Como Criar Indice de Vegetacao - NDVI

8/6/2019 Como Criar Indice de Vegetacao - NDVI

1/7

DETERMINAO DE NDICES DE VEGETAO USANDO IMAGENS DE SATLITE PARAAGRICULTURA DE PRECISO

Ziany Neiva Brando (Embrapa Algodo / [email protected]), Marcus Vincius Cndido Bezerra(UFCG), Eleusio Curvelo Freire (Embrapa Algodo), Bernardo Barbosa da Silva (UFCG)

RESUMO - Muitos estudos tm demonstrado a utilidade do uso de ndices pticos, obtidos atravs deferramentas de sensoriamento remoto, na avaliao das caractersticas biofsicas da vegetao. Umadas principais aplicaes do sensoriamento remoto na agricultura o auxlio no gerenciamento defazendas como a monitorao da colheita, a recuperao da umidade do solo, a estimativa da rea decolheita, e o clculo do rendimento com a maior preciso possvel. Com a finalidade de realizar estesestudos para uma regio predominantemente de plantio de algodo, no municpio de Primavera doLeste, estado do Mato Grosso, foram analisados neste trabalho os ndices de vegetao da diferenanormalizada (IVDN) e o ndice de rea foliar (IAF), usando imagens do Landsat Thematic Mapper e aferramenta de parametrizao SEBAL. Foram feitas as relaes entre as refletncias para doisdiferentes comprimentos de onda, sobre um sistema de trs camadas, de forma a obter o IVDN e oIAF, para o perodo de crescimento da cultura. Foi verificado que a parametrizao usada se adequaao propsito de estimativa do ndice de rea foliar, sendo muito til em programas de monitorao decolheita e clculo da produtividade.Palavras-chave: sensoriamento remoto, IVDN, SEBAL

DETERMINATION OF VEGETATION INDICES USING IMAGES OF SATELLITE TO PRECISIONAGRICULTURE

ABSTRACT - Many studies have demonstrated the usefulness of optical indices, acquired from remotesensing tools, in the assessment of vegetation biophysical variables. One of the main applications ofagricultural remote sensing is to assist in farming management, monitoring of crops, retrieval of soilmoisture, estimation of crop area and yield with the highest possible accuracy. This work analyzed theNormalized Difference Vegetation Index (NDVI) and Leaf Area Index (LAI), using images from LandsatThematic Mapper and the method of parameterization SEBAL (Surface Energy Balance Algorithm forLand) for a predominantly cotton planted area, located in Primavera do Leste, Mato Grosso State of

Brazil. The relationship between the reflectance at two different wavelengths over a three-layer systemis derived to get the NDVI and LAI, during the growth period of the crop. It was verified that theparameterization used in this study is accurate enough to estimate the Leaf Area Index, being veryuseful in crop monitoring programs and to estimate yield.Key words: remote sensing, NDVI, SEBAL

INTRODUO

Atualmente o uso de tcnicas de gerenciamento de fazendas utilizando ferramentas deagricultura de preciso vem se tornando cada vez mais comum. Uma dessas ferramentas a obtenode informaes da resposta espectral dos alvos, cujas aplicaes exigem a considerao de vrios

fatores como a textura do solo e o tipo de vegetao em estudo, pois os mesmos podem influenciar nainterpretao dos dados.


2/7

Talvez o mais importante desses fatores seja a cobertura vegetal, para a qual foram criadosdiversos ndices de vegetao, com o objetivo de ressaltar o comportamento espectral da vegetaoem relao ao solo e a outros alvos. De acordo com alguns autores, o uso de ndices de vegetaopara caracterizar e quantificar determinado parmetro biofsico de culturas agrcolas tem duas grandesvantagens: permite reduzir a dimenso das informaes multiespectrais, atravs de um simplesnmero, alm de fornecer um dado altamente correlacionado aos parmetros agronmicos(WIENGAND et al.,1991; TUCKER, 1979).

Embora sejam encontrados mais de 50 ndices de vegetao na literatura, muitos estudoscomprovam a eficcia dos dois ndices mais comumente usados que so, a Razo Simples (RS) e ondice de Vegetao da Diferena Normalizada (IVDN). Estes ndices baseiam-se em simplescombinaes das refletncias do visvel e do infravermelho prximo e atravs do IVDN pode-se calcularo ndice de rea foliar (IAF) e a Radiao Fotossinteticamente Ativa (RFA) [Rondeaux et al., 1996].

