Использование вегетационных индексов для анализа растительности
Основу дистанционного зондирования составляет возможность измерения электромагнитной энергии на различных длинах волн при взаимодействии с объектами. Способ, которым преломляются или поглощаются электромагнитные волны, уникален для каждого объекта и зависит от его физических свойств. Эти взаимодействия измеряются на дискретных участках спектра, которые при нанесении на график образуют уникальную форму, также известную как спектральный образ объекта.
Растительность взаимодействует с солнечным излучением иначе, чем другие природные объекты. Спектр растительности обычно отличается поглощением в красном и синем диапазонах, отражением в зеленом диапазоне, сильным отражением в ближнем инфракрасном (БИК) диапазоне и сильным поглощением в диапазонах, где присутствует атмосферная влажность. Различные типы растительности, содержание воды, пигмента, углерода, азота и другие свойства вызывают дальнейшие различия по всему спектру. Измерение этих вариаций и изучение их взаимосвязи друг с другом может предоставить важную информацию о здоровье растений, содержании воды, экологическом стрессе и других важных характеристиках. Эти отношения часто описываются как вегетационные индексы.
Растительность взаимодействует с солнечным излучением иначе, чем другие природные объекты. Спектр растительности обычно отличается поглощением в красном и синем диапазонах, отражением в зеленом диапазоне, сильным отражением в ближнем инфракрасном (БИК) диапазоне и сильным поглощением в диапазонах, где присутствует атмосферная влажность. Различные типы растительности, содержание воды, пигмента, углерода, азота и другие свойства вызывают дальнейшие различия по всему спектру. Измерение этих вариаций и изучение их взаимосвязи друг с другом может предоставить важную информацию о здоровье растений, содержании воды, экологическом стрессе и других важных характеристиках. Эти отношения часто описываются как вегетационные индексы.
В электромагнитном спектре отраженный от Солнца оптический спектр охватывает диапазон длин волн примерно от 400 до 3000 нм. Из этого диапазона область от 400 до 2500 нм регулярно фиксируется с использованием различных спутниковых и бортовых оптических датчиков дистанционного зондирования. Оптический спектр делится на четыре различных диапазона длин волн:
· Видимый: от 400 до 700 нм (синий цвет примерно в диапазоне 475 нм, зеленый – 510 нм и красный – 650 нм).
· Ближний инфракрасный (NIR): от 700 до 1300 нм
· Коротковолновый инфракрасный 1 (SWIR-1): от 1300 до 1900 нм
· Коротковолновый инфракрасный 2 (SWIR-2): от 1900 до 2500 нм
Переход от NIR к SWIR-1 отмечен областью поглощения атмосферной влаги на длине волн примерно 1400 нм, где измерения со спутников и самолетов невозможны. Точно так же переход от SWIR-1 к SWIR-2 отмечен областью поглощения атмосферной влаги на длине волн примерно 1900 нм.
· Видимый: от 400 до 700 нм (синий цвет примерно в диапазоне 475 нм, зеленый – 510 нм и красный – 650 нм).
· Ближний инфракрасный (NIR): от 700 до 1300 нм
· Коротковолновый инфракрасный 1 (SWIR-1): от 1300 до 1900 нм
· Коротковолновый инфракрасный 2 (SWIR-2): от 1900 до 2500 нм
Переход от NIR к SWIR-1 отмечен областью поглощения атмосферной влаги на длине волн примерно 1400 нм, где измерения со спутников и самолетов невозможны. Точно так же переход от SWIR-1 к SWIR-2 отмечен областью поглощения атмосферной влаги на длине волн примерно 1900 нм.
Способность оптического датчика разделять особенности объектов на определенных длинах волн оптического спектра и разбивать длины волн на меньшие приращения называется спектральным разрешением датчика. Спектральное разрешение датчика может варьироваться от одноканального черно-белого (панхроматического) до гиперспектрального. Изображения, снятые гиперспектральным датчиком, могут содержать сотни отдельных каналов, что дает почти непрерывное считывание оптического спектра. Наиболее распространенным и легкодоступным типом изображений дистанционного зондирования являются мультиспектральные снимки, которые обычно содержат от 3 до 15 каналов. Многие годы опубликованные научные исследования были сосредоточены на спектральных изменениях, происходящих с растительностью, когда она претерпевает изменения в содержании влаги, пигментов, питательных веществ, и других свойств. Это привело к тому, что на ряде спутников и бортовых датчиков дистанционного зондирования есть съемочные каналы, которые фокусируются на областях электромагнитного спектра, чувствительных к колебаниям свойств растительности. Понимание спектрального разрешения данных имеет решающее значение для эффективной работы с вегетационными индексами, для которых часто требуются данные из очень специфических областей оптического спектра.
Вегетационные индексы
Благодаря многочисленным научным исследованиям в области дистанционного зондирования пришло понимание того, как комбинации измеренных свойств отражения на двух или более длинах волн выявляют определенные характеристики растительности. Существует более 150 вегетационных индексов вместе с дополнительными индексами, разрабатываемыми по мере развития датчиков и появления новой информации. Можно выделить несколько категорий индексов:
1) Индексы «зелёности», рассчитываемые по данным в широких спектральных каналах;
2) Индексы «зелёности», рассчитываемые по данным в узких спектральных каналах;
3) Индексы эффективности использования света;
4) Индексы содержания азота в растительном покрове;
5) Индексы содержания углерода в виде лигнина и целлюлозы;
6) Индексы содержания пигментов в листьях;
7) Индексы для оценки содержания влаги в растительном покрове.
Каждая из вышеперечисленных категорий имеет один или несколько индексов, которые используются для оценки наличия или отсутствия определенного свойства. Эти индексы более подробно рассматриваются ниже.
Индексы «зелёности», рассчитываемые по данным в широких спектральных каналах
Эти индексы описывают силу и здоровье зеленой растительности. Они представляют собой комбинации измерений отражательной способности, которые чувствительны к комбинированным эффектам концентрации хлорофилла в листве, поверхности листьев полога, сгущению листвы и строению полога. Эти вегетационные индексы предназначены для измерения общего количества и качества фотосинтетического материала в растительности, что важно для понимания состояния растительности для разных целей. Для этих вегетационных индексов сильные отражательные свойства в ближнем инфракрасном диапазоне сравниваются с сильными поглощающими свойствами растительности в красном диапазоне. Эти сравнения определяют нормализованный разностный индекс растительности (NDVI), индекс простого соотношения, усовершенствованный вегетационный индекс, атмосферно-устойчивый вегетационный индекс и суммарный индекс «зелёности».
Нормализованный разностный вегетационный индекс (NDVI)
NDVI, пожалуй, самый известный и часто используемый индекс растительности. NDVI – это простой, но эффективный метод количественной оценки зеленой растительности. NDVI нормализует рассеяние зеленого листа в ближнем инфракрасном диапазоне и поглощение хлорофилла в красном диапазоне.
