Обсудить в форуме Комментариев 3Редактировать в вики
Перечень индексов и формул их определения
Вегетационный индекс (ВИ) это показатель, рассчитываемый в результате операций с разными спектральными диапазонами (каналами) ДДЗ, и имеющий отношение к параметрам растительности в данном пикселе снимка. Эффективность ВИ определяется особенностями отражения; эти индексы выведены, главном образом, эмпирически.
Основное предположение по использованию ВИ состоит в том, что некоторые математические операции с разными каналами ДЗЗ могут дать полезную информацию о растительности. Это подтверждается множеством эмпирических данных. Второе предположение – это идея, что открытая почва на снимке будет формировать в спектральном пространстве прямую линию (т.н. почвенная линия). Почти все распространенные вегетационные индексы используют только соотношение красного – ближнего инфракрасного каналов, предполагая, что в ближней инфракрасной области лежит линия открытой почвы. Подразумевается, что эта линия означает нулевое количество растительности.
На этот момент мы имеем две разных идеи о направлении линий одинаковой растительности (изовегетационных линий):
При всем своем разнообразии большей частью вегетационные индексы работают для территорий с разреженным растительным покровом очень плохо. Если растительный покров скудный, то спектр снимка в основном зависит от почвы. Почвы могут различаться очень сильно по отражению, даже если для анализа используются очень широкие спектральные диапазоны. Huete et al. (1985) и Elvidge and Lyon (1985) показали, что почвенный фон сильно влияет на индексы – если он яркий, то значение индекса будет меньше, если фон темный, то индекс будет больше. Elvidge and Lyon (1985) показали, что многие фоновые материалы (почва, камни, растительная подстилка) сильно варьируют в красном – ближнем инфракрасном диапазоне, и это может сильно изменить индекс. Для решения этих проблем более эффективным методом является применение анализа спектральных смесей.
Для определенных ВИ существуют свои пороги чувствительности к разреженности растительности (например NDVI не стоит применять, если растительный покров меньше 30%):
NDVI - самый известный индекс и ему больше всего доверяют. NDVI прост для вычисления, имеет самый широкий динамический диапазон из распространенных ВИ, и лучшую чувствительность к изменениям в растительном покрове. Он умеренно чувствителен к изменениям почвенного и атмосферного фона, кроме случаев с бедной растительностью. Для того чтобы просто посмотреть на растительность на снимке с количественной точки зрения, нет ничего лучшего, чем NDVI, только если вы не имеете территорию с бедной растительностью.
PVI – несколько менее, но тоже широко распространен. Имеет узкий динамический диапазон и меньшую чувствительность и очень чувствителен к изменению атмосферы. Относительно прост в использовании и нахождении почвенной линии, что важно для использования других индексов. Иногда он лучше чем NDVI если вы имеете бедную растительность.
SAVI - хороший вариант, если цель исследования - разреженная растительность. В этом случае, если вы используете корректирующий фактор L больше чем 0.5, вы должны быть готовы к указанию статьи Huete (1988) и того факта, что корректирующий фактор должен быть больше чем 0.5, если растительный покров мал. MSAVI также хорош, но он очень редко используется. Многие индексы, корректирующие вличние почвы, требуют предварительной атмосферой коррекции. Если вы всерьез планируете использовать вегетационные индексы для долговременного мониторинга, вы должны очень внимательно проанализировать вариабельность почв и выполнить атмосферную коррекцию. Существуют некоторые нюансы в изменениях значений вегетационных индексов, если точка съемки отличается от надира, но это может быть не важно в вашем случае.
Вегетационные индексы (ВИ) | ВИ минимизирующие влияние почвы | ВИ минимизирующие влияние атмосферы |
---|---|---|
RVI | SAVI | GEMI |
NDVI | TSAVI | ARVI |
IPVI | MSAVI | SARVI |
WDVI | MSAVI2 | GVI |
Впервые описан - Jordan (1969). Наиболее широко распространенный индекс растительности, хотя его редко так называют. Обычная практика в обработке данных ДЗЗ - использование отношений каналов для нивелирования различных эффектов альбедо. Отношение NIR к RED как вегетационный компонент снимка
Параметры индекса:
Впервые описан - Rouse et al. (1973), концепция впервые представлена - Kriegler et al. (1969). NDVI чаще всего имееют в виду при упоминании вегетационного индекса. Одно из преимуществ состоит в том, что его значения изменяются от -1 до 1, в отличие от RVI. Подробнее о NDVI.
RVI и NDVI функционально равнозначны и связаны друг с другом следующим образом:
Параметры индекса:
Впервые описан - Crippen (1990), который обнаружил, что вычитание красной компоненты из числителя не обязательно, что делает этот индекс более быстрым с точки зрения вычислений. Индекс может принимать значения от 0 до 1, что устраняет необходимость хранить знак, так же как убирает концептуально странные, отрицательные значения индекса. Фукнционально IPVI и NDVI эквивалентны.