Neste trabalho calcularemos o ndice de vegetao da Diferena Normalizada (IVDN) e ondice de rea Foliar (IAF), atravs do SEBAL (Surface Energy Balance Algorithm for Land) que umaplataforma de parametrizao de fluxos de calor baseada na anlise espectral de imagens obtidas porsatlites (BASTIAANSSEN et al., 2000).

Para anlise e tratamento das imagens, usou-se o software ERDAS, onde foram inseridas asequaes de parametrizao para clculo da radiao e dos ndices desejados, em imagem obtidaatravs do Landsat Thematic Mapper, da regio de Primavera do Leste em abril de 2004.

ndices de Vegetao baseados na Diferena Normalizada

Muitos ndices pticos tm sido apresentados pela literatura tendo sido comprovado que elesesto bem relacionados com vrios parmetros da vegetao como o IAF, a biomassa, a concentraode clorofila, etc. Tem sido mostrado que o desempenho e o uso apropriado de um ndice em particular geralmente determinado pela sensibilidade do ndice para a caracterstica de interesse.(ZARCO-TEJADA, 2003).

Nosso objetivo mostrar que o ndice de Vegetao da Diferena Normalizada IVDNdesenvolvido por Rouse (1973) e usado por Tucker (1979), com o objetivo de amenizar a interfernciado solo, a influncia atmosfrica e as variaes zenitais do sol, apesar de sua caracterstica desaturao em casos de vegetao com alta densidade e em multicamadas, nos muito til para a

estimativa da quantidade de gua na folha, e para o clculo do ndice de rea foliar, alm de outrosparmetros. O IVDN dado por:( ) 3434 +=IVDN (1)

onde 4 a refletncia no infra-vermelho prximo [canal 4 (0,78-0,90m) no TM]; e 3 a

refletncia na regio do visvel (vermelho) [canal 3 (0,63-0,69 m) no TM].Apesar de muitos ndices de vegetao terem sido criados com o intuito de se obter uma

frmula ideal, do ponto de vista matemtico a maioria dos ndices de vegetao so funcionalmenteequivalentes, embora Haboudane (2004) tenha identificado algumas diferenas no desempenho doIVDN e RS, quando comparados ao IVAS (ndice de Vegetao Ajustado para o Solo), ao IVMAS(ndice de Vegetao Melhorado Ajustado para o Solo) e ao IVSRA (ndice de Vegetao para o Solo

Resistente aos efeitos da Atmosfera). Segundo o autor, alguns desses ndices apresentaram ummelhor desempenho quando usados na determinao do IAF, com variaes na refletncia sendo


3/7

altamente influenciada dependendo do nvel de clorofila, [Haboudane, et al, 2004]. Para o casoespecfico do algodo, o melhor ndice de determinao do IAF ainda dever ser avaliado para ascondies do Brasil. Segundo Maity (2004), o IAF para algodo depende da umidade do solo e daaltura da planta, tendo ele criado dois ndices de sensitividade, um para o nvel de umidade do solo eoutro para a altura da planta. (MAITY et al., 2004 ; LUQUET et al., 2003 ; MCKINION et al., 2001).

Por outro lado, percebe-se que quase todos os ndices de vegetao so obtidos de medidasda refletncia nas faixas espectrais do vermelho e infravermelho prximo do espectro eletromagntico,havendo algumas razes para o uso dessas faixas espectrais, como por exemplo:a. Elas esto presentes em quase todos os satlites;b. Elas possuem mais de 90% da informao espectral sobre a vegetao ec. Nessa faixa a refletncia da vegetao verde e saudvel maior que a do solo seco.

Neste trabalho usamos as imagens de satlite de alta resoluo para o clculo do ndice devegetao, objetivando a previso da produtividade, a determinao da quantidade de gua na culturae as condies gerais da planta.

MATERIAL E MTODOS

Aps aquisio da imagem do Landsat junto INPE (Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais),foi usado para o processamento das mesmas o software ERDAS Imagine 8.5, onde foramdesenvolvidos modelos baseados na ferramenta de parametrizao SEBAL.

Com essa ferramenta, foram calculadas inicialmente a radincia espectral (R) dos canais 3 e 4,a serem usados no IVDN. Essa radincia a efetivao da calibrao radiomtrica, onde o valor decada pixel da imagem (ND) convertido em radincia espectral monocromtica. Essas radinciasrepresentam a energia solar refletida por cada pixel, por unidade de rea, de tempo, de ngulo slido ede comprimento de onda, medidas pelo satlite [Bastiaanssen et al., 2000]. A radincia dada por:

( )[ ]NDabaRiii

255+= (2)

onde a e b so as radincias espectrais mnima e mxima, dadas pela Tabela 1( Wm-2.sr-1m-1 ). ND a intensidade do pixel (entre 0 e 255) e icorresponde a cada banda espectral do Landsat.


