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农业领域常用的植被指数

  农业领域常用的植被指数

                                     ——四川双利合谱科技有限公司

植被指数是指两个或多个波长范围内的地物反射率的组合运算,以增强植被某一特性或者细节。

目前,在科学文献中发布了超过150种植被指数模型,这些植被指数中只有极少数是经过系统的实践检验。在ENVI中,根据对植被波谱特征产生重要影响的主要化学成份:色素(Pigments)、水分(Water)、碳(Carbon)、氮(Nitrogen),总结了7大类实用性较强的植被指数,即:宽带绿度、窄带绿度、光利用率、冠层氮、干旱或碳衰减、叶色素、冠层水分含量。这些植被指数可以简单度量绿色植被的数量和生长状况、叶绿素含量、叶子表面冠层、叶聚丛、冠层结构、植被在光合作用中对入射光的利用效率、测量植被冠层中氮的相对含量、估算纤维素和木质素干燥状态的碳含量、度量植被中与胁迫性相关的色素、植被冠层中水分含量等。下面将详细介绍这27种植被指数的计算方法、波段范围、用法和局限性。

1. 宽带指数

宽带绿度指数Broad Greenness Index)可以简单度量绿色植被的数量和生

长状况,它对植物的叶绿素含量、叶片表面冠层结构比较敏感,这些都是植被光合作用的主要物质,与光合有效辐射也有关系。宽带绿度指数常用于植被物候发育的研究,土地利用和气候影响评估,植被生产力建模等。

宽带绿度指数选择的波段范围在可见光和近红外,一般的多光谱都包含这些波段。下面的公式中规定波段的中心波长:ρNIR = 800 nmρRED = 680 nmρBLUE = 450 nm。

1) 归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index——NDVI)

NDVI众所周知的一种植被指数,在LAI值很高,即植被茂密时其灵敏度会

降低。其计算公式为:

          

1


NDVI值的范围是-1~1,一般绿色植被区的范围是0.2~0.8

2) 比值植被指数(Ratio Vegetation Index——RVI

RVI指数也是众所周知的一种植被指数,在LAI值很高,即植被茂密时其灵

敏度会降低。其计算公式为:

             

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   RVI值的范围是0~30+,一般绿色植被区的范围是2~8

3) 增强植被指数(Enhanced Vegetation Index——EVI

EVI通过加入蓝色波段以增强植被信号,矫正土壤背景和气溶胶散射的影响。

EVI常用于LAI值高,即植被茂密区。其计算公式为:

               

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EVI值的范围是-1~1,一般绿色植被区的范围是0.2~0.8

4) 大气阻抗植被指数(Atmospherically Resistant Vegetation Index——ARVI

ARVINDVI的改进,它使用蓝色波段矫正大气散射的影响(如气溶胶),

ARVI常用于大气气溶胶浓度很高的区域,如烟尘污染的热带地区或原始刀耕火种地区。其计算公式为:

                  

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   ARVI值的范围是-1~1,一般绿色植被区的范围是0.2~0.8

5) 绿度总和指数Sum Green Index——SG

SG指数是用于探测绿色植被变化最简单的植被指数。由于在可见光范围内,绿色植被对光强吸收,SG指数对稀疏植被的小变化非常敏感。SG指数是500 nm ~600 nm范围内平均光谱反射率。其计算公式为:

 (5)

总和未尾会被转化回反射率。值的范围是0~50+(%),一般植被区域是10~25 (%)

2. 窄带绿度——Narrowband Greenness

窄带绿度指数对叶绿素含量、叶子表面冠层、叶聚丛、冠层结构非常敏感。它使用了红色与近红外区域部分——红边,红边是介于690 nm ~ 740 nm之间区域,包括吸收与散射。它比宽带绿度指数更加灵敏,特别是对于茂密植被。

1) 红边归一化植被指数(Red Edge Normalized Difference Vegetation Index——NDVI 705

NDVI 705NDVI的改进型,它对叶冠层的微小变化、林窗片断和衰老非常灵敏。它可用于精细农业、森林监测、植被胁迫性探测等。其计算公式为

              

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NDVI705值的范围是-1~1,一般绿色植被区的范围是0.2~0.9

2) 改进红边比值植被指数(Modified Red Edge Simple Ratio Index——mSR 705

mSR 705改正了叶片的镜面反射效应,可它可用于精细农业、森林监测、植被胁迫性探测等。其计算公式为

                

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mSR705值的范围是0~30,一般绿色植被区的范围是2~8

3) 改进红边归一化植被指数(Modified Red Edge Normalized Difference Vegetation Index——mNDVI 705)

mNDVI 705NDVI 705的改进型,它考虑了叶片的镜面反射效应。它对叶冠层的微小变化、林窗片断和衰老非常灵敏。它可用于精细农业、森林监测、植被胁迫性探测等。其计算公式为:

  

(8) 


mNDVI705值的范围是-1~1,一般绿色植被区的范围是0.2~0.7

4) Vogelmann 红边指数1(Vogelmann Red Edge Index 1——VOG1)

