Calculando índices de vegetação em imagens Landsat 8 pelo ArcGis 10
Por Huzel Geotecnologia 07/03/2015
Sumário Introdução .................................................................................................................................... 3 Exercício I - Calculo de índice de Reflectância ............................................................................. 4 Exercício II - Corrigir o valor da reflectância com ângulo do sol .................................................. 7 Exercício III - Calculo de NDVI para as Bandas 4 e 5 .................................................................... 8 Exercício IV - Calculando índice de Reflectância SAVI ................................................................. 9 Exercício V - Calcular índices Tasseled Cap ................................................................................ 11
No estudo da Vegetação, o NDVI – Índice de Vegetação por Diferença Normalizada, é caracterizado como de grande importância porque destaca a qualidade da vegetação de uma área através de análise de bandas de imagem de satélite. Para tanto se faz necessário ter as bandas IR e NIR 4 e 5 respectivamente, no caso estudado de imagens Landsat 8. "Um NDVI é frequentemente usado em todo o mundo para monitorar a seca, monitorar e prever a produção agrícola, auxiliar na previsão de zonas de fogo perigosos, e mapear avanço da desertificação. O NDVI é o preferido para monitoramento global vegetação porque ajuda a compensar a mudança das condições de iluminação, inclinação da superfície, aspecto, e outros fatores externos "( Lillesand 2004). A intensidade e densidade do crescimento da vegetação verde pode ser monitorado realizando a reflexão a partir da faixa vermelha e a faixa do infravermelho. Normalmente a vegetação verde reflete mais energia na banda infravermelha próxima do que na faixa visível. As folhas refletem menos na região do infravermelho próximo quando estão doentes ou mortas. As que apresentam melhor reflexão na faixa de infravermelho são nuvens, água e neve, de forma que é decrescente em relação ao infravermelho próximo, e por fim a diferença para rochas e solos aparentes é quase zero. A Saída do método NDVI cria uma banda única que só mostra vegetação. Os valores próximos de zero representam rochas e solo nu e valores negativos representam água, neve e nuvens. Essa razão ou diferença de duas bandas faz com que o sinal de crescimento da vegetação seja diferente dos demais amostrados. O Método NDVI foi desenvolvido por cientistas da NASA e é popularmente conhecido como Índice de Vegetação de Diferença Normalizada (NDVI). A proporção de duas bandas resulta entre valores -1 a +1. A seguir é apresentada uma tabela, os valores de reflectância, faixas vermelhas e infravermelhas e seus valores de NDVI. A água tem um valor NDVI inferior a 0, solos nus entre 0 e 0,1, e a vegetação mais de 0,1. O aumento no valor NDVI positivo significa mais verde da vegetação.
NIR = valores DN de banda Near Infrared tipo de cobertura VERMELHO
NIR
NDVI
Vegetação densa Solo nu seco Nuvens Neve e gelo Água
0,5 0,283 0,228 0,342 0,013
0,7 0,025 0,002 -0,046 -0,257
0,1 0,269 0,227 0,375 0,022
- Calculo de índice de Reflectância NOTA
Os dados de radiância espectral OLI podem ser convertidos para TOA reflectância planetária através de coeficientes de reflectância rescaling fornecidos no arquivo de metadados landsat8 OLI. O arquivo metadado mencionado é o LC82150642013152LGN00_MTL.txt que pode ser encontrado na pasta onde encontram-se as imagens landsat . 1 - Abrir
ArcMap e adicionar imagens de satélite de banda 4 e banda 5 de cálculo
NDVI.
2 – Abrir o ArcToolbox 3 - Seguir os seguintes passos - Arc toolbox ->Spatial Analyst -> Map Algebra > Raster Calculator
4 – Encontrar o fator multiplicativo ( Mρ) rescaling específico da banda escolhida a ser analisada a partir dos metadados (Reflectance_Mult_Band_x, onde x é o número da banda).
Um exemplo onde o M ρ fator multiplicativo específico da banda é usado para reescalar a partir dos metadados (Reflectance_Mult_Band_x, em que x é o número de banda) é encontrado no ficheiro comentado anteriormente e daremos um exemplo a seguir, onde aplicaremos os valores a nossa calculadora do ArcMap (Raster Calculator ) . Esses fatores e cálculos devem ser realizados para ambas as faixas – verm elhas e NIR (Ban das 4 e 5). NOTA: Modelo do Exemplo: Ban da 4 reflect ânc ia = (2.0000E-05 * ( " LC 82150642013152LG N00_B 4.TIF " )) + -,100000
Onde REFLECTANCE_MULT_BAND_4 = 2.0000E-05 RFLECTANCE_ADD_BAND_4 = -0,100000 sub_tif_Band_4 = 4 th band (banda vermelha) Definir a pasta de saída e o nome do arquivo e clique em "OK"
Função calculadora Raster para executar o cálculo de reflectância
Refletância calculado para a banda 4
Refletância calculado para a banda 5
- Corrigir o valor da reflectância com ângulo do sol 1 - Encontrar a elevação do sol a partir dos metadados e posteriormente aplicar e introduzir os valores na calculadora Raster para ambos os valores: vermelho e NIR da banda de reflectância calculada (bandas 4 e 5). NOTA: Modelo do Exemplo Ban da 4 co rrected _ reflectânc ia = ( " refl ect_b 4 " ) / Sin (51.78378846)
Onde: SUN_ELEVATION = 51.78378846 4th_rflctce = reflectância corrigida Definir a pasta de saída e o nome do arquivo e clique em "OK"
Função calculadora Raster para executar reflectância ângulo do sol corrigido
Reflectância para ângulo do sol corrigido para quarta banda
Reflectância para ângulo do sol corrigido para quinta banda
- Calculo de NDVI para as Bandas 4 e 5 Nos cálculos anteriores preparamos as bandas 4 e 5 para interpolações onde precisaríamos de imagens com o menor residual de interferência para as análises propostas e uma destas é a análise por NDVI (Normalized Difference Vegetation Index). Como sabe-se, para encontrar o NDVI deve-se utilizar a formula:
=
− +
Banda 4 = RED Banda 5 = NIR Após saber disto aplicar a formula pelo Raster Calculator com a formula:
NDVI = (Banda 5 corrigido - Banda 4 corrigido) / (Banda 5 corrigido + Banda 4 corrigido) Definir a pasta de saída eo nome do arquivo e clique em "OK"
Raster Calculator função para executar NDVI
NDVI - Normalized Difference Vegetation Index O resultado dessa operação varia entre -1 e 1, de forma que quanto maior proximidade de 1, maior a probabilidade de presença de vegetação, e quanto maior a proximidade de -1, maior a incidência de solos descobertos ou rochas.
