Что такое индекс ndvi

Что такое индекс NDVI и как он делает жизнь фермера проще

Как свет показывает здоровье растений

NDVI (Normalized difference vegetation index, Нормализованный вегетационный индекс) — это числовой показатель качества и количества растительности на участке поля. Он рассчитывается по спутниковым снимкам и зависит от того, как растения отражают и поглощают световые волны разной длины.

Например, растения для нашего глаза зелёные потому, что пигмент хлорофилл хорошо отражает зелёные волны. Также хлорофилл поглощает красные волны: за счёт этого происходит фотосинтез, то есть культура растёт и развивается. А клеточная структура растения отражает ближние инфракрасные волны. Получается, что здоровое растение, в котором много хлорофилла и хорошая клеточная структура, активно поглощает красный свет и отражает ближний инфракрасный. Больное растение — с точностью до наоборот. Здоровое растение, в котором много хлорофилла и хорошая клеточная структура, активно поглощает красный свет и отражает ближний инфракрасный.

Чтобы понять состояние здоровья растения, надо вычислить отношение между разностью интенсивностей отраженного света в красном (Red) и инфракрасном диапазоне (Nir) и их суммой. Это и есть NDVI.

Что NDVI может рассказать на разных этапах сезона

Надо понимать, NDVI — это индикатор состояния растения, который ничего не говорит о причинах той или иной ситуации. Это скорее подсказка о том, что происходит на поле. Рассмотрим три сценария использования индекса вегетации NDVI — в начале, середине и конце сельскохозяйственного сезона.

В начале сезона по индексу NDVI можно понять, как растение перезимовало. Как правило, логика следующая:

В середине сезона по индексу NDVI можно понять, как развиваются растения на поле. Если значения индекса средние и высокие (0,5−0,85), то, вероятнее всего, на участке всё хорошо. Если индекс низкий — похоже, на участке растениям чего-то не хватает, например, влаги или питательных элементов. Такую зону лучше проверить самостоятельно.

По индексу NDVI мы создаём карты для дифференцированного внесения азотной подкормки. Мы выделяем зоны высокой, средней и низкой вегетации, а затем фермер самостоятельно задаёт норму удобрений. По нашему опыту, оптимальная схема внесения азота следующая:

Ещё мы используем индекс NDVI для моделирования относительной урожайности поля. На основании этой информации делаем карты для дифференцированного внесения фосфорных и калийных удобрений.

В конце сезона по индексу NDVI можно определять, какие поля готовы к уборке урожая — чем ниже индекс, тем ближе к созреванию участок поля. Оптимальное значение индекса в таком случае — ниже 0,25.

Преимущества и недостатки NDVI

Из недостатков NDVI — при достижении определённого порога развития растения индекс теряет чувствительность. Иными словами, если растение развивается очень активно, то по NDVI нельзя отличить аномально зелёное растение от «обычного» зелёного. Ну и как со всеми остальными индексами, их точность зависит от погоды: если над каким-то полем долгое время висят облака, то спутниковый снимок будет неточным. Поэтому для решения некоторых задач — например, для распознавания культур — в OneSoil мы используем радарную съёмку спутника Sentintel-1.

Источник

Что такое NDVI

NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) — нормализованный относительный индекс растительности — простой показатель количества фотосинтетически активной биомассы (обычно называемый вегетационным индексом). Этот индекс вычисляется по поглощению и отражению растениями лучей красной и ближней инфракрасной зоны спектра. Значения индекса для растительности лежат в диапазоне от 0,20 до 0,95. Чем лучше развита растительность во время вегетации, тем выше значение NDVI. Таким образом, NDVI – это индекс, по которому можно судить о развитии зеленой массы растений во время вегетации.

Этот индекс активно используют в сельском хозяйстве для решения широкого спектра задач.

Самое известное применение NDVI — для оценки развития культур. По карте распределения NDVI можно оценить где на поле значения очень низкие, а где — выше среднего. Для визуальной оценки применяется цветовая шкала: серый цвет означает состояние растений ниже критического (ниже 0,25), красный-желтый-зеленый означают, соответственно плохое, среднее или отличное развитие биомассы. Эти данные нужно уметь интерпретировать с учетом фазы вегетации и вида культуры на поле.

В течение вегетации показатель растет, достигает своего пика около 0,80-0,85 (у зерновых это момент колошения) и затем начинает снижаться. Снижение индекса в конце вегетации отображает процесс созревания с-х культур. Поэтому, например, для нескольких полей зерновых культур по индексу NDVI можно определить наиболее оптимальный порядок уборки полей, т.к. чем ниже индекс, тем суше зерно.

Источник

GIS-LAB

Географические информационные системы и дистанционное зондирование

Читайте также: Джек николсон доктор сон

Теоретические основы использования индекса NDVI.

