شاخص NDVI چیست و در ارزیابی سلامت گیاهان چه تاثیری دارد؟

5 چیز که باید در مورد شاخص NDVI بدانید: یکی از موضوعات مهم در کشاورزی ارزیابی سلامت گیاهان است.

شما با استفاده از شاخص NDVI که همان Normalized Difference Vegetation است می توانید سلامت گیاهان مزرعه خود را از راه دور مورد ارزیابی قرار دهید.

با ما تا انتهای این مقاله همراه باشید تا در این مطلب به معرفی شاخص سطح برگ که یکی از پارامترهای مهم اقلیمی قابل استخراج از داده‌های سنجش از دور (یکی از خدمات فضاپایه کشتیار) می باشد، بپردازیم.

1- شاخص NDVI چیست ؟

اولین موردی که باید در مورد این شاخص بدانید تعریف و مکانیسم این نوع شاخص است.

در واقع NDVI که مخفف Normalized Difference Vegetation است یک شاخص نرمال شده می باشد که می تواند بر اساس میزان بازتاب طیف الکترومغناطیس از گیاهان اطلاعاتی از سلامت پوشش گیاهی زمین کشاورزی به ما بدهد.

اما خوب احتمالا از خودتان می پرسید که گیاه چگونه طیف های الکترومغناطیس منتشر می کند و این طیف ها چگونه هستند؟ و یا با استفاده از چه دستگاه هایی می توانیم این طیف ها را اندازه کنیم؟

در جواب این سوال ها باید به شما بگوییم که ساختمان سلولی گیاهان و مکانیسمی هایی که در این ساختمان ایجاد می شوند، این طیف ها را پخش می کند. در واقع چشم انسان گیاهان را به رنگ سبز می بینید.

رنگ سبز گیاهان به دلیل وجود رنگدانه کلروفیل در گیاهان است، این رنگدانه امواج سبز را بازتاب می دهد و امواج قرمز را جذب می کند.

با جذب امواج قرمز، ساختار سلولی گیاهان امواج فروسرخ نزدیک را انعکاس می دهند، به این امواج اصطلاحا NIR نیز گفته می شود.

همچنین در زمان وقوع فتوسنتز گیاهان عمدتا ساختار های سلولی خود را توسعه می دهند و این موضوع به مفهوم سلامت گیاه به حساب می آید.

به عبارت دیگر یک گیاه سالم دارای مقادیر زیادی کلروفیل و ساختار های سلولی است که می تواند نور قرمز را جذب کند و طیف فروسرخ نزدیک یا همان NIR را انعکاس دهد.

از طرفی ماهواره هایی در فضا وجود دارد که با استفاده از سنسور هایی می توانند اطلاعات مفیدی از هر چیزی که روی کره زمین وجود دارد از جمله گیاهان، نظیر طول امواج جذب شده و انعکاس یافته به ما بدهند.

به همین منظور به راحتی می توان با اطلاعات این ماهواره ها و داده های حاصل از آن ها که همان نور های انعکاس یافته در نوار های مرئی و فروسرخ نزدیک است، میزان NDVI و سلامت گیاهان را مورد سنجش قرار داد.

 

NDVI از چه زمانی به وجود آمد؟

شاید شما با این سوال روبرو شوید که NDVI از چه زمانی شکل گرفته است؟ باید به شما بگوییم که NDVI در سال  1973 توسط یک تیم تحقیقاتی در دانشگاه A&M تگزاس شکل گرفته است.

این تیم تحقیقاتی با رصد یک ماهواره که بر دور زمین می چرخید توانستند به NDVI دست پیدا کنند.

در واقع این تیم  با استفاده از ابزار های تصویر برداری دقیق توانستند انعکاس طول موج نور فروسرخ را ثبت کنند.

این کار در آن زمان با استفاده از ماهواره لندست 1 اتفاق افتاد و این تیم توانستند تغییرات گیاهی منطقه را در طول فصل رشد ترسیم کنند.

به عبارت دیگر این تیم زمین های کشاورزی را به قسمت های پیکسل مانندی تقسیم کردند و برای هر پیکسل طول موج منعکس شده را تبدیل به NDVI کردند.

این تبدیل و شاخص NDVI بسیار به پوشش گیاهی آن منطقه و سلامت گیاهان نزدیک بود و از آن زمان این شاخص به عنوان شاخصی برای سلامت گیاهان و میزان پوشش گیاهی منطقه مورد توجه قرار گرفت.