NDVI = (NIR – RED) / (NIR + RED)
Диапазон значений NDVI составляет от -1 до 1, где для здоровой растительности значения обычно находятся между 0,20 и 0,80.
Индекс простого соотношения (SR)
Индекс простого соотношения также хорошо известен и часто используется. Он описывается как соотношение света, рассеянного в ближнем инфракрасном диапазоне, к тому, что поглощается в красном диапазоне.
SR = NIR / RED
Диапазон значений составляет от 0 до 30 и более, где для здоровой растительности значения обычно находятся между 2 и 8.
Усовершенствованный вегетационный индекс (EVI)
В районах плотного полога, где индекс листовой поверхности (LAI) высок, значения NDVI могут быть улучшены за счет использования информации в синем диапазоне. Информация в этой части спектра может помочь скорректировать фоновые сигналы почвы и воздействие атмосферы.
EVI = 2.5*[(NIR – RED) / ((NIR) + (6*RED) – (7.5*BLUE) + 1)]
Диапазон значений EVI составляет от -1 до 1, где для здоровой растительности значения обычно находятся между 0,20 и 0,80.
Атмосферно-устойчивый вегетационный индекс (ARVI)
Индекс ARVI является усовершенствованием индекса NDVI, который относительно устойчив к атмосферным факторам, таким как содержание аэрозолей. При расчетах он использует измерения отражения в синем диапазоне для коррекции эффектов атмосферного рассеяния, которое регистрируется в красном диапазоне. ARVI наиболее полезен в регионах с высоким содержанием аэрозоля в атмосфере.
ARVI = ((NIR) – (2*RED – BLUE) / (NIR) + (2*RED – BLUE))
Диапазон индекса ARVI составляет от -1 до 1, где значения для зеленой растительности обычно находятся между 0,20 и 0,80.
Суммарный индекс «зелёности» (SG)
Индекс SG обычно используется для обнаружения изменений в зеленой растительности. Это полезно при обнаружении нарушений леса, поскольку он очень чувствителен к небольшим изменениям при нарушении сомкнутости полога растительности.
Индекс SG – это среднее значение коэффициента отражения в области спектра от 500 до 600 нм. Далее эта сумма нормализуется на количество каналов, чтобы преобразовать ее обратно в единицы отражения. Значение этого индекса колеблется от 0 до более чем 50 (в процентах отражения). Общий диапазон для зеленой растительности составляет от 10 до 25 процентов отражения.
Индексы «зелёности», рассчитываемые по данным в узких спектральных каналах
Подобно индексам «зелёности», рассчитываемым по данным в широких спектральных каналах, эти индексы предназначены для измерения общего количества и качества фотосинтетического материала в растительности. Индексы «зелёности», рассчитываемые по данным в узких спектральных каналах, используют измерения отражения в красном и ближнем инфракрасном диапазонах для выбора диапазона красного края на кривой отражения. Красный край – это название, используемое для описания круто наклонной части кривой отражения растительности между 690 нм и 740 нм, которая вызвана переходом от поглощения хлорофилла и рассеяния листьями в ближнем инфракрасном диапазоне. Использование измерений в ближнем инфракрасном диапазоне с гораздо большей глубиной проникновения через полог, чем в красном, позволяет оценить общее количество зеленого материала толще листьев. Индексы «зелёности», рассчитываемые по данным в узких спектральных каналах, являются более сложными мерами общего количества и мощности зеленой растительности, рассчитываемые по данным в широких спектральных каналах. Выполнение измерений по узким спектральным каналам в «красном крае» позволяет этим индексам быть более чувствительными к меньшим изменениям в состоянии растительности, чем по данным в широких спектральных каналах, особенно в условиях густой растительности, где измерения в широких спектральных каналах могут достигать насыщения. Индексы «зелёности», рассчитываемые по данным в узких спектральных каналах, предназначены для использования на изображениях с высоким спектральным разрешением, такими, как изображения, полученные гиперспектральными камерами.
Нормализованный вегетационный индекс красного края (NDVI705)
NDVI705 является модификацией индекса NDVI, рассчитываемого по данным в широких спектральных каналах. Он предназначен для использования с данными отражения с очень высоким спектральным разрешением, такими как данные гиперспектральных датчиков. NDVI705 отличается от NDVI использованием диапазона «красного края» вместо основных пиков поглощения и отражения. NDVI705 использует чувствительность диапазона «красного края» растительности к небольшим изменениям содержания листвы в пологе, доли зазоров и старения. Индекс находит применение в точном сельском хозяйстве, мониторинге лесов и обнаружении стресса растительности.
NDVI705 = (750нм – 705 нм) / (750 нм + 705нм)
Значения этого индекса варьируются от -1 до 1. Общий диапазон для зеленой растительности составляет от 0,2 до 0,9.
Модифицированный индекс простого соотношения красного края (mSR705)
Индекс mSR705 является модификацией традиционного индекса SR, рассчитанного на основе широких каналов. Он отличается от стандартного SR тем, что использует каналы в диапазоне «красного края» и включает поправку на отражение света листьями. Применение включает точное сельское хозяйство, мониторинг лесов и обнаружение стресса растительности.
mSR705 = (750нм – 445нм) / (705нм – 445нм)
Значения этого индекса варьируются от 0 до 30. Общий диапазон для зеленой растительности находится между значениями от 2 до 8.
Модифицированный нормализованный вегетационный индекс красного края (mNDVI705)
Индекс mNDVI705 является модификацией NDVI705. Он отличается от NDVI705 включением поправки на отражение света листьями. mNDVI705 использует чувствительность диапазона «красного края» растительности к небольшим изменениям содержания листвы в пологе, доли зазоров и старения. Применение включает точное сельское хозяйство, мониторинг лесов и обнаружение стресса растительности.
mNDVI705 = (750nm - 705nm) / (750nm + 705nm - (2 * 445nm))
Значения этого индекса варьируются от -1 до 1, при этом общий диапазон для зеленой растительности составляет от 0,2 до 0,7.
Первый индекс красного края Вогельмана (VOG1)
VOG1 – это измерение отражения в узких спектральных каналах, которое чувствительно к комбинированным эффектам концентрации хлорофилла в листве, поверхности листьев полога и содержанию влаги. Применение включает исследования фенологии (роста) растительности, точное сельское хозяйство и моделирование продуктивности растительности.
VOG1 = 740нм / 720нм
Значения этого индекса варьируются от 0 до 20. Общий диапазон для зеленой растительности составляет от 4 до 8.
Второй индекс красного края Вогельмана (VOG2)
VOG2 – это измерение отражения в узких спектральных каналах, которое чувствительно к комбинированным эффектам концентрации хлорофилла в листве, поверхности листьев полога и содержанию влаги. Применение включает исследования фенологии (роста) растительности, точное сельское хозяйство и моделирование продуктивности растительности.
VOG2 = (734нм – 747нм) / (715нм + 726нм)
Значения этого индекса варьируются от 0 до 20. Общий диапазон для зеленой растительности составляет от 4 до 8.