VOG1指数对叶绿素浓度、叶冠层和水分含量的综合非常敏感。它可应用于植物物候变化研究、精细农业和植被生产力建模。其计算公式为:

        

 (9)


VOG1值的范围是0~20,一般绿色植被区的范围是4~8

5) Vogelmann 红边指数2Vogelmann Red Edge Index 2——VOG2

VOG2指数对叶绿素浓度、叶冠层和水分含量的综合非常敏感。它可应用于植物物候变化研究、精细农业和植被生产力建模。其计算公式为:

        

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VOG2值的范围是是0~20,一般绿色植被区的范围是4~8

6) Vogelmann 红边指数3Vogelmann Red Edge Index 3——VOG3

VOG3指数对叶绿素浓度、叶冠层和水分含量的综合非常敏感。它可应用于植物物候变化研究、精细农业和植被生产力建模。其计算公式为:

       

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VOG2值的范围是是0~20,一般绿色植被区的范围是4~8

7) 红边位置指数(Red Edge Position Index——REP

REP指数对植被叶绿素浓度变化、叶绿素浓度增加使得吸收特征变宽及红边向长波段方向移动非常敏感。红边位置在690 nm ~ 740 nm范围内急剧倾斜波长范围,一般植被在700 nm~730 nm

REP指数的结果输出是在0.69μm~0.74μm光谱范围内,植被红边区域内的反射率的较大导数的波长。常用于农作物监测和估产,生态系统干扰探测,光合作用模型,和由气候或其他因素产生的冠层胁迫性。

光谱反射率的一阶微分计算公式为:

        

 (12)


红边计算公式为

       

 (13)


3. 光利用率指数——Light Use Efficiency

光利用率指数是用来度量植被在光合作用中对入射光的利用效率。光的利用效率直接与碳吸收效率、植被生长速度和光合有效辐射(fAPAR)有很大的关系。

1) 光化学植被指数(Photochemical Reflectance Index——PRI

PRI对活植物的类胡萝卜素(尤其黄色色素)变化非常敏感,类胡萝卜素可标识光合作用光的利用率,或者碳吸收效率。可用于研究植被生产力和胁迫性,常绿灌木植被的健康,森林以及农作物的衰老。其计算公式为:

           

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PRI值的范围是-1~1,一般绿色植被区的范围是-0.2~0.2

2) 结构不敏感色素指数(Structure Insensitive Pigment Index——SIPI

SIPI用来较大限度地提高类胡萝卜素(例如α-胡萝卜素和β-胡萝卜素)与叶绿素比率在冠层结构(如叶面积指数)减少时的敏感度,SIPI的增加标识冠层胁迫性的增加。可用于植被健康监测、植物生理胁迫性检测和作物生产和产量分析。其计算公式为:

          

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SIPI值的范围是0-2,一般绿色植物区的范围是0.8-1.8

3) 红绿比值指数(Red Green Ratio Index——RG

RG比值指数指示由于花青素代替叶绿素而引起叶片变红的相关表达式。可估算植被冠层发展过程,它还是叶片生产力与胁迫性的指示器,甚至可标识一些冠层的开花。应用于植物生长周期(物候)研究,冠层胁迫性检测和作物估产。

RG比值指数结果输出是红色范围内所有波段均值除以与绿色范围内所有波段均值。其计算公式为:

           

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RG值的范围是0.1~8,一般绿色植被区的范围是0.7~3

4. 冠层氮——Canopy Nitrogen

冠层氮指数提供一种用遥感度量氮浓度的方法。氮是叶绿素的重要组成部分,具有高浓度氮的植被生长速度较快,冠层氮指数使用短波红外测量植被冠层中氮的相对含量。

归一化氮指数(Normalized Difference Nitrogen Index——NDNI

NDNI是用于估算植被冠层中氮的相对含量。在1510nm的反射率主要取决于叶片氮的含量,以及冠层总体叶生物量。结合叶片氮含量和冠层叶生物量在1520nm范围内预测叶片氮的含量,在1680nm波长范围作为参考反射率,冠层叶生物量这个波长范围具有与1520nm波长范围类似的反射特性,而且1680nm波长范围内没有氮吸收影响。NDNI在植被还是绿色以及覆盖浓密时候,对氮含量的变化非常敏感,它用于精细农业、生态系统分析和森林管理。其计算公式为:

             

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NDNI值的范围是0~1,一般绿色植被区的范围是0.02~0.1

5. 叶色素——Leaf Pigments

叶色素指数用于度量植被中与胁迫性相关的色素。胁迫性相关的色素包括类胡萝卜素和花青素,这些色素大量存在衰减植被中,这些指数不能度量叶绿素。叶色素指数应用于农作物监测、生态系统研究、冠层胁迫性分析和精细农业。叶色素指数要求反射率数据范围在0~1

1) 类胡萝卜素反射指数1(Carotenoid Reflectance Index 1——CRI1)

