شاخص های پوشش گیاهی در پردازش تصاویر ماهواره ای

[P O U R I A]

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

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 می شوند . در محدوده بین ۷۰۰ الی ۱۳۰۰ نانومتر گیاهان روشن می باشند زیرا در این محدوده دارای انعکاس بالایی هستند از ۱۳۰۰ تا ۲۵۰۰ نانومترگیاهان سبز به دلیل جذب نور توسط آب موجود در برگ گیاهان سبز ، سلولز ، لیگنین و دیگر مواد موجود در این محدوده طیفی تیره هستند.

بطور خلاصه :
تیره : ۴۰۰ تا ۷۰۰ نانومتر
روشن : ۷۰۰ تا ۱۳۰۰
تیره( اما روشن تر از ۴۰۰ تا ۷۰۰ ) : ۱۳۰۰ تا ۲۵۰۰


کدامیک از باندهای سنجش از دور می توانند 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 : باند های 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 پوشش های گیاهی از نسبتهای باندی استفاده شود.

اگر بخواهیم پوشش های 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 می باشد 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 نمی شود.

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

به این دلیل که رنگ قرمز بهتر با چشم انسان تشخیص داده می شود و از طرفی دیگر اگر پوشش گیاهی به رنگ سبز نشان داده شود که مطابق با رنگ واقعی آنهاست فرض می شود که بعضی پدیده های دیگر نیز به رنگ واقعی خود نشان داده شده اند 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 می تواند اطلاعات مفیدی را در خصوص وضعیت پوشش گیاهی در اختیار ما قرار دهد و در واقع از آن به عنوان شاهد تجربی می توانیم نام ببریم .

در اینجا برای بررسی شاخص های 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 خاک های بدون پوشش گیاهی را در تصویر نشان می دهد . این خط بوسیله دو یا چند بخش از خاکهای ضخیم از یک تصویر که ممکن است انعکاس متفاوت داشته باشند( بوسیله بهترین خط آن) مشخص می شوند. کارت و توماس(۱۹۷۶) Kart and Tomas شکلی مشهور تحت عنوان Tasseld cap یا کلاه منگوله دار در فضای طیفی Red – NIR سنجنده Mss مشخص کردند. آنها مشخص کردند نقطه ای 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 بطوری که برای محور X ، Red و بر روی محور Y ،NIR نمایش داده شود . پایین ترین خط خاکی که از سمت راست دیاگرام پراکندگی نقاط عبور می کند همان خط خاکی صفر است.

در حالت کلی شاخص های پوشش گیاهی به دو دسته اصلی تقسیم می شوند و در واقع تقسیم بندی آنها بر اساس ارتباط این شاخص ها با خط خاکی است.
۱) اگر خطوط هم سبزینگی از مرکز عبور کنند و یا در یک نقطه به هم برسند :
نمونه های شاخص این گروه RVI , SAVI , NDVI است

۲) خط هم سبزینگی موازی خط خاکی هستند :
این شاخص ها را شاخص های عمودی Perpendicular می نامند که در واقع شدت پوشش گیاهی با فاصله عمودی از خط خاکی مشخص می شود. نمونه های معروف این شاخص عبارتند از : WDVI , PVI , DVI

معرفی شاخص ها:
+ شاخص( RVI ): ( Ratio Vegetation Index )
این شاخص اولین بار توسط( Jordan1969) مطرح شد.

 

[P O U R I A]

خصوصیات کلی :
– شاخصی است بر اساس نسبت باندها
– خطوط هم سبزینگی در مبدا به هم می رسند
– خط خاکی با شیب ۱/۰ از مبدا عبور می کند
– تغییرات آن از صفر تا بینهایت است
– محاسبه RVI = NIR/IR :


+ شاخص (NDVI (Normalized Difference Vegetation Index
بوسیله Rouse et al 1967 طرح شد. وقتی افراد از شاخص پوشش گیاهی صحبت می کنند در واقع چیزی که به آن رفرنس می دهنداین شاخص است. این شاخص از ۱ تا ۱- در تغییر است ولی شاخص RVI از صفر تا بینهایت متغیر است و در واقع می توان شاخص RVI را مطابق رابطه زیر به NDVI تبدیل کرد.

