شاخص های پوشش گیاهی در پردازش تصاویر ماهواره ای

 

گیاهان سبز معمولا در محدوده مرئی ( ۴۰۰- ۷۰۰ نانومتر) تیره هستند که این فرایند ناشی از جذب نور توسط رنگدانه‌های موجود در گیاهان سبز (کلروفیل ۱، پروتو کلروفیل II، زانتوفیل و …) می‌باشد.

اما در این محدوده یک افزایش ناگهانی انعکاس در طول موج حدود ۵۵۰ نانومتر دارند (نور سبز) به همین دلیل آنها معمولا به رنگ سبز دیده می‌شوند. در محدوده بین ۷۰۰ الی ۱۳۰۰ نانومتر گیاهان روشن می‌باشند زیرا در این محدوده دارای انعکاس بالایی هستند از ۱۳۰۰ تا ۲۵۰۰ نانومتر گیاهان سبز به دلیل جذب نور توسط آب موجود در برگ گیاهان سبز، سلولز، لیگنین و دیگر مواد موجود در این محدوده طیفی تیره هستند.

 

به صورت خلاصه:

• تیره: ۴۰۰ تا ۷۰۰ نانومتر
• روشن: ۷۰۰ تا ۱۳۰۰
• تیره (اما روشن‌تر از ۴۰۰ تا ۷۰۰): ۱۳۰۰ تا ۲۵۰۰

 

کدامیک از باندهای سنجش از دور می‌توانند پوشش گیاهی را بهتر نشان دهند؟

معمولا باندهایی که در قلمرو ۴۰۰ تا ۷۰۰ نانومتر قرار دارند به دلیل اینکه گیاهان در این قلمرو تیره هستند مناسب نیستند.

• برای سنجنده TM: باند‌های ۴ و ۵ مناسب هستند
• برای MSS: باندهای ۶ و ۷ مناسب هستند

البته برای از بین بردن عوارضی مانند اثرات توپوگرافی و آلبدو بهتر است برای تشخیص پوشش‌های گیاهی از نسبت‌های باندی استفاده شود.

اگر بخواهیم پوشش‌های گیاهی به صورت روشن ظاهر شوند نسبت باندهایی که در قلمرو ۷۰۰ الی ۱۳۰۰ نانومتر قرار گرفته به باندهایی که در قلمرو ۴۰۰ تا ۷۰۰ و یا ۱۳۰۰ تا ۲۵۰۰ نانومتر قرار دارند مناسب‌ترند. در حالت اول نسبت مادون قرمز نزدیک NIR به IR می‌باشد و در واقع هدف این است باندهایی که در آنها پوشش گیاهی انعکاس بالایی دارد در صورت و باندهای که انعکاس کمی دارند در مخرج قرار گیرند.

در سنجنده TM: نسبت باندهای TM4/TM3 مناسب هستند. همچنین نسبت TM5/TM7 نیز مناسب هستند. اما به دلیل اینکه بسیاری از رس‌ها نیز در این قلمرو روشن هستند استفاده از آنها توصیه نمی‌شود.

 

چرا معمولا در سنجش از دور پوشش گیاهی را به رنگ قرمز نشان می‌دهند؟

به این دلیل که رنگ قرمز بهتر با چشم انسان تشخیص داده می‌شود و از طرفی دیگر اگر پوشش گیاهی به رنگ سبز نشان داده شود که مطابق با رنگ واقعی آنهاست فرض می‌شود که بعضی پدیده‌های دیگر نیز به رنگ واقعی خود نشان داده شده‌اند در حالی که رنگ آنها کاذب است.

 

شاخص پوشش گیاهی چیست؟

در واقع شاخص پوشش گیاهی یک شاخص عددی است تا ارتباطی با مفاهیم بیولوژی، شیمی و یا فیزیک داشته باشد. اما می‌تواند اطلاعات مفیدی را در خصوص وضعیت پوشش گیاهی در اختیار ما قرار دهد و در واقع از آن به عنوان شاهد تجربی می‌توانیم نام ببریم.