Третий индекс красного края Вогельмана (VOG3)
VOG3 – это измерение отражения в узких спектральных каналах, которое чувствительно к комбинированным эффектам концентрации хлорофилла в листве, поверхности листьев полога и содержанию влаги. Применение включает исследования фенологии (роста) растительности, точное сельское хозяйство и моделирование продуктивности растительности.
VOG3 = (734нм – 747нм) / (715нм + 720нм)
Значения этого индекса варьируются от 0 до 20. Общий диапазон для зеленой растительности составляет от 4 до 8.
Индекс положения красного края (REP)
REP – это измерение отражения в узких спектральных каналах, чувствительное к изменениям концентрации хлорофилла. Повышенная концентрация хлорофилла расширяет линию поглощения и смещает «красный край» в сторону большей длины волны.
Положение «красного края» относится к длине волны самого крутого склона в диапазоне от 690 нм до 740 нм. Общий диапазон для зеленой растительности составляет от 700 нм до 730 нм.
Результаты представляют длину волны максимальной производной отражения растительности в области красного края спектра в микрометрах от 0,69 мкм до 0,74 мкм.
Применение включает мониторинг сельскохозяйственных культур и прогнозирование урожайности, обнаружение нарушений экосистем, моделирование фотосинтеза и стресс полога, вызванные климатическими и другими факторами.
Индексы эффективности использования света
Индексы эффективности использования света обеспечивают способы количественной оценки способности растительности использовать падающий свет для фотосинтеза. Учитывая ширину электромагнитного спектра, фактически растениями во время фотосинтеза используется только небольшой диапазон. Он попадает в видимую часть спектра от 400 нм до 700 нм. Способность растения эффективно поглощать энергию в этом диапазоне может быть хорошим прогнозом скорости роста и производства биомассы. Ниже представлены примеры индексов растительности для измерения эффективности использования света: индекс фотохимического отражения, индекс структурно-нечувствительного пигмента и индекс соотношения красного и зеленого.
Фотохимический индекс отражения (PRI)
PRI использует изменения каротиноидных пигментов, в частности ксантофилловых пигментов (желтых), которые поглощаются живой листвой. Эти пигменты показывают эффективность использования фотосинтетического света и полезны для количественной оценки биомассы растительности и стресса. Этот индекс особенно полезен для измерения здоровья растительности до старения.
PRI = (531нм – 570нм) / (531нм + 570нм)
Диапазон для PRI составляет от -1 до 1, где здоровая растительность обычно находится между значениями от -0,2 до 0,2.
Индекс структурно-нечувствительного пигмента (SIPI)
SIPI является хорошим индексом для использования в районах с высокой изменчивостью структуры полога или индексом поверхности листьев. Этот индекс максимизирует чувствительность к соотношению объема каротиноидов к хлорофиллу при минимизации влияния переменной структуры полога.
SIPI = (800нм – 445нм) / (800нм – 680нм)
Диапазон SIPI составляет от 0 до 2, где здоровая зеленая растительность составляет от 0,8 до 1,8.
Индекс соотношения красного и зеленого (RGR Ratio)
Этот индекс является измерением отражательной способности и полезен для оценки развития листвы, индикации роста листьев и стресса или даже цветения в некоторых пологах. Это соотношение измеряет относительную выраженность покраснения листьев, вызванного антоцианом, по сравнению с хлорофиллом.
RGR Ratio = mean(RED) / mean(GREEN),
Где mean(RED) представляет все полосы с длинами волн в красном, а mean(GREEN) – все полосы с длинами волн в зеленом диапазоне электромагнитного спектра. Диапазон индекса RGR Ratio составляет от 0,1 до более 8, где значения для здоровой зеленой растительности обычно находятся между 0,7 и 3.
Индексы содержания азота в растительном покрове
Нормализованный разностный азотный индекс (NDNI)
Высокая отражательная способность при 1510 нм указывает как на высокую концентрацию азота, так и на общую биомассу в листве. И наоборот, значения отражения при 1680 нм содержат аналогичный сигнал за счет внекорневой биомассы без влияния поглощения азота. Эта зависимость используется для измерения сильной чувствительности к изменению состояния азота при зеленом пологе. Области применения включают точное земледелие, анализ экосистем и лесопользование.
NDNI = (log1 1510нм) – (log1 1680нм)/ (log1 1510нм) + (log1 1680нм)
Значение колеблется от 0 до 1. Общий диапазон для зеленой растительности составляет от 0,02 до 0,1.
Индексы содержания углерода в виде лигнина и целлюлозы
Эти индексы используют характеристики, обнаруженные в компонентах растительности во время старения, такие как изменения в лигнине и целлюлозе. Лигнин используется растениями для создания структурных компонентов, таких как древесные стебли. Целлюлоза используется для структуры клеточной ткани. Когда развитие растительности находится на стадии старения или рядом с ней, концентрация этих материалов может увеличиться. Эти увеличения делают растительный материал легковоспламеняющимся; поэтому эти индексы отлично подходят для анализа горимости.
Нормализованный разностный индекс лигнина (NDLI)
NDLI предназначен для оценки относительного количества лигнина, содержащегося в пологе растительности. Высокая отражательная способность при 1754 нм в значительной степени определяется концентрацией лигнина в листьях, а также общей биомассой листвы полога. В качестве эталона используется коэффициент отражения при 1680 нм. Нормализованный разностный индекс лигнина является в высокой степени экспериментальным.
NDLI = (log1 1754nm) - (log1 1680nm) / (log1 1754nm) + (log1 1680nm)
Значение этого индекса колеблется от 0 до 1. Общий диапазон для зеленой растительности составляет от 0,005 до 0,05.
Индекс поглощения целлюлозы (CAI)
CAI количественно определяет открытые поверхности, которые содержат высушенный растительный материал. Сильные характеристики поглощения, присутствующие в диапазоне от 2000 нм до 2200 нм, указывают на большое присутствие целлюлозы. Мониторинг растительных остатков, старение полога растений, условия горимости и управление пастбищным хозяйством – некоторые возможности применения для этого индекса.
CAI = 0.5 (2000нм + 2200нм) – 2100нм
Диапазон значений этого индекса колеблется от -3 до более чем 4. Общий диапазон для зеленой растительности составляет от -2 до 4.
Индекс отражения старения растений (PSRI)
PSRI предназначен для максимальной чувствительности индекса к соотношению объема каротиноидов (например, альфа-каротина и бета-каротина) к хлорофиллу. Увеличение PSRI указывает на повышенный стресс полога (каротиноидный пигмент), начало старения полога и созревание плодов растений. Применение включает мониторинг здоровья растительности, обнаружение физиологического стресса растений и производство сельскохозяйственных культур, а также анализ урожайности.
PSRI = (680нм – 500нм) / 750нм
Для этого индекса значения варьируются от -1 до 1, а общий диапазон значений для зеленой растительности составляет от -0,1 до 0,2.