CRI1对叶片中的类胡萝卜素非常敏感,高的CRI1值意味类胡萝卜素含量相比叶绿素含量多。其计算公式为:

               

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CRI1值的范围是0~15+,一般绿色植被区的范围是1~12

2) 类胡萝卜素反射指数2(Carotenoid Reflectance Index 2——CRI2)

CRI2CRI1的改进型,在类胡萝卜素浓度高时更加有效,高的CRI2值意味类胡萝卜素含量相比叶绿素含量多。其计算公式为:

         

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CRI2值的范围是0~15+,一般绿色植被区的范围是1~11

3) 花青素反射指数1(Anthocyanin Reflectance Index 1——ARI1)

ARI1对叶片中的花青素非常敏感,ARI1值越大表明植被冠层增长或者死亡。

其计算公式为:

              

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ARI1值的范围是0~0.2+,一般绿色植被区的范围是0.001~0.1

4) 花青素反射指数2(Anthocyanin Reflectance Index 2——ARI2)

ARI2对叶片中的花青素非常敏感,ARI2值越大表明植被冠层增长或者死亡。ARI2 ARI1的改进,当花青素浓度高时更加有效。其计算公式为:

    

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ARI2值的范围是0~0.2+,一般绿色植被区的范围是0.001~0.1

6.  冠层水分含量——Canopy Water Content

冠层水分含量指数用于度量植被冠层中水分含量。水分含量是一个重要的植物指标,较高的水含量表明健康植被、生长快及不易着火。冠层水分含量指数基于水在近红外和短波红外范围内的吸收特征,以及光在近红外范围的穿透性,综合起来度量总的水柱含量。

1) 水波段指数(Water Band Index——WBI

WBI对冠层水分状态的变化非常敏感,随着植被冠层水分的增加,970nm附近吸收强度相比900nm处有所增强。应用包括冠层胁迫性分析,生产力预测与建模,着火威胁条件分析,农作物管理,以及生态系统生理机能研究。其计算公式为:

                

   (22)


一般绿色植被区的范围是0.8~1.2

2) 归一化水指数(Normalized Difference Water Index——NDWI

NDWI对冠层水分含量的变化非常敏感,因为在857 nm 1241 nm具有相似的反射率,但是又不同于液态水的吸收特性。应用于冠层胁迫性分析,在浓密叶型植被的叶面积指数的研究、植被生产力模型、着火性研究。其计算公式为:

       

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NDWI值的范围是-1~1,一般绿色植被区的范围是-0.1~0.4

3) 水分胁迫指数(Moisture Stress Index——MSI)

MSI对叶片水分含量的增加非常敏感。当叶片水分含量的增加,在1599nm处的吸收强度也增加,而在819nm处的吸收强度没有影响。应用于冠层胁迫性分析,生产力预测与建模,着火威胁条件分析,以及生态系统生理机能研究。与其他水指数相反,MSI值越大,水分胁迫性越严重和水分含量越少。其计算公式为:

            

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MSI值的范围是0~3+,一般绿色植被区的范围是0.4~2

4) 归一化红外指数(Normalized Difference Infrared Index——NDII

NDII对农作物冠层的水分含量变化非常敏感,NDII的值越大表示水分含量越多。应用于农作物管理,森林冠层监测,植被胁迫性探测。其计算公式为:

  

   25


NDII值的范围是是-1~1,一般绿色植被区的范围是0.02~0.6

7. 干旱或碳衰减——Dry or Senescent Carbon

干旱或碳衰减指数是用来估算纤维素和木质素干燥状态的碳含量。干碳分子大量存在于木质材料和衰老、死亡、或休眠的植被,可以使用这些指数可以做植被着火性分析和检测森林的枯枝落叶层。干旱或碳衰减指数是基于纤维素和木质素在短波红外波段吸收特性而计算。

1) 归一化木质素指数(Normalized Difference Lignin Index——NDLI

NDLI是用来估算植被冠层木质素的相对含量,应用生态系统分析和检测森林的枯枝落叶层。其计算公式为:

           

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NDN1值的范围是0~1,一般绿色植被区的范围是0.005~0.05

2) 纤维素吸收指数(Cellulose Absorption Index——CAI

CAI可以指示地表含有干燥植被,纤维素在2000 nm~ 2200 nm范围内吸收特征非常敏感。应用于农作物残留监测,植物冠层衰老,生态系统中的着火条件和放牧管理。其计算公式为:

     

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3) 植被衰减指数(Plant Senescence Reflectance Index——PSRI

PSRI用来较大限度地提高类胡萝卜素(例如α-胡萝卜素和β-胡萝卜素)与叶绿素比率的灵敏度,PSRI的增加预示冠层胁迫性的增加、植被衰老的开始和植物果实的成熟。可用于植被健康监测、植物生理胁迫性检测和作物生产和产量分析。其计算公式为:

        

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PSRI值的范围是-1~1,一般绿色植被区的范围是-0.1~0.2

 

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