузом - директором Центра дистанционного зондирования из Техасского университета (the Remote Sensing Center of Texas A&M University) и расшифровывается как, нормализованный относительный индекс вегетации растительности — один из самых распространенных и используемых индексов для решения задач, использующих количественные оценки растительного покрова.
Формула расчета
вегетационного NDVI индекса
Расчет NDVI базируется на двух наиболее стабильных (не зависящих от прочих факторов) участках спектральной кривой отражения сосудистых растений и выражается в формуле:
NDVIij=(IKij-Kij)/(IKij+Kij),
где NDVIij – значение нормализованного вегетационного индекса для каждого пиксела изображения. Согласно данной формуле, плотность растительности (NDVI) в определенной точке изображения равна разнице интенсивностей отраженного света в видимом и инфракрасном диапазоне, деленной на сумму их интенсивностей.
Количество фитосинтетически активной биомассы (вегетационный индекс) выявляется линейными или дробно-линейными комбинациями двух спектральных каналов: 06,- 0,7 мкм (красный диапазон спектра) и 0,8-0,9 мкм (ближний ИК диапазон спектра). Обусловлено это тем, что в красном диапазоне спектра растительность имеет наименьшее отражение, а в ближнем ИК-диапазоне спектра – самое высокое отражение по сравнению с другими природными объектами. То есть, для растительности в хорошем состоянии характерно падение спектральной кривой в красном диапазоне и резкий подъем в ближнем ИК- диапазоне.
Что такое мультиспектральная камера
и представленный на рынке модельный ряд для БПЛА
Данными для последующего вычисления формулы NDVI являются фотоснимки, собранные путем дистанционного зондирования беспилотником с мультиспектральной камерой в качестве полезной нагрузки. На российском потребительском рынке наиболее популярными производителями мультиспектральных камер являются международные компании.
- Tetracam (Чатсворт, штат Лос-Анжелес, США) - имеет в своем портфеле два модельных ряда, это MINI-MCA - ряд камер с возможностью пользовательского выбора фильтров, а также модельный ряд ADC, дополняющий ассортимент компании ультралегкими мультиспектральными камерами.
- MicaSense (Сиэтл, штат Вашингтон, США) - их модель RedEdge является одним из универсальных решений для проведения исследований полей и профессионального спектрального анализа растений. Камера имеет оптимальное спектральное и пространственное разрешение и легко интегрируется с различными беспилотными платформами.
- PARROT (Франция) - флагманом компании является модель Parrot Sequoia™, обладающая невероятными возможностями в маленьком корпусе и приемлемой ценой. Parrot Sequoia™ является самым маленьким и дешёвым решением для мультиспектральной съёмки; возможна интеграция с любыми дронами.
Назначение камер в целом совпадает – мониторинг растительных и лесных покровов, однако камеры отличаются техническими характеристиками, как например устройства компаний MicaSense и Parrot снимают в 5 независимых спектральных каналах и являются одним из самых универсальных решений на рынке авиационных беспилотных комплексов.
Вегетационные NDVI индексы,
и разнообразие их производных
Со времени разработки алгоритма для расчета NDVI у Доктора Джона Роуза (Rouse B.J.) появилось много модификаций предназначенных для уменьшения влияния различных помехообразующих факторов. Таких, к примеру, как:
- ARVI (Atmospheric — Resistant Vegetation Index) - поглощение аэрозолями атмосферы;
- SAVI (Soil Adjusted Vegetation Index) - отражение от почвенного слоя;
- WI (Water Index) - определение содержания воды в растительности по гиперспектральным снимкам;
- NDWI (Normalized Difference Water Index) - используется для мониторинга изменений содержания воды в листьях с использованием инфракрасных и коротковолновых инфракрасных;
- TCARI (Transformed Chlorophyll Absorption Reflectance Index) - трансформированный индекс отражения абсорбции хлорофилла;
- MSAVI (Modified Soil Adjusted Vegetation Index) - модифицированный корректированный почвенный индекс;
- и д.р.
Для расчета всех этих индексов используются формулы, учитывающие отношения между отражающей способностью различных природных объектов и растительностью в других диапазонах, помимо красного и инфракрасного, что делает их более сложными в применении. Существуют также индексы, основанные на NDVI, но корректирующие сразу несколько помехообразующих факторов, как, например EVI (Enhanced vegetation index).
Для отображения индекса NDVI используется стандартизованная непрерывная градиентная или дискретная шкала, показывающая значения в диапазоне от -1..1 в % или в диапазоне 0..200 (-100..100), что более удобно, так как каждая единица соответствует 1% изменения показателя. Благодаря особенности отражения в ИК областях спектра, природные объекты, не связанные с растительностью, имеют фиксированное значение NDVI.