(DVI = (RVI -1 ) / (RVI+1
​

خلاصه شاخص NDVI

– بر اساس نسبت باندی عمل می کند
– خطوط هم سبزینه در مرکز به هم می رسند
– خط خاکی دارای شیب ۱ و از مرکز عبور می کند
– تغییرات بین ۱+ و ۱- است
– فرمول عمومی NDVI = NIR – RED / NIR + RED​

 

[P O U R I A]

 

[P O U R I A]

+ شاخصInfrared 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 می کند
تغییر بین ۰ تا ۱
خط خاکی دارای شیب ۱ و از مرکز عبور می کند
IDVI = (NDVI) / 2 یا IDVI = 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 می کند
تغییرات نامحدود
DVI = NIR – RED​

 

[P O U R I A]

+ 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 می کند
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 می کند و تغییرات نامحدود است
WDVI = NIR – g RED فرمول
g = شیب خط خاکی​

شاخص ها 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 شاخص های سبزینگی در ارتباط با خط خاکی هستند که با یک شیب در فضای IR , NIR مشخص می شود. بهر حال اگر فرض کنیم که خطوط هم سبزینگی که از یک نقطه عبور می کنند صحیح نباشد، زیرا تغییر در رطوبت خاک که باعث حرکت خط خاکی به طرف هم سبزینگی می شود هم باعث خطای زیاد در خطوط کم سبزینگی می گردد. این مسئله وقتی بارزتر می گردد که پوشش گیاهی کم باشد.

در زیر شاخص های خاصی است که می تواند 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 نسبت های شاخص های عمودی دارد. یعنی اینکه این شاخص ها نه عمودی هستند و نه هم دیگر را در یک نقطه قطع می کنند.

بازسازی اولیه این شاخص بر اساس اندازه گیری هایی بود که بر روی تغییرات پنبه (کتان ) و Canopies ها روی خاک های 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 می کنند
شیب خط خاکی ۱ و از مبده عبور می کند
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 می کند و برای مناطق با پوشش گیاهی متوسط ۵/۰ است.
(۱ + L): در این فرمول باعث می شود 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.

 

[P O U R I A]

+ 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 می رساند بکار برده شده است که مقدار آن را معمولا ۰.۰۸ در نظر می گیرند . محل تلاقی خط هم سبزینگی معمولا بین مبدا و نقطه الحاقی که معمولا در SDVI استفاده می شود(L = 0.5) می باشد.
خلاصه :

شاخص نسبت باندی است
خطوط هم سبزینگی در محدوده –RED و –NIR تلاقی می کنند.
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 می کنند ، خط خاکی شیب کمی دارد و از مبدا می گذرد
– 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 ، فاکتور ها برای SAVI بستگی به درجه پوشش گیاهی داشت که معمولا قبل از محاسبه پوشش گیاهی بایستی مقدار آن مشخص می شد. اما در اینجا فاکتور L یا فاکتور صحت بر اساس شاخص های WDVI و NDVI حساب می شود و در نتیجه خطوط هم سبزینگی در یک نقطه یکدیگر را قطع نمی کنند.

 

[P O U R I A]

+ 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 می کنند
خط خاکی دارای شیب فضایی ۱ است
تغییرات بین ۱- تا ۱+ است​

شاخص های کاهش نویز اتمسفری:

+ نویز اتمسفری چیست؟
به دلیل تغییر اتمسفر در زمان ها و مکانهای مختلف است . اتمسفر هم بر روی نوری که از داخل آن عبور می کند هم به دلیل اینکه پراکندگی آئروسلها بر روی شدت نور تاثیر زیادی دارد. این تاثیرات آنگونه است که حتی در طول یک منظره می توان 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 می گردد که در این راستا شاخص های خاصی ارائه شده است که مورد بحث قرار می گیرند.

+ 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)​

شاخص های پایداری اتمسفری:
شاخص های پایداری اتمسفر شاخص هایی هستند که در شرایط اتمسفری تصحیح شده ساخته می شود 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 شاخص های 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 می باشد که در سنجش از دور مورد استفاده قرار می گیرد. در حقیقت هر کسی با سنجش از دور سرو کار داشته باشد ، این شاخص را می شناسد : 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 می گیرد. 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 می دهد.

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 می گیرد.

[LEFT] ۱-http://nature.berkeley.edu/~gong/textbook/chapter6/html/sect65.htm
       ۲-جزوه درسی دانشگاه تبریز
      ۳-http://en.wikipedia.org/wiki/Normalized_Difference_Vegetation_Index
        ۴-http://rst.gsfc.nasa.gov/Sect3/Sect3_4.html
      ۵-http://earthobservatory.nasa.gov/Features/MeasuringVegetation/measuring_vegetation_2.php
     ۶-http://geo.arc.nasa.gov/sge/casa/global/biosphere.html
  ۷- http://www.tandfonline.com/doi/pdf/10.1080/17538940701782627[/LEFT]