در اینجا برای بررسی شاخص‌های پوشش گیاهی بهتر است در ابتدا خط خاکی یا خط با پوشش گیاهی صفر را تعریف کنیم.

خط خاکی یک خط فرضی در فضای طیفی است که تغییرات طیفی خاک‌های بدون پوشش گیاهی را در تصویر نشان می‌دهد. این خط بوسیله دو یا چند بخش از خاک‌های ضخیم از یک تصویر که ممکن است انعکاس متفاوت داشته باشند (به وسیله بهترین خط آن) مشخص می‌شوند. کارت و توماس (۱۹۷۶) Kart and Tomas شکلی مشهور تحت عنوان Tasseld cap یا کلاه منگوله‌دار در فضای طیفی Red – NIR سنجنده Mss مشخص کردند.

آنها مشخص کردند نقطه‌ای از کلاه (نوک کلاه، خطی که انعکاس کم در نور قرمز و انعکاس زیاد در NIR دارد) بیانگر مناطقی با پوشش گیاهی بالا و بخش صاف کلاه برعکس نوک کلاه بیانگر خط خاکی صفر است. بهترین راه مشخص کردن خط خاکی استفاده از scatter diagram است به طوری که برای محور X، Red و بر روی محور Y،NIR نمایش داده شود. پایین‌ترین خط خاکی که از سمت راست دیاگرام پراکندگی نقاط عبور می‌کند همان خط خاکی صفر است.

در حالت کلی شاخص‌های پوشش گیاهی به دو دسته اصلی تقسیم می‌شوند و در واقع تقسیم‌بندی آنها بر اساس ارتباط این شاخص‌ها با خط خاکی است.

1. اگر خطوط هم سبزینگی از مرکز عبور کنند و یا در یک نقطه به هم برسند:
   نمونه‌های شاخص این گروه RVI , SAVI , NDVI است
2. خط هم سبزینگی موازی خط خاکی هستند:
   این شاخص‌ها را شاخص‌های عمودی Perpendicular می‌نامند که در واقع شدت پوشش گیاهی با فاصله عمودی از خط خاکی مشخص می‌شود. نمونه‌های معروف این شاخص عبارتند از: WDVI , PVI , DVI

 

معرفی شاخص‌ها

+ شاخص (RVI): (Ratio Vegetation Index)

این شاخص اولین بار توسط (Jordan1969) مطرح شد.

 

خصوصیات کلی:

– شاخصی است بر اساس نسبت باندها

– خطوط هم سبزینگی در مبدا به هم می‌رسند

– خط خاکی با شیب ۱/۰ از مبدا عبور می‌کند

– تغییرات آن از صفر تا بینهایت است

– محاسبه RVI = NIR/IR:

 

 

+ شاخص (Normalized Difference Vegetation Index) NDVI

بوسیله Rouse et al 1967 طرح شد. وقتی افراد از شاخص پوشش گیاهی صحبت می‌کنند در واقع چیزی که به آن رفرنس می‌دهنداین شاخص است. این شاخص از ۱ تا ۱- در تغییر است ولی شاخص RVI از صفر تا بینهایت متغیر است و در واقع می‌توان شاخص RVI را مطابق رابطه زیر به NDVI تبدیل کرد.

 

 

(DVI = (RVI -1) / (RVI+1

خلاصه شاخص NDVI

– بر اساس نسبت باندی عمل می‌کند

– خطوط هم سبزینه در مرکز به هم می‌رسند

– خط خاکی دارای شیب ۱ و از مرکز عبور می‌کند

– تغییرات بین ۱+ و ۱- است

– فرمول عمومی NDVI = NIR – RED / NIR + RED

 

 

 

+ شاخص Infrared Percentage Vegetation Index) IPVI)

برای اولین بار توسط(Crippen1990) مطرح شد. کریپن کاهش قرمز را غیر واقعی دانست و در نتیجه شاخص IPVI را به شرح زیر بیان کرد.