Индексы содержания пигментов в листьях
Вегетационные индексы содержания пигментов в листьях разработаны для того, чтобы обеспечить измерения связанных со стрессом пигментов, присутствующих в растительности. Пигменты, связанные со стрессом, включают каротиноиды (желтые пигменты) и антоцианы (розовые, фиолетовые и красные пигменты), которые, как правило, присутствуют в более высоких концентрациях, когда растительность находится в ослабленном состоянии. Каротиноиды участвуют в процессах поглощения света растениями, а также в защите растений от вредного воздействия условий высокой освещенности. Антоцианы – это водорастворимые пигменты, в изобилии присутствующие в молодых листьях и листьях, подвергающихся старению. Вегетационные индексы пигментов листьев не измеряют хлорофилл, который измеряется с использованием индексов зелёности. Применение вегетационных индексов пигментов листьев включает мониторинг урожая, исследования экосистем, анализ стресса полога и точное сельское хозяйство.
Первый индекс отражения каротиноидов (CRI1)
CRI1 – это измерение отражения, которое чувствительно к каротиноидным пигментам в листве растений. Оценка содержания каротиноидов в листьях по отражательной способности намного сложнее, чем оценка хлорофилла, из-за перекрытия пиков поглощения хлорофилла и каротиноидов и из-за более высокой концентрации хлорофилла, чем каротиноида в большинстве листьев. При 510 нм взаимное отражение каротиноида максимально, но на это значение также влияет хлорофилл. Для устранения эффекта хлорофилла используется взаимное отражение при 550 нм, на которое влияет исключительно хлорофилл. Более высокие значения CRI1 означают большую концентрацию каротиноидов по сравнению с хлорофиллом.
CRI1 = (1/510 нм) – (1/550 нм)
Значения этого индекса варьируются от 0 до более чем 15. Общий диапазон для зеленой растительности находится между значениями от 1 до 12.
Второй индекс отражения каротиноидов (CRI2)
CRI2 – это измерение отражения, которое чувствительно к каротиноидным пигментам в листве растений. CRI2 является модификацией индекса CRI1. Взаимное отражение при 700 нм используется для устранения влияния хлорофилла на взаимное отражение при 510 нм. Он обеспечивает лучшие результаты в районах с высокой концентрацией каротиноидов. Более высокие значения CRI2 означают большую концентрацию каротиноида относительно хлорофилла.
CRI2 = (1/510 нм) – (1/700 нм)
Значения этого индекса варьируются от 0 до более чем 15. Общий диапазон для зеленой растительности находится между значениями от 1 до 11.
Первый индекс отражения антоцианов (ARI1)
ARI1 – это измерение отражения, которое чувствительно к антоциану в листве растений. Взаимное отражение антоциана является самым высоким в диапазоне около 550 нм; однако на величину взаимного отражения при 550 нм также влияет хлорофилл. Взаимное отражение при 700 нм используется в качестве меры содержания хлорофилла для удаления вклада хлорофилла от отражения около 550 нм. Увеличение ARI1 указывает на изменения в листве в виде нового роста или гибели.
ARI1 = (1/550 нм) – (1/700 нм)
Значения этого индекса варьируются от 0 до более 0,2. Общий диапазон для зеленой растительности находится между значениями от 0,001 до 0,1.
Второй индекс отражения антоцианов (ARI2)
ARI2 – это измерение отражения, чувствительное к антоцианам в листве растений. Увеличение ARI2 указывает на изменения полога листвы в виде нового роста или гибели. ARI2 является модификацией ARI1, которая обнаруживает более высокие концентрации антоцианов в растительности.
ARI2 = 800 нм [(1/550 нм) – (1/700 нм)]
Значения этого индекса варьируются от 0 до 0.2. Общий диапазон для зеленой растительности составляет от 0,001 до 0,1.
Индексы для оценки содержания влаги в растительном покрове
Эти индексы предназначены для измерения количества влаги, содержащейся в пологе листвы. Содержание влаги является важным измерением растительности, потому что более высокое содержание влаги часто указывает на более здоровую растительность, которая, вероятно, будет быстрее расти и будет более огнестойкой. Вегетационные индексы содержания влаги в растительном покрове используют измерения коэффициента отражения в ближней инфракрасной и коротковолновой инфракрасной областях спектра, чтобы воспользоваться известными свойствами поглощения воды и глубиной проникновения света в ближней инфракрасной области для проведения комплексных измерений общего содержания воды в толще листьев. По сравнению с индексами «зелёности», индексы содержания влаги в растительном покрове способны более глубоко «видеть» в толстых пологах и обладают преимущественной чувствительностью к тонким, а не к толстым тканям.
Водный индекс (WBI)
WBI – это измерение коэффициента отражения, которое чувствительно к изменению содержания влаги в пологе растительности. По мере увеличения содержания влаги в пологе поглощение в диапазоне 970 нм увеличивается по сравнению с поглощением в диапазоне 900 нм. Применение WBI включает анализ стресса полога, прогнозирование и моделирование продуктивности, анализ состояния пожарной опасности, управление пахотными землями и исследования физиологии экосистем.
WBI = 900нм / 970нм
Общий диапазон значений для зеленой растительности составляет от 0,8 до 1,2.
Нормализованный разностный водный индекс (NDWI)
NDWI чувствителен к изменению содержания влаги в растительном пологе, поскольку коэффициент отражения при 857 нм и 1241 нм имеет сходные, но несколько отличающиеся свойства поглощения воды. Рассеивание света пологом растительности усиливает слабое поглощение воды при 1241нм. Области применения включают анализ стресса полога леса, исследование индекса площади листьев в густолиственной растительности, моделирование продуктивности растений и исследования восприимчивости к пожарам.
NDWI = (857нм – 1241нм) / (857нм + 1241нм)
Значения этого индекса находятся в диапазоне от -1 до 1. Общий диапазон для зеленой растительности составляет от -0,1 до 0,4.
Индекс стресса влажности (MSI)
MSI – это измерение отражения, которое чувствительно к увеличению содержания воды в листьях. По мере увеличения содержания воды в листьях в пологе растительности увеличивается поглощение в диапазоне 1599 нм. Поглощение при 819 нм почти не зависит от изменения содержания воды, поэтому оно используется в качестве эталона. Применение MSI включает анализ стресса полога, прогнозирование и моделирование продуктивности, анализ состояния пожарной опасности и исследования физиологии экосистем. MSI является инвертированным относительно других вегетационных индексов содержания влаги; более высокие значения указывают на больший водный стресс и меньшее содержание воды.
MSI = 1599нм / 819нм
Значения этого индекса варьируются от 0 до более 3. Общий диапазон для зеленой растительности составляет от 0,4 до 2.
Нормализованный разностный инфракрасный индекс (NDII)
NDII – это измерение коэффициента отражения, чувствительное к изменению содержания воды в пологе растений. NDII использует нормализованную разностную формулу вместо простого соотношения, и значения индекса увеличиваются с увеличением содержания воды. Области применения включают управление сельскохозяйственными культурами, мониторинг полога леса и обнаружение стресса растительности.