С примерами карт на основе индекса NDVI можно ознакомиться в статье «Практика».

Вычисляется по следующей формуле:

Согласно этой формуле, плотность растительности (NDVI) в определенной точке изображения равна разнице интенсивностей отраженного света в красном и инфракрасном диапазоне, деленной на сумму их интенсивностей.

Расчет NDVI базируется на двух наиболее стабильных (не зависящих от прочих факторов) участках спектральной кривой отражения сосудистых растений. В красной области спектра (0,6-0,7 мкм) лежит максимум поглощения солнечной радиации хлорофиллом высших сосудистых растений, а в инфракрасной области (0,7-1,0 мкм) находится область максимального отражения клеточных структур листа. То есть высокая фотосинтетическая активность (связанная, как правило, с густой растительностью) ведет к меньшему отражению в красной области спектра и большему в инфракрасной. Отношение этих показателей друг к другу позволяет четко отделять и анализировать растительные от прочих природных объектов. Использование же не простого отношения, а нормализованной разности между минимумом и максимумом отражений увеличивает точность измерения, позволяет уменьшить влияние таких явлений как различия в освещенности снимка, облачности, дымки, поглощение радиации атмосферой и пр.

Участки характеристической кривой отражения растительности (усредненной), используемые для расчета NDVI c помощью данных MODIS

NDVI может быть рассчитан на основе любых снимков высокого, среднего или низкого разрешения, имеющим спектральные каналы в красном (0,55-0,75 мкм) и инфракрасном диапазоне (0,75-1,0 мкм). Алгоритм расчета NDVI встроен практически во все распространенные пакеты программного обеспечения, связанные с обработкой данных дистанционного зондирования (Arc View Image Analysis, ERDAS Imagine, ENVI, Ermapper, Scanex MODIS Processor, ScanView и др.).

Комбинации каналов камер спутников используемые для расчета NDVI:

2 (0.62-0.68 мкм), 3 (0.77-0.86 мкм)

Дискретная шкала NDVI

Искусственные материалы (бетон, асфальт)

масштабированный NDVI = 100(NDVI + 1)

Существует устойчивая корреляция между показателем NDVI и продуктивностью для различных типов экосистем:

Это свойство довольно активно используется для регионального картирования и анализа различных типов ландшафтов, оценке ресурсов и площадей биосистем в масштабе стран и континентов. Однако чаще, расчет NDVI употребляется на основе серии разновременных (разносезонных) снимков с заданным временным разрешением, позволяя получать динамическую картину процессов изменения границ и характеристик различных типов растительности (месячные вариации, сезонные вариации, годовые вариации).

Будучи искусственным безразмерным показателем NDVI предназначен для измерения эколого-климатических характеристик растительности, но в тоже время может показывать значительную корреляцию с некоторыми параметрами, совсем другой области:

Зависимость между этими параметрами и NDVI, как правило, не прямая и связана с особенностями исследуемой территории, ее климатическими и экологическими характеристиками, кроме этого, часто приходиться учитывать временную разнесенность параметра и ответной реакции NDVI.

В целом, главным преимуществом NDVI является легкость его получения: для вычисления индекса не требуется никаких дополнительных данных и методик, кроме непосредственно самой космической съемки и знания ее параметров.

Так, благодаря минимальному временному разрешению данных MODIS/Terra, вычисление NDVI на их основе может давать оперативную информацию об эколого-климатической обстановке и возможность отслеживать динамику различных параметров с периодичностью до 1 недели! А большой пространственный охват позволяет проводить мониторинг территорий, соразмерный с площадями областей и целых стран. Данные же камер высокого разрешения, типа Landsat, IRS, Aster позволяют следить за состоянием объектов размерами вплоть до отдельного поля или лесного выдела.

Следует, однако, учитывать и главные недостатки использования NDVI-индекса:

С примерами карт на основе индекса NDVI можно ознакомиться в статье «Практика».

Последнее обновление: 2016-05-11 15:54

Дата создания: 27.12.2002
Автор(ы): Максим Дубинин

Источник

Обзор возможностей индекса NDVI

В современном земледелии часто используются различные формулы и вегетационные индексы для определения качества урожая. Один из них – это индекс NDVI, который используется особенно часто. Его цель – это помочь фермерам определить состояние растений и поля в любой точке по снимкам со спутника или других устройств. В данной статье мы более подробно рассмотрим что это такое, как применяется и как позволяет увеличить доходность фермеров.

Что такое NDVI карты?

NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) – это индекс растительности или показатель здоровья растений, который определяет количество фотосинтетически активной биомассы. Сегодня это один из самых эффективных и популярных индексов, позволяющих быстро и качественно оценить состояние полей с воздуха.

Рассчитать индекс можно по такой форме:

NIR – отражение в максимально ближней инфракрасной области спектра,

Red – отражение в красной области.