• اساس نسبت باندی است
• خطوط هم سبزینه از مبدا عبور می‌کند
• تغییر بین ۰ تا ۱
• خط خاکی دارای شیب ۱ و از مرکز عبور می‌کند
• IDVI = (NDVI) / 2 یا IPVI = NIR / NIR + RED

 

 

+ شاخص (DVI (Divergence Vegetation Index

توسط Richardson & Everett ارائه شد.

• شاخص عمودی
• خطوط هم سبزینگی موازی خط خاکی
• خط خاکی با شیب ناچیز (arbitrary ) از مبدا عبور می‌کند
• تغییرات نامحدود
• DVI = NIR – RED

 

 

+ شاخص (PVI (Perpendicular Vegetation Index

برای اولین بار توسط Richardson & Wigand (1977) ارائه شد.

 

خصوصیات:

• شاخص عمودی
• خطوط هم سبزینه موازی خط خاکی
• خط خاکی با شیب ناچیز از مبدا عبور می‌کند
• تغییرات بین ۱+ تا ۱-
  • فرمول RED) NIR – cos (PVI = sin)

  = زاویه بین خط خاکی و محور NIR است.

 

 

+ شاخص (WDVI (Weighted Difference Vegetation Index

توسط Clevers (1988) ارائه شد. WDVI نسخه خلاصه شده ای از شاخص PVI است اما دارای دامنه نامحدود است. همانند PVI، WDVI خیلی حساس به تغییرات اتمسفری است ( Qi و همکاران، ۱۹۹۴)

• شاخص عمودی
• خط هم سبزینه موازی خط خاکی
• خط خاکی با شیب کم از مبدا عبور می‌کند و تغییرات نامحدود است

WDVI = NIR – g RED فرمول

g = شیب خط خاکی

 

 

شاخص‌ها برای به حداقل رسانیدن خط خاکی

منظور از نویز خاکی چیست؟

همه خاکها یکسان نیستند. خاکهای مختلف دارای انعکاسهای مختلفی هستند. همانگونه که در بخش قبلی بحث شد همه شاخص‌های سبزینگی در ارتباط با خط خاکی هستند که با یک شیب در فضای IR , NIR مشخص می‌شود. بهر حال اگر فرض کنیم که خطوط هم سبزینگی که از یک نقطه عبور می‌کنند صحیح نباشد، زیرا تغییر در رطوبت خاک که باعث حرکت خط خاکی به طرف هم سبزینگی می‌شود هم باعث خطای زیاد در خطوط کم سبزینگی می‌گردد. این مسئله وقتی بارزتر می‌گردد که پوشش گیاهی کم باشد.

در زیر شاخص‌های خاصی است که می‌تواند خطوط هم سبزینگی را به مقدار واقعی نزدیکتر نماید.

 

+ شاخص (SAVI (Soil Adjusted Vegetation Index

برای اولین بار توسط ltuete (1988) ارائه شد. این شاخص بینابینی در شاخص نسبت بر مبنای نسبت‌های شاخص‌های عمودی دارد. یعنی اینکه این شاخص‌ها نه عمودی هستند و نه هم دیگر را در یک نقطه قطع می‌کنند.

بازسازی اولیه این شاخص بر اساس اندازه گیری هایی بود که بر روی تغییرات پنبه (کتان ) و Canopies‌ها روی خاک‌های زمینه سیاه و روشن انجام گرفت و فاکتور الحاقی L بوسیله اندازه گیری خطای معادل شاخص پوشش گیاهی در خاکهای روشن و تیره محاسبه گردید. نتیجه این شاخص نسبت باندی این بود که خطوط هم دیگر را در مبدا قطع نمی کردند بلکه محل تقاطع آنها در –NIR و –IR بود. هوت (۱۹۸۸) به این مسئله توجه کرد که این شاخص برای تشخیص بهتر زمینه در شاخص پوشش گیاهی مناسبتر است.