NDII = (819нм – 1649нм) / (819нм + 1649нм)
Значения этого индекса варьируются от -1 до 1. Общий диапазон для зеленой растительности находится между значениями от 0,02 до 0,6.
Выводы
Представленные вегетационные индексы не предназначены для количественной оценки точной концентрации или количества какого-либо растительного компонента. Они предназначены для использования в географическом картографировании относительных количеств компонентов растительности, которые затем могут быть интерпретированы в терминах экосистемных условий. Все вегетационные индексы требуют высококачественных измерений коэффициента отражения с помощью мультиспектральных или гиперспектральных датчиков. Измерения в единицах излучения, для которых не была проведена атмосферная коррекция, непригодны и обычно дают плохие результаты. Вегетационные индексы, которые могут быть рассчитаны для конкретного набора данных, определяются спектральными каналами, отобранными во входном наборе данных. Если доступны все спектральные каналы, необходимые для определенного индекса, то этот вегетационный индекс доступен для набора данных. Например, входной набор данных от датчика, который соответствует только ближнему инфракрасному и красному спектральным каналам (таким как AVHRR, TM и другие), способен вычислять только два индекса: NDVI (нормализованный разностный вегетационный индекс) и SR (простое соотношение). Напротив, для входного набора данных с высоким спектральным разрешением, такого как AVIRIS, будет доступно 25 индексов.
Каждая категория индексов обычно предоставляет несколько методов оценки наличия или отсутствия одного растительного признака. Для различных свойств и полевых условий некоторые индексы внутри категории дают результаты с более высокой достоверностью, чем другие. Сравнивая результаты различных вегетационных индексов в категории, и соотнося их с полевыми условиями, измеренными на месте, можно оценить, какие индексы в конкретной категории лучше всего моделируют изменчивость данной сцены. Используя вегетационные индексы в любой категории, которая наилучшим образом моделирует измерения в полевых условиях для нескольких измерений, вы можете значительно повысить качество результатов любой дальнейшей обработки.
Помимо представленных, есть много дополнительных вегетационных индексов, которые были опубликованы в научной литературе. Появляющиеся новые датчики с улучшенным спектральным разрешением позволяют ученым модифицировать существующие индексы, а также создавать новые, использующие преимущества уникальных длин волн оптического спектра.
Благодаря многочисленным научным исследованиям в области дистанционного зондирования пришло понимание того, как комбинации измеренных свойств отражения на двух или более длинах волн выявляют определенные характеристики растительности. Существует более 150 вегетационных индексов вместе с дополнительными индексами, разрабатываемыми по мере развития датчиков и появления новой информации. Можно выделить несколько категорий индексов:
1) Индексы «зелёности», рассчитываемые по данным в широких спектральных каналах;
2) Индексы «зелёности», рассчитываемые по данным в узких спектральных каналах;
3) Индексы эффективности использования света;
4) Индексы содержания азота в растительном покрове;
5) Индексы содержания углерода в виде лигнина и целлюлозы;
6) Индексы содержания пигментов в листьях;
7) Индексы для оценки содержания влаги в растительном покрове.
Каждая из вышеперечисленных категорий имеет один или несколько индексов, которые используются для оценки наличия или отсутствия определенного свойства. Эти индексы более подробно рассматриваются ниже.
Индексы «зелёности», рассчитываемые по данным в широких спектральных каналах
Эти индексы описывают силу и здоровье зеленой растительности. Они представляют собой комбинации измерений отражательной способности, которые чувствительны к комбинированным эффектам концентрации хлорофилла в листве, поверхности листьев полога, сгущению листвы и строению полога. Эти вегетационные индексы предназначены для измерения общего количества и качества фотосинтетического материала в растительности, что важно для понимания состояния растительности для разных целей. Для этих вегетационных индексов сильные отражательные свойства в ближнем инфракрасном диапазоне сравниваются с сильными поглощающими свойствами растительности в красном диапазоне. Эти сравнения определяют нормализованный разностный индекс растительности (NDVI), индекс простого соотношения, усовершенствованный вегетационный индекс, атмосферно-устойчивый вегетационный индекс и суммарный индекс «зелёности».
Нормализованный разностный вегетационный индекс (NDVI)
NDVI, пожалуй, самый известный и часто используемый индекс растительности. NDVI – это простой, но эффективный метод количественной оценки зеленой растительности. NDVI нормализует рассеяние зеленого листа в ближнем инфракрасном диапазоне и поглощение хлорофилла в красном диапазоне.
NDVI = (NIR – RED) / (NIR + RED)
Диапазон значений NDVI составляет от -1 до 1, где для здоровой растительности значения обычно находятся между 0,20 и 0,80.
Индекс простого соотношения (SR)
Индекс простого соотношения также хорошо известен и часто используется. Он описывается как соотношение света, рассеянного в ближнем инфракрасном диапазоне, к тому, что поглощается в красном диапазоне.
SR = NIR / RED
Диапазон значений составляет от 0 до 30 и более, где для здоровой растительности значения обычно находятся между 2 и 8.
Усовершенствованный вегетационный индекс (EVI)
В районах плотного полога, где индекс листовой поверхности (LAI) высок, значения NDVI могут быть улучшены за счет использования информации в синем диапазоне. Информация в этой части спектра может помочь скорректировать фоновые сигналы почвы и воздействие атмосферы.
EVI = 2.5*[(NIR – RED) / ((NIR) + (6*RED) – (7.5*BLUE) + 1)]
Диапазон значений EVI составляет от -1 до 1, где для здоровой растительности значения обычно находятся между 0,20 и 0,80.
Атмосферно-устойчивый вегетационный индекс (ARVI)
Индекс ARVI является усовершенствованием индекса NDVI, который относительно устойчив к атмосферным факторам, таким как содержание аэрозолей. При расчетах он использует измерения отражения в синем диапазоне для коррекции эффектов атмосферного рассеяния, которое регистрируется в красном диапазоне. ARVI наиболее полезен в регионах с высоким содержанием аэрозоля в атмосфере.
ARVI = ((NIR) – (2*RED – BLUE) / (NIR) + (2*RED – BLUE))
Диапазон индекса ARVI составляет от -1 до 1, где значения для зеленой растительности обычно находятся между 0,20 и 0,80.
Суммарный индекс «зелёности» (SG)
Индекс SG обычно используется для обнаружения изменений в зеленой растительности. Это полезно при обнаружении нарушений леса, поскольку он очень чувствителен к небольшим изменениям при нарушении сомкнутости полога растительности.
Индекс SG – это среднее значение коэффициента отражения в области спектра от 500 до 600 нм. Далее эта сумма нормализуется на количество каналов, чтобы преобразовать ее обратно в единицы отражения. Значение этого индекса колеблется от 0 до более чем 50 (в процентах отражения). Общий диапазон для зеленой растительности составляет от 10 до 25 процентов отражения.