- Calculando índice de Reflectância SAVI O Índice de vegetação ajustado ao solo mostra as condições do background do solo. O modelo SAVI é um híbrido entre NDVI e PVI (Perpendicular Vegetation Index).
=
−
∗ ( + ) + +
Onde NIR é a banda 5 e RED é a banda 4 respectivamente. L é o fator de correção do brilho do solo. O valor de L varia de acordo com a cobertura de vegetação verde. Altas áreas de vegetação L = 0; as áreas que não têm nenhuma vegetação verde L = 1. Geralmente L = 0,5 na maioria das causas e funciona bem como padrão de análise. Quando L = 0, NDVI = SAVI. 1 - Abrir Raster Calculator e aplicar esta fórmula e executar o programa como se segue:
=
__ − __ __ − __
Raster Calculator e função para executar SAVI
SAVI - Índice de Vegetação ajustado ao solo
∗ ( + )
- Calcular índices Tasseled Cap A transformação Tasseled Cap (Kauth-Thomas) foi projetada com o intuito de analisar e mapear a vegetação e mudanças de desenvolvimento urbano detectados por vários sistemas de sensores de satélite. Algumas pessoas perguntam qual a necessidade da Tasseled Cap, uma vez que temos os outros índices: NDVI e SAVI. Pois bem, diretamente, o SAVI e NDVI faz abordagem do Greenness (verdor) e é representada como um contraste entre a soma das bandas do visível e do infravermelho próximo. Este componente está diretamente relacionado à variáveis associadas à cobertura vegetal. Greenness é apenas uma das três dimensões da transformação Tasseled Cap. As outras duas dimensões ortogonais à Cor Verde, e ortogonais uma à outra e são Brilho humidade. Estas dimensões contêm informações que não são transmitidas por um índice de vegetação. Brilho é uma medida que quantifica como claro-escuro uma determinada superfície. Umidade fornece informações sobre o conteúdo de vegetação, umidade, solos e seus valores são fortemente influenciados pelo DN dos canais SWIR. Por fim, temos que perder o costume de limitar sensoriamento remoto apenas sobre a medição quantidade de vegetação. Solos, corpos d'água, afloramentos rochosos, áreas urbanas também são alvos ambientalmente importantes e trabalhando com três dimensões independentes de informação no domínio óptico, que permitirá a análise da superfície de terra mais rica. Para mais informações sobre essa transformação, segue informações abaixo: O primeiro componente, denominado Brightness (brilho), é uma soma ponderada de todas as bandas e está relacionado à variação espectral do solo, consequentemente em processos que afetam esta propriedade, tais como mudanças na distribuição de tamanho das partículas do solo. O segundo componente é chamado de Greenness (verdor) e é representada como um contraste entre a soma das bandas do visível e do infravermelho próximo. Esta componente está diretamente relacionada à variáveis associadas à cobertura vegetal. O terceiro componente, que recebe o nome de Wetness (umedecimento), contrasta a soma das bandas do visível e infravermelho próximo com a soma das bandas do infravermelho médio. Esta banda expressa primariamente a umidade do solo e em menor grau o status hídrico da vegetação. (SILVA, 2004; GLERIANI et al., 2003). O índice Tasseled Cap utiliza uma combinação linear de 6 bandas Landsat (da banda 2 a banda 7). Índices Tasseled Cap são calculados pela seguinte equação: = ( 2 ∗ 2) + (3 ∗ 3) + (4 ∗ 4) + (5 ∗ 5) + (6 ∗ 6) + (7 ∗ 7)
Onde é o índice Tasseled cap calculado para o brilho, cor verde ou
coeficiente de umidade. banda 2 banda 3 banda 4 banda 5 banda 6 banda 7 (Azul) (Verde) (Vermelho) (NIR) (SWIR 1) (SWIR 2) Brilho 0,3029 0,2786 0,4733 0,5599 0,508 0,1872 verdor -0,2941 -0,243 -0,5424 0,7276 0,0713 -0,1608 wetness 0,1511 0,1973 0,3283 0,3407 -0,7117 -0,4559 1 – Calcula-se a reflectância das bandas 2, 3, 4, 5, 6 e 7 usando o mesmo método acima mencionado. Índice
2 – Abrir Raster Calculator e aplicar a formula para o índice de brilho e dar ok.
Raster Calculator e função para executar Tasseled Cap
Tasseled Cap - índice de luminosidade
Os demais índices a serem calculados: Luminosidade e de cobertura vegetal, ou Greenness e Wetness fica a critério de vocês. Na tabela acima existe todos os índices necessários a essa análise.
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