По этой формуле эксперты могут выявить максимально точную плотность растения в определенной точке изображения. Как видим, она равна разнице интенсивностей отражения света в инфракрасном и красном диапазоне, которая делится на сумму этих интенсивностей.

Мы видим растения зеленым лишь потому что основной пигмент растительности, хлорофилл, отлично отображает зеленые волны. Но он также может поглощать красные волны. Это основные элементы за счет чего происходит фотосинтез и растение может расти. Внутриклеточная структура растения отображает только ближние инфракрасные волны. В итоге мы видим что хорошее, здоровое растение, имеющее отличную клеточную структуру и достаточно хлорофилла, отлично поглощает красный свет и отражает инфракрасный. Если растение не здоровое, все происходит с точностью наоборот.

Для того чтобы определить состояние растительности, необходимо сравнить значения поглощения и отражения красных и инфракрасных лучей. Благодаря этому мы и получим индекс NDVI.

Пользователи могут рассчитать максимально точный индекс NDVI используя любые снимки (низкого, среднего или высокого разрешения). Но они должны иметь спектральные каналы в красном (0,55-0,75 мкм) и инфракрасном диапазоне (0,75-1,0 мкм). Более того, алгоритм расчета данного индекса встроен во многие пакеты программного обеспечения (Pix4D, Scanex MODIS Processor, Arc View Image Analysis, ENVI, ERDAS Imagine и другие).

Индекс NDVI в зависимости от сезона

Начало сезона

NDVI показывает состояние растения на данный момент. Но, к сожалению, он не подскажет вам причины возникновения заболеваний. Профессиональные фермеры измеряют индекс в начале сезона, середине или же конце.

Например, в начале сезона, индекс покажет состояние растений после зимовки:

Но если вы видите нетипичные, подозрительные или же аномальные значения, лучше всего проверить этот участок самостоятельно.

Середина сезона

На данном этапе, индекс позволяет понять как хорошо растения себя чувствуют в поле. Если значение индекса в диапазоне от 0,5 до 0,85, то у вас нет никаких проблем на участке. Если же показатели ниже, это говорит о том что растения нуждаются в питательных удобрениях или влаге. Более того, по этому показателю можно создать подробную карту внесения азотной подкормки. Данные измерения помогут вам найти зоны низкой, средней или же высокой вегетации. На основе этих данных, фермеры разрабатывают стратегию внесения удобрений.

В конце сезона

На данном этапе, фермеры могут узнать когда поля уже готовы к сбору урожая. Если диапазон значения колеблется в районе 0,3 – 0,35, это говорит о том что участок уже готов к сборке урожая.

Какое оборудование используется для съемки поверхности

Для проведения качественного исследования используется следующее оборудование (которое устанавливается на беспилотник):

Беспилотники используются как носитель оборудования, для сбора данных и расчета карт NDVI для сельского хозяйства, для сбора данных подходят разные модели, но так же есть и готовые решения, одним из которых является DJI Phantom 4 Multispectral. Подробнее о котором Вы можете прочитать Здесь.

Источник

Зачем нужен вегетационный индекс NDVI?

Современное точное земледелие предполагает использование разнообразных индексов. NDVI – самый популярный из них. Он позволяет узнать, в каком состоянии находятся растения в разных точках поля. Для этого используются спутниковые снимки, поэтому высокая точность полученных данных гарантируется.

Какое оборудование используется для съемки поверхности

Для получения индекса NDVI используют космические аппараты, самолеты, БПЛА, мультироторные дроны, оснащенные NIR камерами. Съемку проводят из космоса или воздушными носителями с высот 300–700 м, что позволяет получить максимально точное изображение. В среднем производительность этого оборудования позволяет выполнить съемку 5 тыс. га в день.

Работы включают нескольких этапов. Сначала проводят калибровку аппаратуры в соответствии с сортом растительности. После этого расставляют геодезические метки и выполняют съемку территории. Одновременно проводится регистрация информации о координатах.

После проведения всех необходимых исследований заказчик получает карту местности и подробный фотоплан поля. Данные могут быть представлены в графической и цифровой форме.

Что значит NDVI В Дистанционном Зондировании?

NDVI – расшифровывается как нормализованный дифференцированный вегетационный индекс. То есть показатель биомассы, активной для фотосинтеза. Простым языком, с его помощью специалист может узнать, здоровы ли растения. Кроме того, таким образом на карте визуализируют изучаемый участок и определяют, есть ли в ней аномальные изменения.

Карты с данными NDVI можно использовать самостоятельно или в комплексе с системой управления хозяйственным производством. Но чаще всего их применяют на больших площадях посевов пропашных и зерновых культур. Особенно незаменима эта методика на территориях со сложных рельефом и с присутствием посторонних объектов. К примеру, индекс NDVI дает возможность увидеть, есть ли на участке бетон или асфальт, источники воды и снежный покров. Все это имеет большое значение при организации посевов.

