Šta su vegetacijski indeksi, koji su i čemu služe?

Vegetacijski indeksi su podaci koji se računaju iz različitih kanala multispektralnih snimaka na osnovu apsorpcije i refleksije sunčeve energije u biljnom svetu. Te zapise danas kreiraju specijalizovane kamere sa optičkim uređajima koje nose sateliti, avioni, dronovi i druge letelice, a koji su podložni daljoj obradi.

Sunčevo elektromagnetsko zračenje se sastoji od vidljivog i nevidljivog dela spektra, a prikazju se pomoću traka (engl. band) koje čine pojedinačni delovi spektra različitih talasnih dužina i frekvencija. 

Ljudskom oku vidljivi deo spektra je zapravo samo mali deo sunčevog zračenja, talasne dužine od 380 nm do 700 nm (nanometar = milionti deo milimetra). Najjednostavnije rečeno, to je spektar nama vidljivih boja. Najkraću talasnu dužinu imaju ljubičasta i plava svetlost, a najdužu crvena. Ostali deo spektra ljudsko oko ne vidi, ali njih mogu zabeležiti za tu svrhu kreirani senzori.  

Hlorofil u biljkama najviše apsorbuje crveni i plavi deo spektra, a reflektuje zeleno pa su iz tog razloga zdrave biljke zelene. Osim zelenog dela spektra, biljke reflektiraju i blisko infracrveni (skrećeno NIR od eng. near infrared) deo (780 nm do 2500 nm), ljudskom oku nevidljiv. Ta se NIR traka koristi u formulama kod zbira vegetacijskih indeksa.

Što se tiče osnovnih atmosferskih faktora koji na njih utiču, valja istaknuti ugao upada sunčevih zraka, ugao pod kojim se nalazi senzor kao i količinu vodene pare u zraku.

Pomoću indeksa mogu se pratiti sezonske i višegodišnje vegetacijske promene. Moguće je pratiti promene u razvoju i zdravlju useva, rano otkrivanje bolesti, napad štetočina ili pojavu korova, sadržaj vode u biljkama, takođe moguće je utvrditi nivo stresa na nepovoljne uslove ili pravo vreme za odrađivanje đubrenja, zaštite ili žetve.

Najčešći vegetacioni indeksi

Svaki od dole navedenih može pružiti više korisnih informacija o pojedinom parametru u odnosu na druge te zbog toga izbor indeksa treba prilagoditi potrebama. U nastavku se nalazi popis najčešće korištenih vegetacijskih indeksa sa kraćim pojašnjenjima.

NDVI indeks (eng. Normalized Difference Vegetation Index) je najjednostavnije rečeno odnos između blisko infracrvenog (NIR) i vidljivog crvenog dela spektra koje biljke reflektuju, a formula za izračun glasi NDVI= NIR-RED/NIR+RED. Njegov se rezultat kreće između -1 do +1 te što je viša vrednost to su biljke zdravije, jačeg vigora i bujnosti. Što je biljka zdravija, time će razlika između refleksije ove dve trake biti veća u korist blisko infracrvenog dela te će za rezultat NDVI indeks pokazivati više vrednosti. Kod biljke koja pati od stresa prouzrokovanog od strane biotskih ili abiotskih faktora poveća će se postotak refleksije crvenog dela spektra, a smanjiti refleksija NIR-a te će vrednost NDVI indeksa biti niža. Ovaj indeks je pogodan za praćenje dinamike i stanja useva, međutim dosta je osetljiv na pozadinske šumove poput refleksije zemljišta ili atmosferskog zračenja, sadržaja vode u biljkama i slično. 

NDVI indeks je pionir među indeksima gde je njegovom korekcijom proizašlo još nekoliko poboljšanih i preciznijih indeksa jer se među naučnicima probudila sumnja u njegovu pouzdanost o čemu prof. Vladimir Vukadinović govori u radu na ovom linku.

NDRE indeks (eng. Normalized difference red edge index) ukazuje na sadržaj hlorofila u biljci, a najefikasniji i najprecizniji je kada se koristi od sredine vegetacijskog razdoblja useva do žetve. Za razliku od NDVI indeksa koji ogleda vrednosti "zelenila" samo na gornjim delovima biljke, ovaj prodire do nižih nivoa pa tu može doći do značajne razlike u vrednostima, pogotovo kod viših i gušćih useva. Formula za rezultat glasi NDRE=(NIR-RedEdge)/(NIR+RedEdge) gde NIR označava blisko infracrveno zračenje, a RedEdge granicu između crvenog kanala i NIR-a. Skala vrednosti kreće se između -1 i 1. Vrednosti između -1 i 0,2 označavaju golo zemljište ili biljke u početnim fazama razvoja. Vrednosti iznad 0,6 ukazuju na zdrav usev.

EVI indeks (eng. Enhanced Vegetation Index) je poboljšani vegetacijski indeks sličan NDVI indeksu. Međutim, EVI koristi i plavi kanal kako bi se poboljšala osetljivost na refleksiju biljke. Formula za iznos glasi: EVI= 2.5x((NIR-RED)/((NIR)+(C1xRED)-(C2xBLUE)+L)), a vrednost se kreće od -1 do +1 (kao kod NDVI).  C1 i C2 – koeficijenti koji se odnose na korekciju aerosoli. Prednost mu se daje u poređenju sa NDVI indeksom kod praćenja izrazito bujnih vegetacija poput prašuma.