البته این شاخص تنها برای سنجش میزان سلامت گیاهان نیست و فواید بسیار زیادی دارد.

به طور مثال کشاورزان می توانند از این شاخص برای کشاورزی دقیق و کشت اصولی محصولات استفاده کنند.

محیط بانان و فعالین محیط زیست نیز می توانند از شاخص NDVI یا سلامت گیاهی به عنوان شاخصی برای تغییرات اکوسیستمی در یک منطقه خاص استفاده کنند.

2- فرمولاسیون شاخص NDVI چیست و NDVI چگونه محاسبه می شود؟

همانطور که در ابتدای مقاله نیز اشاره کردیم، NDVI یک فرمولاسیون بر اساس طیف الکترومغناطیس دارد که با استفاده از آن میزان سلامت گیاه مشخص می شود.

در واقع در این روش ما مقادیر جذب و انعکاس نور قرمز و فروسرخ نزدیک را محاسبه می کنیم. برای این کار تنها کافی است داده های خام حاصل از ماهواره را در فرمول NDVI قرار دهید.

این فرمول به صورت زیر می باشد.

 

 

پس از جایگزاری اعداد و طیف ها، نتایج این فرمول به صورت  بازدهی بین +1 و -1 قرار می گیرد.

اگر عدد حاصل از این فرمول بین اعداد -1 تا 0 باشد، نشان دهنده این است  که در آن قطعه از زمین بیش تر گیاهان مرده اند و اجسام معدنی نظیر سنگ ها، جاده ها و خانه ها در آن ناحیه قرار گرفته اند.

اما اگر مقدار NDVI بین 0 تا 1 باشد. هر چه این عدد به 1 نزدیک تر باشد به معنای سالم بودن آن گیاه است و هر چه به صفر نزدیک تر باشد، میزان سلامتی گیاه کاهش پیدا می کند.

در واقع برای هر پیکسل در تصاویر ماهواره ای می توان یک NDVI تعیین کرد و میزان سلامت گیاه را با این روش مورد ارزیابی قرار داد.

شاید برایتان جالب باشد که بدانید شما می توانید برای یک برگ تا یک مزرعه گندم 500 هکتاری می توانید این شاخص را تعیین کنید و مورد ارزیابی قرار دهید.

 

NDVI چه اطلاعاتی را در اختیار ما قرار می دهد؟

همانطور که می دانید با تغییر بیوماس گیاهان یا تاج پوشش گیاهان از زمستان تا تابستان خصوصیات گیاه نیز تغییر می کند.

باید به شما بگوییم NDVI یک شاخص محسوب می شود که به شما کمک می کند تغییرات فصلی گیاهان مزرعه خود را پیگیری کنید و از سلامت آن مطلع شوید.

برخی  از افراد تصور می کنند که NDVI راهی برای تشخیص یک بیماری خاص در گیاه است. اما در واقع NDVI چنین نیست و بیشتر به عنوان یک سرنخ برای آنچه در زمین کشاورزی اتفاق می افتد است.

به عبارت دیگر شما سعی می کنید تا با دانستن NDVI از وقوع اتفاقاتی که سبب صدمه به سلامت گیاه می شود جلوگیری کنید و مزرعه خود را برای مقابله با آن ها مجهز کنید.

به طور مثال خشکسالی، بیماری ها، آفات و سیل ها از جمله عواملی هستند که می توانند بر پوشش گیاهی زمین های کشاورزی تاثیرگذار باشند و خوب به نوبه خود می توانند در میزان NDVI نیز تاثیرگذار باشند.

NDVI می تواند شما را در جهت بررسی بیش تر یا ارزیابی آسیب های گسترده مزرعه راهنمایی کنید.

البته این موضوع زمانی رخ خواهد داد که شما به طور کامل بدانید چه عواملی ممکن است سلامت گیاه شما را تحت تاثیر قرار دهد.

نقشه رنگی پوشش گیاهی یا  نقشه رنگی NDVI چیست و ابزارهایی نظیر QGIS چه کمکی برای ارزیابی سلامتی گیاهان می کند؟

برای اینکه بتوانیم از داده های NDVI به بهترین شکل استفاده کنیم. می توانیم یک نقشه رنگی براساس مقدار NDVI و پوشش گیاهی ایجاد کنیم.