Индексы «зелёности», рассчитываемые по данным в узких спектральных каналах
Подобно индексам «зелёности», рассчитываемым по данным в широких спектральных каналах, эти индексы предназначены для измерения общего количества и качества фотосинтетического материала в растительности. Индексы «зелёности», рассчитываемые по данным в узких спектральных каналах, используют измерения отражения в красном и ближнем инфракрасном диапазонах для выбора диапазона красного края на кривой отражения. Красный край – это название, используемое для описания круто наклонной части кривой отражения растительности между 690 нм и 740 нм, которая вызвана переходом от поглощения хлорофилла и рассеяния листьями в ближнем инфракрасном диапазоне. Использование измерений в ближнем инфракрасном диапазоне с гораздо большей глубиной проникновения через полог, чем в красном, позволяет оценить общее количество зеленого материала толще листьев. Индексы «зелёности», рассчитываемые по данным в узких спектральных каналах, являются более сложными мерами общего количества и мощности зеленой растительности, рассчитываемые по данным в широких спектральных каналах. Выполнение измерений по узким спектральным каналам в «красном крае» позволяет этим индексам быть более чувствительными к меньшим изменениям в состоянии растительности, чем по данным в широких спектральных каналах, особенно в условиях густой растительности, где измерения в широких спектральных каналах могут достигать насыщения. Индексы «зелёности», рассчитываемые по данным в узких спектральных каналах, предназначены для использования на изображениях с высоким спектральным разрешением, такими, как изображения, полученные гиперспектральными камерами.
Нормализованный вегетационный индекс красного края (NDVI705)
NDVI705 является модификацией индекса NDVI, рассчитываемого по данным в широких спектральных каналах. Он предназначен для использования с данными отражения с очень высоким спектральным разрешением, такими как данные гиперспектральных датчиков. NDVI705 отличается от NDVI использованием диапазона «красного края» вместо основных пиков поглощения и отражения. NDVI705 использует чувствительность диапазона «красного края» растительности к небольшим изменениям содержания листвы в пологе, доли зазоров и старения. Индекс находит применение в точном сельском хозяйстве, мониторинге лесов и обнаружении стресса растительности.
NDVI705 = (750нм – 705 нм) / (750 нм + 705нм)
Значения этого индекса варьируются от -1 до 1. Общий диапазон для зеленой растительности составляет от 0,2 до 0,9.
Модифицированный индекс простого соотношения красного края (mSR705)
Индекс mSR705 является модификацией традиционного индекса SR, рассчитанного на основе широких каналов. Он отличается от стандартного SR тем, что использует каналы в диапазоне «красного края» и включает поправку на отражение света листьями. Применение включает точное сельское хозяйство, мониторинг лесов и обнаружение стресса растительности.
mSR705 = (750нм – 445нм) / (705нм – 445нм)
Значения этого индекса варьируются от 0 до 30. Общий диапазон для зеленой растительности находится между значениями от 2 до 8.
Модифицированный нормализованный вегетационный индекс красного края (mNDVI705)
Индекс mNDVI705 является модификацией NDVI705. Он отличается от NDVI705 включением поправки на отражение света листьями. mNDVI705 использует чувствительность диапазона «красного края» растительности к небольшим изменениям содержания листвы в пологе, доли зазоров и старения. Применение включает точное сельское хозяйство, мониторинг лесов и обнаружение стресса растительности.
mNDVI705 = (750nm - 705nm) / (750nm + 705nm - (2 * 445nm))
Значения этого индекса варьируются от -1 до 1, при этом общий диапазон для зеленой растительности составляет от 0,2 до 0,7.
Первый индекс красного края Вогельмана (VOG1)
VOG1 – это измерение отражения в узких спектральных каналах, которое чувствительно к комбинированным эффектам концентрации хлорофилла в листве, поверхности листьев полога и содержанию влаги. Применение включает исследования фенологии (роста) растительности, точное сельское хозяйство и моделирование продуктивности растительности.
VOG1 = 740нм / 720нм
Значения этого индекса варьируются от 0 до 20. Общий диапазон для зеленой растительности составляет от 4 до 8.
Второй индекс красного края Вогельмана (VOG2)
VOG2 – это измерение отражения в узких спектральных каналах, которое чувствительно к комбинированным эффектам концентрации хлорофилла в листве, поверхности листьев полога и содержанию влаги. Применение включает исследования фенологии (роста) растительности, точное сельское хозяйство и моделирование продуктивности растительности.
VOG2 = (734нм – 747нм) / (715нм + 726нм)
Значения этого индекса варьируются от 0 до 20. Общий диапазон для зеленой растительности составляет от 4 до 8.
Третий индекс красного края Вогельмана (VOG3)
VOG3 – это измерение отражения в узких спектральных каналах, которое чувствительно к комбинированным эффектам концентрации хлорофилла в листве, поверхности листьев полога и содержанию влаги. Применение включает исследования фенологии (роста) растительности, точное сельское хозяйство и моделирование продуктивности растительности.
VOG3 = (734нм – 747нм) / (715нм + 720нм)
Значения этого индекса варьируются от 0 до 20. Общий диапазон для зеленой растительности составляет от 4 до 8.
Индекс положения красного края (REP)
REP – это измерение отражения в узких спектральных каналах, чувствительное к изменениям концентрации хлорофилла. Повышенная концентрация хлорофилла расширяет линию поглощения и смещает «красный край» в сторону большей длины волны.
Положение «красного края» относится к длине волны самого крутого склона в диапазоне от 690 нм до 740 нм. Общий диапазон для зеленой растительности составляет от 700 нм до 730 нм.
Результаты представляют длину волны максимальной производной отражения растительности в области красного края спектра в микрометрах от 0,69 мкм до 0,74 мкм.
Применение включает мониторинг сельскохозяйственных культур и прогнозирование урожайности, обнаружение нарушений экосистем, моделирование фотосинтеза и стресс полога, вызванные климатическими и другими факторами.
Индексы эффективности использования света
Индексы эффективности использования света обеспечивают способы количественной оценки способности растительности использовать падающий свет для фотосинтеза. Учитывая ширину электромагнитного спектра, фактически растениями во время фотосинтеза используется только небольшой диапазон. Он попадает в видимую часть спектра от 400 нм до 700 нм. Способность растения эффективно поглощать энергию в этом диапазоне может быть хорошим прогнозом скорости роста и производства биомассы. Ниже представлены примеры индексов растительности для измерения эффективности использования света: индекс фотохимического отражения, индекс структурно-нечувствительного пигмента и индекс соотношения красного и зеленого.
Фотохимический индекс отражения (PRI)
PRI использует изменения каротиноидных пигментов, в частности ксантофилловых пигментов (желтых), которые поглощаются живой листвой. Эти пигменты показывают эффективность использования фотосинтетического света и полезны для количественной оценки биомассы растительности и стресса. Этот индекс особенно полезен для измерения здоровья растительности до старения.
