ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ ВЕГЕТАЦИОННЫХ ИНДЕКСОВ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ АНАЛИЗА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ

Концепция вегетационных индексов берет свое начало в 1970-х годах. Оригинальный индекс влажности был разработан Робертом Хантли и его коллегами. Используя данные спутника Landsat, они обнаружили положительную корреляцию между содержанием влаги в почве и интенсивностью растительного покрова. Кроме того, в 1980-х годах были предложены несколько других индексов для растений: индекс зеленой растительности (Green Vegetation Index), индекс разности относительной зелени и NDVI

(Normalized Difference Vegetation Index). Этот индекс стал наиболее распространенным в настоящее время. С развитием технологий ДЗЗ вегетационные индексы стали широко использоваться для анализа состояния растительного покрова и оценки продуктивности сельского хозяйства, лесного хозяйства, а также для мониторинга изменений климатических условий и экосистем. Понятие вегетационного индекса можно сформулировать следующим образом: Вегетационный индекс – численный показатель, который характеризует состояние растительного покрова. Он рассчитывается на основе информации, полученной с помощью спутников, летательных аппаратов или других средств дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Он рассчитывается на основе информации, которая была получена с помощью спутников, летательных аппаратов и других средств дистанционного зондирования Земли. Основная идея в использовании вегетационных индексов, заключается в том, что при выполнении математических вычислений c различными спектральными диапазонами. Стоит отметить что все вегетационные индексы были получены преимущественно эмпирическим путем, а также то, что большинство индексов используют соотношение значений в красном и ближнем инфракрасном диапазонах [1].

ВИ имеют широкое применение в самых различных областях, области применения представлены на рис. 1. В области сельского хозяйства используются для оценки состояния растительности на полях, оценки урожайности, определения потребности в удобрениях. В области лесного хозяйства ВИ могут быть использованы для оценки состояния лесного покрова [2], определения запасов древесины, мониторинга лесных пожаров, мониторинга болезней леса и влияния вредителей. В области охраны окружающей среды ВИ используются при мониторинге загрязнений воздуха, определении зон экологического риска, контроле изменений климата. В геологии могут быть использованы при поиске залежей полезных ископаемых и оценки минеральных ресурсов. В геодезии могут быть использованы для создания карт высот и оценки неровностей поверхности [3]. В гидрологии могут находят применение при мониторинге уровня воды в реках, оценке качества водных ресурсов.

Рисунок 1. Области применения вегетационных индексов

Однако стоит отменить, что вегетационные индексы имеют более широкое применение при анализе поверхности с растительностью они более востребованы в областях сельского и лесного хозяйства.

ВИ можно классифицировать по множеству параметров в рамках данной статьи рассмотрим следующие типы классификаций: по типу анализируемой поверхности, по способу построения, по типу минимизирующего фактора, по применению. Схема, отражающая классификацию ВИ представлена на рис. 2.

Рисунок 2. Классификация вегетационных индексов

По типу поверхности, которая анализируется ВИ делятся на индексы, оценивающие состояние растительного покрова на суше (NDVI, EVI, SARVI) и индексы, относящиеся к водным объектам (водный индекс процессов, рассеянного света, отражения, их соотношений). По способу построения можно разделить на индексы, основанные на сравнении сигналов двух или нескольких каналов (например, NDVI) и основанные на нескольких каналах, при этом используются также радиометрические и геометрические корректировки (например, EVI). По применению можно разделить на индексы для оценки состояния растительности на отдельном участке (LAI, CI) и индексы для анализа динамики растительного покрова по времени (TVI, PRI). По типу минимизирующего эффекта можно разделить на индексы минимизирующие влияние почвы (SAVI) и индексы минимизирующие влияние атмосферы (ARVI) [4].
Далее будут рассмотрены подробно самые часто используемые вегетационные индексы.
Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) – вегетационный индекс, определяющий наличие растительной массы на некотором участке на определенном участке поверхности земли [5]. NDVI описывает соотношение между инфракрасной и видимой энергией (красный канал), которую отражает поверхность Земли, для измерения плотности растительности. NDVI рассчитывается по следующей формуле:

 (1)