در واقع با استفاده از چنین نقشه ای می توان نوع، مقدار و شرایط پوشش گیاهی یک زمین زراعی را سنجید. به عبارت دیگر در این روش شما سعی می کنید تا برای هر پیکسل در عکس ماهواره ای، یک رنگ متفاوت بر اساس تغییرات NDVI در نظر بگیرید.

اما خوب احتمالا از خودتان می پرسید که ایجاد این نقشه رنگی چگونه است؟ باید به شما بگوییم که نرم افزار های مختلفی وجود دارند که چنین نقشه های رنگی را برای شما به وجود می آورند.

از این ابزار ها و از معروف ترین آن ها می توانیم به GIS، QGIS، ArcGIS و GRASSGIS اشاره کنیم. اما قبل از به وجود آمدن چنین نقشه هایی شما باید میزان شاخص NDVI و تغییرات پوشش گیاهی را محاسبه کنید.

برای اینکار نیز ماشین حساب هایی وجود دارند که با استفاده از فرمولی که در متن بالا توضیح دادیم تصاویر ماهواره ای و اعداد طیف های الکترومغناطیس را می گیرد و به NDVI تبدیل می کنند.

یکی از  معروف ترین ماشین حساب ها در این زمینه QZ Solutions است. پس از انجام محاسبات شاخص توسط این ماشین حساب شما می توانید از آن یک خروجی بگیرید که این خروجی در ابزار های نقشه ساز مورد استفاده قرار می گیرد.

به طور مثال شما می توانید خروجی این ماشین حساب را در ابزار QGIS باز کرده و بر اساس رنگ دلخواه، نقشه رنگی خود را به وجود بیاورید. در عکس زیر طیف های رنگی که در ابزار های نقشه ساز وجود دارد را مشاهده می کنید.

انتخاب طیف رنگی هیچ اصول خاصی ندارد و شما می توانید بر اساس سلیقه خودتان از میان این طیف ها یکی را انتخاب کنید.

اما پیشنهاد می کنیم برای انتخاب این طیف ها مجموعه رنگ هایی را انتخاب کنید که به واقعیت نزدیکی بیش تری داشته باشد.

به طور مثال به دلیل اینکه NDVI شاخص سلامتی و پوشش گیاهی است از طیف هایی که حاوی رنگ سبز هستند استفاده کنید.

نقشه رنگی پوشش گیاهی

یکی از معروف ترین نقشه هایی رنگی به نقشه چراغ قرمز معروف است. درست همانند چراغ قرمز راهنمایی و رانندگی، طیف های استفاده شده در این نقشه از 3 رنگ سبز، زرد و قرمز تشکیل شده اند.

به عنوان مثال تصویر زیر که در سال 2019 در مونیخ و توسط ماهواره Pléiades, گرفته شده یک نقشه چراغ قرمز از پوشش گیاهی یک منطقه است.

همانطور که مشاهده می کنید، نواحی سبز رنگ از نظر پوشش گیاهی سالم محسوب می شوند و مناطق قرمز نشان دهنده این است که هیچ زیست توده سبزی در آن ناحیه وجود ندارد.

به طور مثال اگر شما قسمت سمت چپ تصویر را مشاهده کنید، مناطق قرمز رنگی را می بینید. در سال 2019 در مونیخ و در آن منطقه فستیوالی بوده و برای این فستیوال چادر هایی را در آن منطقه زده بودند.

در واقع نواحی قرمزی که در تصویر می بینید همان چادر ها هستند که در این نقشه به عنوان قسمتی که هیچ زیست توده گیاهی ندارد معرفی شده است.

در سمت راست و بالای تصویر نیز شما ناحیه سبز بزرگی را مشاهده می کنید.

این ناحیه در واقع یک پارک با نام Englischer Garten است که 3.7 کیلومتر مربع طول دارد و همانطور که مشاهده می کنید از نظر پوشش گیاهی در وضعیت مطلوبی قرار دارد.

مناطق زرد رنگ و نارنجی رنگ نیز اصطلاحا خاک برهنه یا پوشش گیاهی مرده را نشان می دهد.

نقشه رنگی دیگری نیز وجود دارد که ناسا از آن برای سنجش میزان تغییرات پوشش گیاهی استفاده می کند. در این نقشه رنگ هایی نظیر آبی، قهوه ای و سبز استفاده شده است.