PRI = (531нм – 570нм) / (531нм + 570нм)
Диапазон для PRI составляет от -1 до 1, где здоровая растительность обычно находится между значениями от -0,2 до 0,2.
Индекс структурно-нечувствительного пигмента (SIPI)
SIPI является хорошим индексом для использования в районах с высокой изменчивостью структуры полога или индексом поверхности листьев. Этот индекс максимизирует чувствительность к соотношению объема каротиноидов к хлорофиллу при минимизации влияния переменной структуры полога.
SIPI = (800нм – 445нм) / (800нм – 680нм)
Диапазон SIPI составляет от 0 до 2, где здоровая зеленая растительность составляет от 0,8 до 1,8.
Индекс соотношения красного и зеленого (RGR Ratio)
Этот индекс является измерением отражательной способности и полезен для оценки развития листвы, индикации роста листьев и стресса или даже цветения в некоторых пологах. Это соотношение измеряет относительную выраженность покраснения листьев, вызванного антоцианом, по сравнению с хлорофиллом.
RGR Ratio = mean(RED) / mean(GREEN),
Где mean(RED) представляет все полосы с длинами волн в красном, а mean(GREEN) – все полосы с длинами волн в зеленом диапазоне электромагнитного спектра. Диапазон индекса RGR Ratio составляет от 0,1 до более 8, где значения для здоровой зеленой растительности обычно находятся между 0,7 и 3.
Индексы содержания азота в растительном покрове
Нормализованный разностный азотный индекс (NDNI)
Высокая отражательная способность при 1510 нм указывает как на высокую концентрацию азота, так и на общую биомассу в листве. И наоборот, значения отражения при 1680 нм содержат аналогичный сигнал за счет внекорневой биомассы без влияния поглощения азота. Эта зависимость используется для измерения сильной чувствительности к изменению состояния азота при зеленом пологе. Области применения включают точное земледелие, анализ экосистем и лесопользование.
NDNI = (log1 1510нм) – (log1 1680нм)/ (log1 1510нм) + (log1 1680нм)
Значение колеблется от 0 до 1. Общий диапазон для зеленой растительности составляет от 0,02 до 0,1.
Индексы содержания углерода в виде лигнина и целлюлозы
Эти индексы используют характеристики, обнаруженные в компонентах растительности во время старения, такие как изменения в лигнине и целлюлозе. Лигнин используется растениями для создания структурных компонентов, таких как древесные стебли. Целлюлоза используется для структуры клеточной ткани. Когда развитие растительности находится на стадии старения или рядом с ней, концентрация этих материалов может увеличиться. Эти увеличения делают растительный материал легковоспламеняющимся; поэтому эти индексы отлично подходят для анализа горимости.
Нормализованный разностный индекс лигнина (NDLI)
NDLI предназначен для оценки относительного количества лигнина, содержащегося в пологе растительности. Высокая отражательная способность при 1754 нм в значительной степени определяется концентрацией лигнина в листьях, а также общей биомассой листвы полога. В качестве эталона используется коэффициент отражения при 1680 нм. Нормализованный разностный индекс лигнина является в высокой степени экспериментальным.
NDLI = (log1 1754nm) - (log1 1680nm) / (log1 1754nm) + (log1 1680nm)
Значение этого индекса колеблется от 0 до 1. Общий диапазон для зеленой растительности составляет от 0,005 до 0,05.
Индекс поглощения целлюлозы (CAI)
CAI количественно определяет открытые поверхности, которые содержат высушенный растительный материал. Сильные характеристики поглощения, присутствующие в диапазоне от 2000 нм до 2200 нм, указывают на большое присутствие целлюлозы. Мониторинг растительных остатков, старение полога растений, условия горимости и управление пастбищным хозяйством – некоторые возможности применения для этого индекса.
CAI = 0.5 (2000нм + 2200нм) – 2100нм
Диапазон значений этого индекса колеблется от -3 до более чем 4. Общий диапазон для зеленой растительности составляет от -2 до 4.
Индекс отражения старения растений (PSRI)
PSRI предназначен для максимальной чувствительности индекса к соотношению объема каротиноидов (например, альфа-каротина и бета-каротина) к хлорофиллу. Увеличение PSRI указывает на повышенный стресс полога (каротиноидный пигмент), начало старения полога и созревание плодов растений. Применение включает мониторинг здоровья растительности, обнаружение физиологического стресса растений и производство сельскохозяйственных культур, а также анализ урожайности.
PSRI = (680нм – 500нм) / 750нм
Для этого индекса значения варьируются от -1 до 1, а общий диапазон значений для зеленой растительности составляет от -0,1 до 0,2.
Индексы содержания пигментов в листьях
Вегетационные индексы содержания пигментов в листьях разработаны для того, чтобы обеспечить измерения связанных со стрессом пигментов, присутствующих в растительности. Пигменты, связанные со стрессом, включают каротиноиды (желтые пигменты) и антоцианы (розовые, фиолетовые и красные пигменты), которые, как правило, присутствуют в более высоких концентрациях, когда растительность находится в ослабленном состоянии. Каротиноиды участвуют в процессах поглощения света растениями, а также в защите растений от вредного воздействия условий высокой освещенности. Антоцианы – это водорастворимые пигменты, в изобилии присутствующие в молодых листьях и листьях, подвергающихся старению. Вегетационные индексы пигментов листьев не измеряют хлорофилл, который измеряется с использованием индексов зелёности. Применение вегетационных индексов пигментов листьев включает мониторинг урожая, исследования экосистем, анализ стресса полога и точное сельское хозяйство.
Первый индекс отражения каротиноидов (CRI1)
CRI1 – это измерение отражения, которое чувствительно к каротиноидным пигментам в листве растений. Оценка содержания каротиноидов в листьях по отражательной способности намного сложнее, чем оценка хлорофилла, из-за перекрытия пиков поглощения хлорофилла и каротиноидов и из-за более высокой концентрации хлорофилла, чем каротиноида в большинстве листьев. При 510 нм взаимное отражение каротиноида максимально, но на это значение также влияет хлорофилл. Для устранения эффекта хлорофилла используется взаимное отражение при 550 нм, на которое влияет исключительно хлорофилл. Более высокие значения CRI1 означают большую концентрацию каротиноидов по сравнению с хлорофиллом.
CRI1 = (1/510 нм) – (1/550 нм)
Значения этого индекса варьируются от 0 до более чем 15. Общий диапазон для зеленой растительности находится между значениями от 1 до 12.
Второй индекс отражения каротиноидов (CRI2)
CRI2 – это измерение отражения, которое чувствительно к каротиноидным пигментам в листве растений. CRI2 является модификацией индекса CRI1. Взаимное отражение при 700 нм используется для устранения влияния хлорофилла на взаимное отражение при 510 нм. Он обеспечивает лучшие результаты в районах с высокой концентрацией каротиноидов. Более высокие значения CRI2 означают большую концентрацию каротиноида относительно хлорофилла.