4/7

Tabela 1. Bandas do Landsat Thematic Mapper, apresentando os coeficientes de calibrao e aIrradincia do Topo da Atmosfera para cada faixa espectral.

Canais Comprimento de Onda Coeficientes de CalibraoIrradincia Espectral

no Topo daAtmosfera

(m) ( Wm-2.sr-1m-1 ) ( Wm-2m-1 )a b k

1 (azul) 0,45 0,52 -1,765 178,941 19572(verde) 0,53 0,61 -3,576 379,055 1982

3(vermelho) 0,62 0,69 -1,502 255,695 15574(infravermelhoprx)

0,78 0,79 -1,763 242,303 1047

5(infravermelhomdio)

1,57 1,78 -0,411 30,178 219,3

6(infravermelhotermal)

10,4 12,5 1,238 15,600 --

7(infravermelho) 2,10 2,35 -0,137 13,156 74,52Assim a refletncia monocromtica dos canais de interesse pode ser encontrada usando-se:

ii

i

i

dZk

R

=

cos

(3)

ondei

R a radincia espectral de cada banda, e k a irradincia solar espectral no topo da

atmosfera, (ver Tabela 1). Z o ngulo zenital solar ei

d o inverso do quadrado da distncia

relativa Terra-Sol, fornecido em unidade astronmica (UA).Com as refletncias calculadas, substitumos as refletncias das bandas 3 e 4 na equao (1)

para determinarmos o IVDN, que um indicador sensvel da quantidade e das condies davegetao, variando entre -1 e +1, onde os valores negativos representam os corpos dgua e ospositivos as superfcies vegetadas.

O ndice de rea Foliar (IAF), que definido como a razo entre a rea foliar de toda avegetao por unidade de rea onde a vegetao se encontra, um indicador da biomassa e pode serobtido por equaes empricas com bons resultados (ALLEN et al, 2004). Para seu clculo, Allen usouo ndice de Vegetao Ajustado para efeitos de Solo (IVAS) definido por Huete, 1998. Esse ndiceprocura amenizar os efeitos da refletncia do solo e definido como (HUETE, 1998):

( ) ( ) ( )34341 +++= LLIVAS (4)

O fator L uma funo da densidade da vegetao e sua determinao requer umconhecimento a priori da quantidade de vegetao. O valor desse fator crtico na minimizao dosefeitos das propriedades pticas do solo na refletncia da vegetao. Huete, (1998) sugeriu um valorde 5,0=L para variaes de primeira ordem na imagem, como sendo um valor otimizado dessarefletncia. Assim, o IAF pode ser obtido usando-se a frmula de Allen, dada por:

( )( )91,0

59,069,0ln IVASIAF

= (5)

Onde o IVAS foi calculado para a rea em estudo. Os ndices de vegetao foram analisadosquanto ao desempenho como indicadores das condies de crescimento da cultura do algodo,


5/7

submetido a diferentes sistemas de manejo e irrigao, atravs da anlise de correlao com o ndicede rea foliar.

RESULTADOS E DISCUSSO

Existem diversas relaes entre os ndices de vegetao e o ndice de rea foliar que sediferenciam bastante devido ainfluncia da clorofila e outrascaractersticas da cultura em estudo.Para entender a influncia dosndices de vegetao selecionadopara este estudo apresentado umgrfico da refletncia do solo e davegetao, calculados atravs doERDAS, como funo docomprimento de onda, que pode servisto na Figura 1. Pode-se perceberque o comportamento dos alvoscorresponde ao esperado, onde avegetao apresenta uma baixa

refletncia nas bandas 1, 2 e 3 e uma alta refletncia nabanda 4. Para os solos, h um aumento linear narefletncia a medida que aumentamos o comprimento deonda.