خلاصه:

• اساس نست باندی است
• خطوط هم سبزینه در محدوده –NIR و – IR همدیگر را قطع می‌کنند
• شیب خط خاکی ۱ و از مبده عبور می‌کند
• تغییرات از ۱+ تا ۱- است
• فرمول: SDVI = {( NIR – RED ) / ( NIR + RED + L )} (1 + L )

L: فاکتور تصحیح بوده (correction factor) از صفر برای منطقه با پوشش گیاهی بالا تا ۱ برای مناطق با پوشش گیاهی خیلی کم تغییر می‌کند و برای مناطق با پوشش گیاهی متوسط ۵/۰ است.

(۱ + L): در این فرمول باعث می‌شود که تغییرات شاخص پوشش گیاهی از ۱- تا ۱ + باشد و اگر فاکتور L به صفر برسد شاخص SDVI برابر با شاخص NDVI خواهد بود.

 

 

+ شاخص (TASVI (Transformed Soil Vegetation Index

بوسیله (Gvyot ,Baret 1991) ارائه شد.

در این شاخص فرض بر این است که خط خاکی داری شیب نا چیز و منقطع است. این شاخص شبیه به SAVI است با این تفاوت که L حذف شده است. پارامتر X به عنوان پارامتری که اثر خاک زمینه را به حداقل می‌رساند بکار برده شده است که مقدار آن را معمولا ۰.۰۸ در نظر می‌گیرند. محل تلاقی خط هم سبزینگی معمولا بین مبدا و نقطه الحاقی که معمولا در SDVI استفاده می‌شود(L = 0.5) می‌باشد.

خلاصه:

• شاخص نسبت باندی است
• خطوط هم سبزینگی در محدوده –RED و –NIR تلاقی می‌کنند.
• خط خاکی دارای شیب ناچیز و Intercept
• تغییرات بین ۱- و ۱+ است

فرمول:

s ) (1 + S S + X NIR – a RED )} / {a TSAVI = {S(NIR – S

a: intercept خط خاکی

s: شیب خط خاکی

X: فاکتور مرتب کردن adjustment factor که برای حداقل نویز (۰.۰۸ ) است.

 

 

+ شاخص (MSAVI (Modified Soil Adjustment Vegetation

بوسیله Qietal 1994)) ارائه شد.

خلاصه:

– نسبت باندی است

– خطوط هم سبزینگی و خط خاکی در نقاط مختلفی همدیگر را قطع می‌کنند، خط خاکی شیب کمی دارد و از مبدا می‌گذرد

– تغییرات بین ۱- تا ۱ + است

فرمول:

MSAVI = {(NIR – RED) / ( NIR+RED + L)}(1 + L)

S = شیب خط خاکی

L = 1-2 S(NDVI ) (WDVI)

همانطور که در بخش قبلی بحث شد، فاکتور‌ها برای SAVI بستگی به درجه پوشش گیاهی داشت که معمولا قبل از محاسبه پوشش گیاهی بایستی مقدار آن مشخص می‌شد. اما در اینجا فاکتور L یا فاکتور صحت بر اساس شاخص‌های WDVI و NDVI حساب می‌شود و در نتیجه خطوط هم سبزینگی در یک نقطه یکدیگر را قطع نمی‌کنند.

 

 

 

+ شاخص (MSAVI 2 (Second Modified Adjusted Vegetation Index

بوسیله Qi همکاران (۱۹۹۴) ارائه شد.