در تصویر زیر شما می توانید چنین نقشه ای را مشاهده کنید. مشابه نقشه چراغ قرمز مقدار NDVI نزدیک به ،1 نشان دهنده پوشش گیاهی مطلوب است و به رنگ سبز در این نقشه مشاهده می شود.

مقادیری از NDVI که در این نقشه نزدیک  -1 است نیز به رنگ آبی است که همان به معنای آب دریا هاست. نقشه دیگری نیز وجود دارد که به آن نقشه گرمایی یا heat maps گفته می شود.

در این نوع نقشه ها با استفاده از NDVI میزان قتوسنتز گیاهان را مورد سنجش قرار می دهند و برای ایجاد چنین نقشه هایی از رنگ های گرم استفاده می شود.

با استفاده از نقشه گرمایی و Heat maps شما می توانید میزان رشد و همچنین میزان استرس گیاهان را در طول زمان مورد ارزیابی قرار دهید.

3- منابع مفید برای محاسبه شاخص NDVI

همانطور که می دانید بهترین منابع برای محاسبه NDVI ماهواره هایی هستند که در فضا وجود دارند. در واقع پس از تابش نور خورشید به یک گیاه، ماهواره ها طول موج های منعکس شده از یک گیاه را گرفته و تصویری را برای ما ترسیم می کنند.

مهم ترین ماهواره هایی که امروزه برای محاسبه این شاخص استفاده می شود لندست، سنتینل 2، Pléiades و اسپات نام دارد.

این ماهواره ها درست همانند یک ساعت به دور زمین می چرخند و اطلاعات مفیدی از امواج قرمز و فروسرخ نزدیک را در قالب یک تصویر به ما نشان می دهد. چنین تصاویری جزء مناسب ترین داده ها برای ترسیم نقشه های NDVI است.

اما نکته ای که باید به آن توجه ویژه داشت این است که ماهواره ها دارای طول موج های مختلف برای باند ها هستند. در واقع تمامی ماهواره به یک شکل نمی توانند طول موج های انعکاس یافته از سطح زمین را اندازه گیری کنند.

به همین منظور NDVI با داده های ماهواره های مختلف می تواند کمی تغییر کند.

برای اینکه بتوانید با ویژگی هر ماهواره آشنا شوید و بدانید که هر ماهواره چه طول موجی را جذب می کند بهتر است که به پلتفورم UP42 بروید و اطلاعات هر کدام از ماهواره ها را به دقت مشاهده کنید.

به علاوه شما می توانید از طریق همین وب سایت داده های ماهواره ای را نیز خریداری کنید. همچنین در زمانی که شما می خواهید داده های ماهواره ای را آنالیز کنید و با داده های گذشته مقایسه کنید.

باید به چند نکته توجه ویژه داشته باشید. نفوذ جوی، خطا های کالیبراسیون و حتی زمانی که ماهواره از مدار زمین می گذرد ممکن است بر نتایج شما تاثیر گذار باشد و میزان NDVI را کم و زیاد کند.

4- الگوریتم های شاخص NDVI چیست؟

شما برای اینکه بتوانید میزان سلامت مزرعه خود را ارزیابی کنید، باید زمان زیادی را صرف محاسبات NDVI و ایجاد نقشه رنگی از NDVI کنید.

به علاوه این کار آنچنان که به نظر می رسد ساده نیست و پیچیدگی هایی را دارا می باشد.

به همین ترتیب الگوریتم ها به وجود آمدند تا میزان NDVI را بر اساس داده های ماهواره ای محاسبه و سپس از آن ها نقشه رنگی به وجود بیاورند.

به عبارت دیگر در این روش کار شما بسیار آسان می شود و نیاز به کار با ابزار های مختلف را نخواهید داشت.

شما در پلتفورم UP42 به نشانی https://up42.com/marketplace/search/?query=ndvi 3 الگوریتم را مشاهده خواهید کرد که بسیار کاربردی هستند.

این الگوریتم ها توسط QZ Solutions، Vasundharaa و تیم UP42’s in-house توسعه پیدا کردند و توانایی ادغام داده های ماهواره ای مختلف نظیر لندست 8، سنتینل 2، اسپات  6/7 و Pléiades را دارا می باشند.