Esta resposta espectral permite a diferenciao davegetao, bem como o estabelecimento de relaes comos parmetros de crescimento da mesma. As reas de

estudo da vegetao foram: a FazendaJuriti (ao lado da cidade)(FazJ), queusou algodo BRS-ITA 90, com 10plantas/metro e espaamento entreplantas de 0,90m, obtendo umaprodutividade de 320@/ha, bem como aFazenda Buriti, (FazB) que usou oalgodo Fibermax 966, com 13plantas/m e espaamento entre plantasde 0,90m, obtendo uma produtividade

Figura 2. Regio de estudo( 15 15S - 15 45S e54 15 W - 54 45W)

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,5 0,6 0,67 0,79 1,61Comprimento de Onda (m)

Refletncia(%)

Solo

Vegetao

Figura 1. Refletncia do solo e da vegetao com plantio de algodo(dados de Abril de 2004)

reas de Estudo

Primavera do LesteFigura 3. IVDN-Detalhe mostrando a rea urbana e plantaes deal odo.

FazJ

FazB


6/7

de 280@/ha, (Fig. 3).O IVDN foi calculado a partir dos dados de refletncia obtidos da imagem, tendo seu valor

mdio prximo de 0,829 para a primeira rea (FazJ) e de 0,827 para a segunda(FazB). Com essendice foi possvel calcular o IAF, que apresentou um valor mdio em torno de 4,349 para a FazJ e3,328 para a FazB e que segundo Maity et al(2004), so valores aceitveis se considerando a alturadas plantas e as condies de umidade do solo. As regies de estudo, com detalhes das reas deplantio de algodo e de solo exposto podem ser visualizados na Figura 3.

CONCLUSO

A quantificao do ndice de rea Foliar (IAF) e sua distribuio espacial fornecem um meioprtico para interpretao dos dados obtidos via sensoriamento remoto. O mtodo de parametrizaoproposto para determinao dos ndices de vegetao forneceu resultados consistentes e pode serusado para estimativa do IAF da cultura do algodo, mostrando-se assim muito til para programas demonitoramento e previso de safras.

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

ALLEN, R. A. W.; RAMSEY, R. D.; WEST, N. E., Spatiotemporal mapping of the dry season vegetationresponse of sagebrush steppe, Community Ecology 5(1): 69-79,Akadkmiai Kiadd, Budapest, 2004.

BASTIAANSSEN, W. G. M.; MOLDEN, D. J.; MAKIN, IAN, W., Remote sensing for irrigatedagriculture: examples from research and possible applications, Agricultural Water Management, 46, pg.137-155, 2000.

HABOUDANE, D.; MILLER, J. R.; PATTEY, E.; ZARCO-TEJADA, P. J.; STRACHAN, I. B.;Hyperspectral vegetation indices and novel algorithms for predicting green LAI of crop canopies:

Modeling and validation in the context of precision agriculture. Remote Sensing of Environment, v. 90,p. 337352, 2004.

HUETE, A. R. A soil adjusted vegetation index (SAVI). Remote Sensing of Environment, v. 25, p.295-309, 1988.

LUQUET, D., A.; BGU a,1, Vidal, A., CLOUVEL, P., DAUZAT, J., OLIOSO, A., GU, X.F., TAO, Y.,Using multidirectional thermography to characterize water status of cotton. Remote Sensing ofEnvironment, v. 84, p. 411 421, 2003.

MAITY, S.; PATNAIK, C.; CHAKRABORTY, M.; PANIGRAHY, S. Analysis of Temporal Backscattering

of Cotton Crops Using a Semiempirical Model, IEEE Transactions on Geoscience and RemoteSensing, v. 42, n. 3, p. 577-587, 2004.


7/7

MCKINION, J. M.; JENKINS, J. N.; AKINS, D.; TURNER, S. B.; WILLERS, J. L.; JALLAS, E.;WHISLER, F. D. Analysis of a precision agriculture approach to cotton production. Computers andElectronics in Agriculture, v. 32, p. 213228, 2001.

RONDEAUX, G.; STEVEN, M.; BARET, F. Optimization of soil-adjusted vegetation indices. RemoteSensing of Environment, v. 55, p. 95-107, 1996.

TUCKER, C.J., Red and photographic infrared linear combinations for monitoring vegetation. RemoteSensing of Environment, v. 8, p. 127 150, 1979.

WIENGAND, C. L; RICHARDSON, A. J; ESCOBAR, D. E. Vegetation indices in crop assessment.Remote Sensing of Environment, v. 35, n. 2, p.105-109, 1991.

ZARCO-TEJADA, P. J.; RUEDA, C. A.; USTIN, S. L. Water content estimation in vegetation withMODIS reflectance data and model inversion methods. Remoting Sensing of Environment, v. 85, p.109-124, 2003.

Como Criar Indice de Vegetacao - NDVI

Documents

Transcript of Como Criar Indice de Vegetacao - NDVI