Параметры индекса:
Впервые описан как самостоятельный индекс - Richardson and Everitt (1992), упоминается у Lillesand and Kiefer (1987).
Параметры индекса:
где, - угол между почвенной линией и осью NIR
Впервые описан - Richardson and Wiegand (1977). Можем рассматриваться как обобщение DVI, с различным наклоном почвенной линии. PVI довольно чувствителен к влиянию атмосферы (Qi et al., 1994). Сравнение значений PVI для данных различных дат некорректно, если не была проведена атмосферная коррекция этих данных.
Параметры индекса:
где, - наклон почвенной линии
Впервые описан - Clevers (1988). Связан с PVI примерно так же, как IPVI связан с NDVI. WDVI это математически более простой вариант PVI, но имеет неограниченный диапазон значений. Как и PVI, WDVI очень чувствителен к атмосферному воздействию (Qi et al., 1994).
Параметры индекса:
Все почвы различаются между собой. Различные почвы имеют разные спектры отражения. Как обсуждалось выше, все вегетационные индексы подразумевают, что существует почвенная линия, которая имеет один наклон в пространстве Red-NIR. Однако часто случается так, что почвы различаются очень сильно и они имеют разные угла наклона на одном и том же снимке. Таким же образом, понятие о изовегетационных линиях (параллельных или пересекающихся в точке «0») является не совсем верным, потому что изменения влажности почвы (которые идут вдоль изовегетационных линий) будут вносить ошибки в определение значения индекса. Проблема почвенного шума наиболее актуальна для тех территорий, где растительность разрежена. Эта группа индексов стремится уменьшить почвенный шум, изменяя характер поведения изовегетационных линий. Все они являются относительными, и способ, которым они пытаются уменьшить почвенный шум, это сдвиг точки, где встречаются изовегетационные линии.
ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ: Эти индексы уменьшают почвенный шум, ценой уменьшения динамического диапазона (dynamic range) индекса. Эти индексы немного менее чувствительны к изменению растительного покрова, чем NDVI, но более чувствительны, чем PVI, см. Qi et al. (1994).
где, L = [0;1], L = 0 для наибольшего индекса облиствения, L = 1 для наименьшего, оптимальное значение L = 0.5
L+1 - множительный фактор, присутствующий в SAVI и MSAVI и приводящий к тому, что их значения варьируют от –1 до 1, введен для того, чтобы свести эти индексу к виду NDVI при L, стремящемся к 0
Введен Huete в 1988 году. Индекс представляет из себя нечто среднее между относительными и перпендикулярными индексами. Изовегетационные линии не являются параллельными и не сходятся в одной точке. Исходно формулировка индекса была основата на измерении отражения хлопка и пастбищной травы на темной и светлой почвах, и эмпирическом уточнении фактора L, до тех пор, пока индекс не начинал выдавать одинаковый результат для разных типов почв. В результате получился относительный индекс, где точка пересечения изолиний не является точкой «0». Точка пересечения должна находиться в квадранте отрицательных значений в Red и NIR, что приводит к тому, что изовегетационные линии являются более параллельными в области положительных Red и NIR, чем в случае RVI, NDVI и IPVI. Huete (1988) представил теоретические основы для этого индекса, построенные на простом излучательном переносе (radiative transfer), что делает этот индекс одним из самых теоретически обоснованых. С другой стороны, теоретические вычисления дают существенно различающийся корректирующий фактор L для LAI = 1 (0.5) вместо эмпирически найденного (0.75). Показано, что корректирующий фактор может варьировать от 0 для очень плотных областей, до 1 для очень разреженных областей. В большинстве приложений, для промежуточных плотностей растительности используется стандартное значение 0.5.
Параметры индекса:
где, a - координата пересечения почвенной линии с осью NIR, s - наклон почвенной линии, X - коэффициент коррекции, для уменьшения почвенного шума, (в оригинальной статье X=0.08)
TSAVI - Transformed Soil Adjusted Vegetation Index трансформированный корректированный почвенный индекс растительности, разработанный Baret et al. (1989) и Baret and Guyot (1991). Этот индекс предполагает, что почвенная линия может иметь произвольный наклон и пересечение с осью координат , и позволяет использование этих величин для уточнения вегетационного индекса. Это могло быть хорошим способом избежать неопределенности в выборе фактора L в SAVI, если бы не необходимость введения дополнительного параметра. Параметр «Х» введен для «коректировки для уменьшения фонового почвенного влияния». В авторской статье этот фактор указан как 0.08. Точка пересечения изовегетационных линий лежит между точкой 0 и точкой, используемой в индексе SAVI для L=0.5.
Параметры индекса:
где,
MSAVI – Modified Soil Adjusted Vegetation Index, модифицированный корректированный почвенный индекс, разработанный Qi et al. (1994). Как сказано выше, корректирующий фактор L для индекса SAVI зависит от наблюдаемого растительного покрова, что ведет к замкнутому кругу – мы должны узнавать состояние вегетативного покрова перед вычислением индекса, который должен описать нам растительность. Основная идея MSAVI была в том, чтобы найти изменяющийся корректировочный фактор L. В этом индексе используется корректировочный фактор, полученный в результате вычисления NDVI и WDVI. Это приводит к тому, что изовегетационные линии не сходятся в одной точке.