Что такое NDVI карты?

NDVI – это индекс, который означает показатель здоровья растений. С его помощью определяют, сколько активной биомассы в них содержится. На данный момент этот индекс является одни из самых информативных. Он позволяет за короткий промежуток времени, оценить в каком состоянии находятся поля. Для вычисления используется специальная формула. Именно по ней эксперты с высокой точностью определяют плотность насаждений в выбранной точке.

С помощью NDVI определяют степень развития культур. В течение всего периода вегетации этот показатель увеличивается, а затем начинает постепенно снижаться. Таким образом определяют наиболее эффективный способ уборки полей, ведь чем ниже показатель, тем более сухое зерно.

Также регулярный осмотр NDVI карт позволяет своевременно определить очаг распространения вредителей или инфекции. Быстрое выявление повышает эффективность борьбы с проблемой.

Как рассчитывают NDVI

Вычисление основано на использовании математического способа сравнения. Принцип работы NDVI карт заключается в том, что главный пигмент любых растений, хлорофилл, хорошо отражает зеленые волны. Также хлорофилл поглощает красные волны. Это главные элементы, благодаря которым и происходит фотосинтез, то есть культура растёт и развивается. Внутриклеточная структура отражает ближние инфракрасные волны. В результате, можно увидеть, что здоровое растение с хорошей клеточной структурой и большим количеством хлорофилла активно поглощает красный свет и отражает ближний инфракрасный. Если же растений больное, все происходит наоборот.

Для определения состояния всей растительности сравнивают значения в поглощении и отражении красных и инфракрасных лучей. Благодаря этому получают индекс NDVI.

Что означает NDVI в разные стадии сезона

С помощью NDVI можно определить, в каком состоянии находятся растения на данный момент. Но узнать причины заболеваний таки образом нельзя. Фермеры проводят измерения индекса несколько раз в году. Это дает возможность определить, каких именно веществ не хватает растениям и составить стратегию их внесения.

Начало сезона

В начале сезона он показывает в каком состоянии находятся растения после зимы. Толкование данных будет таким:

Но если были обнаружены нетипичные показатели, стоит проверить этот участок дополнительно.

Середина сезона

На этом этапе с помощью индекса можно понять, нормально ли чувствуют себя растения, высаженные в поле. Если индекс находится в пределах 0,5–0,85, это означает, что на данном участке нет проблем. Более низкие показатели свидетельствуют о том, что растениям нужно получать больше питательных веществ или влаги.

Также этот вегетационный индекс ndvi можно использовать для создания карты внесений азотного удобрения. Полученные данные позволяют определить области с разными уровнями вегетации и понять, как правильно использовать подкормку.

Конец сезона

На этом этапе фермер может определить готовность посевов к снятию урожая. Оптимальным показателем является 0,3–0,35. Достижение такой цифры означает, что участок уже готов к сборке урожая.

Плюсы и минусы NDVI

Существует множество плюсов использования расчета NDVI. Прежде всего, с его помощью можно определить, есть ли у растений заболевания еще на ранней стадии. Благодаря этому шансы на спасение урожая значительно возрастают. Также таким образом можно изучить достаточно большую территорию за короткий промежуток времени.

К числу других преимуществ необходим отнести:

С помощью NDVI определяют, насколько качественно провели посевные работы. Таким образом можно узнать, правильно ли работал СЗР, равномерно ли внесли удобрения и нет ли огрехов в перекрытиях. Также данные этого индекса используют чтобы вычислить LAI и узнать индекс фотосинтетической активной радиации.

Индекс NDVI используют и для борьбы с сорняками. Снимки, сделанные за несколько недель до начала увядания растений, позволяют увидеть места, на которых присутствуют и отсутствуют сорняки. Иногда используют другой способ проведения такого исследования. А именно – делают снимки после снятия урожая. На ранних этапах определить наличие сорняков можно с помощью установки специальных сенсоров на поле.

Но есть и ряд минусов. Прежде всего, при условии высокой облачности сделать качественные снимки удается не всегда. Это означает, что индексная карта будет обновляться не так часто, как при хорошей погоде.

Показатели индекса также зависят от ширины посева и размера междурядий. Особенно ярко это проявляется на начальном этапе вегетации, когда смыкание рядков посевов еще не произошло. Можно увидеть, что хотя NDVI – это полезное изобретение, оно не может в полной мере заменить выезды агронома на поле. Но с их помощью специалист может узнать, на какие участки необходимо обращать больше внимания.

Источник

Тип объекта	Отражение в красной области спектра	Отражение в инфракрасной области спектра	Значение NDVI