CRI2 = (1/510 нм) – (1/700 нм)
Значения этого индекса варьируются от 0 до более чем 15. Общий диапазон для зеленой растительности находится между значениями от 1 до 11.
Первый индекс отражения антоцианов (ARI1)
ARI1 – это измерение отражения, которое чувствительно к антоциану в листве растений. Взаимное отражение антоциана является самым высоким в диапазоне около 550 нм; однако на величину взаимного отражения при 550 нм также влияет хлорофилл. Взаимное отражение при 700 нм используется в качестве меры содержания хлорофилла для удаления вклада хлорофилла от отражения около 550 нм. Увеличение ARI1 указывает на изменения в листве в виде нового роста или гибели.
ARI1 = (1/550 нм) – (1/700 нм)
Значения этого индекса варьируются от 0 до более 0,2. Общий диапазон для зеленой растительности находится между значениями от 0,001 до 0,1.
Второй индекс отражения антоцианов (ARI2)
ARI2 – это измерение отражения, чувствительное к антоцианам в листве растений. Увеличение ARI2 указывает на изменения полога листвы в виде нового роста или гибели. ARI2 является модификацией ARI1, которая обнаруживает более высокие концентрации антоцианов в растительности.
ARI2 = 800 нм [(1/550 нм) – (1/700 нм)]
Значения этого индекса варьируются от 0 до 0.2. Общий диапазон для зеленой растительности составляет от 0,001 до 0,1.
Индексы для оценки содержания влаги в растительном покрове
Эти индексы предназначены для измерения количества влаги, содержащейся в пологе листвы. Содержание влаги является важным измерением растительности, потому что более высокое содержание влаги часто указывает на более здоровую растительность, которая, вероятно, будет быстрее расти и будет более огнестойкой. Вегетационные индексы содержания влаги в растительном покрове используют измерения коэффициента отражения в ближней инфракрасной и коротковолновой инфракрасной областях спектра, чтобы воспользоваться известными свойствами поглощения воды и глубиной проникновения света в ближней инфракрасной области для проведения комплексных измерений общего содержания воды в толще листьев. По сравнению с индексами «зелёности», индексы содержания влаги в растительном покрове способны более глубоко «видеть» в толстых пологах и обладают преимущественной чувствительностью к тонким, а не к толстым тканям.
Водный индекс (WBI)
WBI – это измерение коэффициента отражения, которое чувствительно к изменению содержания влаги в пологе растительности. По мере увеличения содержания влаги в пологе поглощение в диапазоне 970 нм увеличивается по сравнению с поглощением в диапазоне 900 нм. Применение WBI включает анализ стресса полога, прогнозирование и моделирование продуктивности, анализ состояния пожарной опасности, управление пахотными землями и исследования физиологии экосистем.
WBI = 900нм / 970нм
Общий диапазон значений для зеленой растительности составляет от 0,8 до 1,2.
Нормализованный разностный водный индекс (NDWI)
NDWI чувствителен к изменению содержания влаги в растительном пологе, поскольку коэффициент отражения при 857 нм и 1241 нм имеет сходные, но несколько отличающиеся свойства поглощения воды. Рассеивание света пологом растительности усиливает слабое поглощение воды при 1241нм. Области применения включают анализ стресса полога леса, исследование индекса площади листьев в густолиственной растительности, моделирование продуктивности растений и исследования восприимчивости к пожарам.
NDWI = (857нм – 1241нм) / (857нм + 1241нм)
Значения этого индекса находятся в диапазоне от -1 до 1. Общий диапазон для зеленой растительности составляет от -0,1 до 0,4.
Индекс стресса влажности (MSI)
MSI – это измерение отражения, которое чувствительно к увеличению содержания воды в листьях. По мере увеличения содержания воды в листьях в пологе растительности увеличивается поглощение в диапазоне 1599 нм. Поглощение при 819 нм почти не зависит от изменения содержания воды, поэтому оно используется в качестве эталона. Применение MSI включает анализ стресса полога, прогнозирование и моделирование продуктивности, анализ состояния пожарной опасности и исследования физиологии экосистем. MSI является инвертированным относительно других вегетационных индексов содержания влаги; более высокие значения указывают на больший водный стресс и меньшее содержание воды.
MSI = 1599нм / 819нм
Значения этого индекса варьируются от 0 до более 3. Общий диапазон для зеленой растительности составляет от 0,4 до 2.
Нормализованный разностный инфракрасный индекс (NDII)
NDII – это измерение коэффициента отражения, чувствительное к изменению содержания воды в пологе растений. NDII использует нормализованную разностную формулу вместо простого соотношения, и значения индекса увеличиваются с увеличением содержания воды. Области применения включают управление сельскохозяйственными культурами, мониторинг полога леса и обнаружение стресса растительности.
NDII = (819нм – 1649нм) / (819нм + 1649нм)
Значения этого индекса варьируются от -1 до 1. Общий диапазон для зеленой растительности находится между значениями от 0,02 до 0,6.
Выводы
Представленные вегетационные индексы не предназначены для количественной оценки точной концентрации или количества какого-либо растительного компонента. Они предназначены для использования в географическом картографировании относительных количеств компонентов растительности, которые затем могут быть интерпретированы в терминах экосистемных условий. Все вегетационные индексы требуют высококачественных измерений коэффициента отражения с помощью мультиспектральных или гиперспектральных датчиков. Измерения в единицах излучения, для которых не была проведена атмосферная коррекция, непригодны и обычно дают плохие результаты. Вегетационные индексы, которые могут быть рассчитаны для конкретного набора данных, определяются спектральными каналами, отобранными во входном наборе данных. Если доступны все спектральные каналы, необходимые для определенного индекса, то этот вегетационный индекс доступен для набора данных. Например, входной набор данных от датчика, который соответствует только ближнему инфракрасному и красному спектральным каналам (таким как AVHRR, TM и другие), способен вычислять только два индекса: NDVI (нормализованный разностный вегетационный индекс) и SR (простое соотношение). Напротив, для входного набора данных с высоким спектральным разрешением, такого как AVIRIS, будет доступно 25 индексов.
Каждая категория индексов обычно предоставляет несколько методов оценки наличия или отсутствия одного растительного признака. Для различных свойств и полевых условий некоторые индексы внутри категории дают результаты с более высокой достоверностью, чем другие. Сравнивая результаты различных вегетационных индексов в категории, и соотнося их с полевыми условиями, измеренными на месте, можно оценить, какие индексы в конкретной категории лучше всего моделируют изменчивость данной сцены. Используя вегетационные индексы в любой категории, которая наилучшим образом моделирует измерения в полевых условиях для нескольких измерений, вы можете значительно повысить качество результатов любой дальнейшей обработки.
Помимо представленных, есть много дополнительных вегетационных индексов, которые были опубликованы в научной литературе. Появляющиеся новые датчики с улучшенным спектральным разрешением позволяют ученым модифицировать существующие индексы, а также создавать новые, использующие преимущества уникальных длин волн оптического спектра.
26 мая / 2022