MSAVI 2 = (1.2)(2(NIR + 1 ) – SQR{(2 NIR + I ) – 8(NIR – RED)}

خلاصه:

• شاخص بر اساس نسبت باندی
• خطوط هم سبزینگی در نقاط مختلف خط خاکی را قطع می‌کنند
• خط خاکی دارای شیب فضایی ۱ است
• تغییرات بین ۱- تا ۱+ است

 

شاخص‌های کاهش نویز اتمسفری

نویز اتمسفری چیست؟

به دلیل تغییر اتمسفر در زمان‌ها و مکانهای مختلف است. اتمسفر هم بر روی نوری که از داخل آن عبور می‌کند هم به دلیل اینکه پراکندگی آئروسلها بر روی شدت نور تاثیر زیادی دارد. این تاثیرات آنگونه است که حتی در طول یک منظره می‌توان مشاهده کرد. برای مثال اثرات اتمسفر در مناطق که ارتفاع زیادی دارد و مناطقی که ارتفاع آن کم است بطور یکسان تحت تاثیر قرار نمی گیرند در نتیجه این فرایند باعث خطا در محاسبه شاخص سبزینگی می‌گردد که در این راستا شاخص‌های خاصی ارائه شده است که مورد بحث قرار می‌گیرند.

 

+ شاخص (GEMI (Global Environmental Monitoring Index

توسط (Pinty and Verstraete 1991) ارائه شد.

خلاصه:

غیر خطی، کمپلکسی از خطوط هم سبزینگی، تغییرات از صفر تا ۱ + است.

GEMI = eta(1- 0.25 eta) – {(RED – ۰.۱۲۵ ) / (۱- RED)}

eta ={ 2(NIR – RED ) + 1.5 NIR + 0.5 RED} / (NIR – RED + 0.5)

 

شاخص‌های پایداری اتمسفری

شاخص‌های پایداری اتمسفر شاخص هایی هستند که در شرایط اتمسفری تصحیح شده ساخته می‌شود که اولین اینها ARVI است.

 

+ شاخص AVRI = Atmospheric resistance vegetation index

بوسیله (Kaufman and tanre 1992) ارائه شده است.

آنها انعکاس باند قرمز را در شاخص NDVI به صورت زیر جایگزین کردند.

RB = red – gamma (blue – red )

در اینجا گاما برابر ۱ است، کافمن و تافر (۱۹۹۴) همین وضعیت برای جایگزینی red در شاخص‌های SDVI پیشنهاد کردند که منجر به ارائه شاخص جدیدی تحت عنوان SARVI گردید.

ARVI = (NIR – RB ) / (NIR + RB )

RB = RED – gamma (red – blve)

Gamma = 1 معمولا

 

نتیجه:

معمولا شاخص NDVI به عنوان مهمترین شاخص پوشش گیاهی می‌باشد که در سنجش از دور مورد استفاده قرار می‌گیرد. در حقیقت هر کسی با سنجش از دور سرو کار داشته باشد، این شاخص را می‌شناسد: این شاخص برای مناطقی که تراکم پوشش گیاهی متوسط و بالاتر باشد مناسب است زیرا نسبت به خاک زمینه روشن و اثرات اتمسفر حساسیت کمتری دارد اما برای مناطق پوشش گیاهی کم مناسب نیست.

PVI: یک شاخص عمومی نیست به دلیل اینکه به اتمسفر حساسیت زیادی دارد کمتر مورد استفاده قرار می‌گیرد. اما برای مشخص کردن خط خاکی از اهمیت زیادی برخوردار است و در بسیاری از منطق چون پوشش گیاهی ناچیز است نسبت به NDVI جواب بهتری می‌دهد.

اگر منطقه مورد مطالعه فقیر از پوشش گیاهی باشد شاخص SAVI شاخص مناسبی است.شاخص MSAVI نیز فاکتور مناسبی است اما کمتر مورد استفاده قرار می‌گیرد.

منابع:

• http://nature.berkeley.edu/~gong/textbook/chapter6/html/sect65.htm
• http://en.wikipedia.org/wiki/Normalized_Difference_Vegetation_Index
• http://rst.gsfc.nasa.gov/Sect3/Sect3_4.html
• http://earthobservatory.nasa.gov/Features/MeasuringVegetation/measuring_vegetation_2.php
• http://geo.arc.nasa.gov/sge/casa/global/biosphere.html
• http://www.tandfonline.com/doi/pdf/10.1080/17538940701782627