Параметры индекса:
где,
MSAVI2 – это второй модифицированный почвенный индекс, разработанный Qi et al. (1994), как рекурсивный вариант MSAVI. При его вычислении используется итеративный процесс, и 1-MSAVI(n-1) подставляется вместо фактора L в формулу подсчета MSAVI(n). Этот процесс повторяется до тех пор, пока не будет выполнено условие MSAVI(n-1)=MSAVI(n). Вычисление WDVI и NDVI и нахождение почвенной линии теперь не нужно.
Параметры индекса:
Состояние атмосферы все время изменятся. Воздушная прослойка поглощает некоторое количество света, проходящее через нее, а также рассеивает его, благодаря взвешенным аэрозолям. Атмосфера может изменяться очень сильно на протяжении одной сцены, особенно на территории с высоким рельефом. Это изменяет количество света, попадающее на приборы, и может вызвать ошибки в вычислении индексов. Особенно сильно эта проблема сказывается на сравнении результатов полученных в разное время. Следующие индексы пытаются решить эту проблему без применения специальной атмосферной коррекции. ВНИМАНИЕ: Эти индексы достигают уменьшения чувствительности к влиянию атмосферу ценой уменьшения динамического диапазона. В целом, они менее чувствительны к изменению растительного покрова чем NDVI. Если растительность невысока, они подвержены сильному влиянию почвенного слоя. (См. Qi et al. (1994) для обсуждения).
GEMI – Global Environmental Monitoring Index, индекс глобального мониторинга окружающей среды, разработанный Pinty and Verstraete (1991). Они пытались избежать необходимости проводить детальную атмосферную коррекцию путем конструирования общего набора атмосферной коррекции для вегетативного индекса. Авторы не привели подробной аргументации этого индекса, кроме того, что опытным путем установили его нечувствительность к атмосферному влиянию. Leprieur et al. (1994) утверждают, что этот индекс превосходит другие, однако A. Chehbouni (между прочим, он был четвертым автором этой статьи) показал некоторые примеры с использованием реальных данных (в статье использовалась модель), которые явно противоречат Leprieur et al. (1994). Qi et al. (1994) показал случаи явных ошибок GEMI из-за почвенного шума при низком растительном покрове. Сейчас проводится множество исследований этого индекса и заключение делать еще рано.
Параметры индекса:
где, , как правило, a=1,
при малом покрытии растительности и неизвестном типе атмосферы a=0.5 [23]
Первый атмосфероустойчивый вегетационный индекс, введенный Kaufman and Tanre (1992).
Kaufman и Tanre (1994) также предложили провести такую замену и в индексе SAVI, получив индекс SARVI (атмосфероустойчивый скорректированный почвенный вегетативный индекс, Soil adjusted Atmospherically Resistant Vegetation Index).
Qi et al. (1994) предложил сделать эту же замену и в индексе MSAVI2, получив в результате ASVI (Atmosphere-Soil-Vegetation Index, атмосферно-почвенный вегетационный индекс). Очевидно, эту замену можно произвести и для индексов MSAVI или TSAVI. Qi et al. (1994) показал, что этот класс индексов немного более чувствителен к изменению растительного покрова чем GEMI, и немного менее чувствителен к почвенному и атмосферному шуму чем GEMI, если растительность средняя или высокая. Устойчивость к атмосферному и почвенному шуму резко падает, если растительный покров низкий.
Параметры индекса:
где MSSn - в n канале сенсора MSS, аналогично для TM
Существует несколько GVI. В их основе лежит использование двух или более участков открытой почвы для построения почвенной линии, затем используется ортогонализация Грама-Шмидта (Gram-Schmidt orthogonalization), для нахождения «зеленой» линии ("greenness" line), которая проходит через точку 100%(очень обильного) растительного покрова, и является перпендикуляром к почвенной линии. Расстояние в пикселях спектрального пространства от почвенной линии вдоль по «зеленой» оси это и есть значение индекса. PVI это 2-х канальная версия индекса, Kauth and Thomas (1976) разработали 4-х канальный вариант индекса для MSS снимков, Crist and Cicone (1984) создали 6 канальный вариант для TM, и Jackson (1983) описал как создать n-канальную версию.
Параметры индекса:
В статье использованы материалы Terril Ray (A FAQ on Vegetation in Remote Sensing)
Обсудить в форуме Комментариев 3Редактировать в вики
Последнее обновление: 2014-05-14 23:32
Дата создания: 06.09.2006
Автор(ы): Максим Дубинин
© GIS-Lab и авторы, 2002-2021. При использовании материалов сайта, ссылка на GIS-Lab и авторов обязательна. Содержание материалов - ответственность авторов. (подробнее).