SAVI indeks (eng. Soil Adjusted Vegetation Index) je modifikovani NDVI indeks, a primenjuje se kod praćenja stanja vegetacije slabije bujnosti ili u početnim fazama kada je potrebno otkloniti uticaj refleksije zemljišta (boja i vlažnost tla). Dobija se formulom SAVI=((NIR-RED)/(NIR+RED +L)) x (1+L) gde L predstavlja faktor koji smanjuje uticaj pozadinskih šumova zemlje na njegovu vrednost koje se takođe kreću između -1 i +1. Najpogodniji je za analizu vegetacije koja prekriva 15 odsto i manje ukupne površine zemljišta.

MSAVI indeks (eng. Modified Soil Adjusted Vegetation Index) dolazi do izražaja kada je zemljište gotovo golo, odmah po nicanju useva. Dok drugi indeksi u početnim fazama useva ne detektuju biljke, ovaj ima funkciju prepoznavanja onih sitnih. Uz pomoć njega moguće je primetiti oaze na polju gde je slabiji razvoj useva, a razlog mogu biti loše odrađena setva, stresni uslovi poput suše, ekstremnih temperatura i padavina. Iz tog razloga pomaže poljoprivredniku pri donošenju odluka kako bi na kraju mogao da očekuješ više i kvalitetnije prinose.

RECI indeks (eng. Red-Edge Chlorophyll Vegetation Index) ukazuje na sadržaj hlorofila u listovima koji je direktno povezan sa količinom azota u biljkama. Prikladan je za korišćenje tokom aktivnog vegetacionog razdoblja kada pruža najpreciznije rezultate. Kako su sadržaj hlorofila i azota povezani moguće je pomoću njega detektovati nedostatak azota jer su takve biljke najčešće bledo zelene, žute ili bez listova. Formula za rezultat je: RECI (NIR-RED)-1.

False Color se koristi kako bi se slabije vidljive ili nevidljive karakteristike na satelitskim snimcima učinile vidljivim. Ponekad je teško razlikovati vegetaciju od okoline pogotovo kada je sve ujednačene zelene boje. Uz pomoć ovoga alata moguće je dobiti jasniju sliku stvarnog stanja na satelitskim snimkama. Slike sa "lažnim bojama" mogu se proizvesti kombinacijom različitih traka, a zavisi od toga šta tačno želimo da naglasimo na snimku. Najčešće se kombinuju SWIR (short-wave infrared), NIR (near-infrared) i crveni kanal.

Koji sateliti danas snimaju Zemljinu površinu?

NDWI indeks (eng. Normalized Difference Water Index) se koristi kako bi se maksimalno pojačala refleksija vode. Kod njega se koristi zeleni deo vidljivog spektra, smanjuje se refleksija NIR-a na vodenim površinama, dok je za vegetaciju i zemljište refleksija blisko infracrvenog dela spektra visoka. Formula za rezultat je NDWI= Green-NIR/Green+NIR. Kod vodenih površina vrednosti indeksa su pozitivne, dok su kod vegetacije i zemljišta vrednosti nula ili negativne.

NDMI indeks (eng. Normalized Difference Moisture Index) prikazuje intezitet stresa biljaka prouzrkovan sušom. Formula za rezultat indeksa glasi: NDMI= (NIR-SWIR)/(NIR+SWIR). Njegove vrednosti se kreću od -1 do +1 gde -1 predstavlja golo zemljište, bez vegetacije, a +1 totalna pokrivenost tla vegetacijom, bez vodenog stresa. Vrednosti se različito interpretiraju u zavisnosti od kulture, odnosno od bujnosti vegetacije, pa tako vrednosti između 0-0,2 kod vegetacije prosečne bujnosti predstavljaju visoki stres, a kod nižeg rasta i pokrivenosti označava niski vodeni stres. Valja reći kako se stres prouzrokovan nedostatkom vode može dodatno potvrditi nižim NDVI indeksom.

Natural Color/RGB (Red, Green, Blue) prikazuje svet na način kako ga ljudsko oko vidi. Svaki piksel na snimku je zapravo kombinacija tri vidljiva kanala - crvenog, zelenog i plavog, ali u različitim odnosima. Njihovom se kombinacijom stvara slika koja prilično odgovara onome što u stvarnosti vidimo. Zdrava vegetacija se pojavljuje u zelenoj boji, dok je usev pred žetvu, pod napadom patogena, korova ili usled stresa u žutim ili smeđim nijansama. Golo zemljište je u različitim nijansama smeđe boje, a voda se prikazuje u plavoj ili crnoj boji.

GNDVI indeks (eng. Green Normalized Difference Vegetation Index) koristi zeleni kanal umesto crvenog jer se zeleni pokazao kao osetljiviji na hlorofil od crvenog dela spektra. Formula za indeks glasi GNDVI=(NIR-Green)*(NIR+Green). 

GCI indeks (eng. Green Chlorophyll Vegetation Index) se koristi za procenu sadržaja hlorofila u biljkama. Uz njegovu je pomoć moguće pratiti sezonske promene u vegetaciji. Takođe, moguće je detektovati stres biljaka usred nepovoljnih uslova. Formula za rezultat je GCI=NIR/Green-1.

LAI indeks (eng. Leaf Area Vegetation Index) se koristi za procenu količine lišća i pokrivrenosti zemljišta u određenom području. Formula indeksa je LAI= lisna površina (m2)/ površina zemljišta (m2).