Где NIR это значение в ближнем инфракрасном диапазоне, а RED значение в красном канале. Данный индекс может принимать значения в диапазоне от -1 до 1. Значение, приближенные к -1 отражают несуществующую растительную массу, 0 – нулевое наличие растительности, а значения ближе к 1 указывают на высокую плотность растительности. Основные области применения: мониторинг и прогнозирование зеленой растительной массы на земле, оценка качества почвы, оценка урожая.
Далее будет рассмотрен EVI (Enhanced Vegetation Index) – это ВИ, который используется для оценки здоровья и плотности растительности, разработанный разработан для улучшения показателей, получаемых с помощью (NDVI). EVI учитывает влияние атмосферной коррекции, с помощью которой удаляются атмосферные частицы, что позволяет улучшить точность оценки плотности растительности.
EVI рассчитывается, используя данные в трех диапазонах световых длин волн: красный (RED), ближний инфракрасный (NIR) и синий (BLUE). Формула расчета EVI выглядит следующим образом [6]:

 (2)

EVI используется для мониторинга растительных поверхностей и для мониторинга важных агрокультурных видов, таких как пшеница, кукуруза и соя.
Далее будет рассмотрен Soil-Adjusted Vegetation Index (SAVI). Он является модификацией NDVI, но при этом учитывает влияние почвы является более точным для оценки зеленой растительной массы при наличии высокой влажности почвы или песчаной почвы. Он может быть рассчитан по формуле:

 (3)

где NIR - индекс ближней инфракрасной зоны, RED - красный индекс, L - постоянный параметр, который исключает выделение изображений (L > 0,5). Значения SAVI могут быть в диапазоне от -1 до 1. Значение 0 отражает нулевое наличие растительности, а значения ближе к 1 указывают на высокую плотность растительной массы. SAVI применяется для раннего обнаружения заболеваний растений, оценки качества почвы, планирования сельскохозяйственных угодий, для мониторинга экосистем и ресурсов, таких как водоемы, солнечные панели и заболоченные земли.
Далее будет рассмотрен Leaf Area Index (LAI) – это индекс, определяющий количество и плотность листьев на поверхности растительности. LAI может быть рассчитан как отношение общей поверхности листьев к площади земли под ними. LAI оценивается в диапазоне от 0 (отсутствие листовой поверхности) до 6-7 (в густых тропических лесах) и находится как отношение общей поверхности листьев к площади земли под ними. LAI показывает, насколько плотно растения покрывают землю [7]. Основные областями применения являются: моделирование фотосинтеза, гидрологических и биогеохимических циклов и других экологических процессов, а также мониторинг и планирование экосистем с целью оптимизации производства и управления ресурсами.
Таким образом в рамках данной статьи были рассмотрено понятие вегетационных индексов, их основные области применения, классификация, были рассмотрены некоторые часто применяемые на практике ВИ, такие как NDVI, EVI, SAVI, LAI.

1. Вегетационные индексы – URL: https://gis-lab.info/qa/vi.html#pvi. дата обращения: 12.06.2022.
2. Киков Т.И., Галлямов Т.Р., Рахимьянов Р.Д Использование дистанционного зондирования земли для мониторинга состояния лесов // Материалы XVI Всероссийской молодежной научной конференции. В 6-ти томах. Уфа, 2022. С. 869-873.
3. Витвинова И.И. Информационная система для анализа результатов егэ поступивших в вуз абитуриентов // Материалы XVI Всероссийской молодежной научной конференции. В 6-ти томах. Уфа, 2022. С. 803-814.
4. ЧерепановА.С. Вегетационные индексы // Геоматика. 2011. No2. С. 98–102.
5. NDVI теория и практика - https://gis-lab.info/qa/ndvi.html (дата обращения: 12.06.2022).
6. Вегетационные индексы NDVI, EVI, GNDVI, CVI, True color. – URL: https://www.soft.farm/ru/blog/vegetacionnye-indeksy-ndvi-evi-gndvi-cvi-true-color-140 (дата обращения: 12.06.2022.)
7. Leaf Area Index – URL: https://www.sciencedirect.com/topics/earth-and-planetary-sciences/leaf-areaindex#:~:text=Leaf%20area%20index%20is%20defined,of%20leaf%20area%20per%20hectare. (дата обращения: 12.06.2022).

Все статьи автора «Макаров Егор Олегович»