Šta su vegetacijski indeksi, koji su i čemu služe?

Vegetacijski indeksi su podaci koji se računaju iz različitih kanala multispektralnih snimki na temelju apsorpcije i refleksije sunčeve energije u biljnom svijetu. Te zapise danas kreiraju specijalizirane kamere s optičkim uređajima koje nose sateliti, avioni, dronovi i druge letjelice, a koji su podložni daljnoj obradi.

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

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

Hlorofil u biljkama najviše apsorbira crveni i plavi dio spektra, a reflektira zeleno te su iz tog razloga zdrave biljke zelene. Osim zelenog dijela spektra, biljke reflektiraju i blisko infracrveni (skrećeno NIR od eng. near infrared) dio (780 nm do 2500 nm), ljudskom oku nevidljiv. Ta se NIR traka koristi se u formulama kod izračuna vegetacijskih indeksa.

Što se tiče osnovnih atmosferskih čimbenika koji na njih utječu, valja istaknuti kut upada Sunčevih zraka, kut pod kojim se nalazi senzor te količinu vodene pare u zraku.

Pomoću indeksa mogu se pratiti sezonske i višegodišnje vegetacijske promjene. Moguće je pratiti promjene u razvoju i zdravlju usjeva, rano otkrivanje bolesti, napad štetnika ili pojavu korova, sadržaj vode u biljkama, također moguće je utvrditi nivo stresa na nepovoljne uvjete ili pravo vrijeme za odrađivanje gnojidbe, zaštite ili žetve.

Najčešći vegetacijski indeksi

Svaki od dolje 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 s kraćim pojašnjenjima.

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

NDVI indeks je pionir među indeksima gdje 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 ovoj poveznici.

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 usjeva do žetve. Za razliku od NDVI indeksa koji očitava vrijednosti "zelenila’" samo na gornjim dijelovima biljke, ovaj prodire do nižih razina te tu može doći do značajne razlike u vrijednostima, pogotovo kod viših i gušćih usjeva. Formula za izračun glasi NDRE= (NIR-RedEdge)/(NIR+RedEdge) gdje NIR označava blisko infracrveno zračenje a RedEdge granicu između crvenog kanala i NIR-a. Skala vrijednosti kreće se između -1 i 1. Vrijednosti između -1 i 0,2 označavaju golo tlo ili biljke u početnim fazama razvoja. Vrijednosti iznad 0,6 ukazuju na zdrav usjev.

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

SAVI indeks (eng. Soil Adjusted Vegetation Index) je modificirani NDVI indeks, a primjenjuje se kod praćenja stanja vegetacije slabije bujnosti ili u početnim fazama kada je potrebno otkloniti utjecaj refleksije tla (boja i vlažnost tla). Izračunava se formulom SAVI= ((NIR-RED) / (NIR+RED +L)) x (1+L) gdje L predstavlja faktor koji smanjuje utjecaj pozadinskih šumova tla na njegovu vrijednost koje se također kreću između -1 i +1. Najpogodniji je za analizu vegetacije koja prekriva 15% i manje ukupne površine tla.

MSAVI indeks (eng. Modified Soil Adjusted Vegetation Index) dolazi do izražaja kada je tlo gotovo golo, odmah po nicanju usjeva. Dok drugi indeksi u početnim fazama usjeva ne detektiraju biljke, ovaj ima funkciju prepoznavanja onih sitnih. Uz pomoć njega moguće je primijetiti oaze na polju gdje je slabiji razvoj usjeva, a razlog mogu biti loše odrađena sjetva, stresni uvjeti poput suše, ekstremnih temperatura i oborina. Iz tog razloga pomaže poljoprivredniku pri donošenju odluka kako bi u konačnici mogao očekivati više i kvalitetnije prinose.

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

False Color se koristi kako bi se slabije vidljive ili nevidljive značajke na satelitskim snimkama 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 s "lažnim bojama" mogu se proizvesti kombinacijom različitih traka, a ovisi o tome što tačno želimo naglasiti na snimci. Najčešće se kombiniraju 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 dio vidljivog spektra, smanjuje se refleksija NIR-a na vodenim površinama, dok je za vegetaciju i tlo refleksija blisko infracrvenog dijela spektra visoka. Formula za izračun je NDWI= Green-NIR/Green +NIR. Kod vodenih površina vrijednosti indeksa su pozitivne, dok su kod vegetacije i tla vrijednosti nula ili negativne.

NDMI indeks (eng. Normalized Difference Moisture Index) prikazuje intezitet stresa biljaka prouzrkovan sušom. Formula za izračun indeksa glasi: NDMI= (NIR-SWIR)/(NIR+SWIR). Njegove vrijednosti se kreću od -1 do +1 gdje -1 predstavlja golo tlo, bez vegetacije, a +1 totalna pokrivenost tla vegetacijom, bez vodenog stresa. Vrijednosti se različito interpretiraju u ovisnosti o kulturi, odnosno o bujnosti vegetacije, pa tako vrijednosti između 0-0,2 kod vegetacije prosječne 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 svijet na način kako ga ljudsko oko vidi. Svaki piksel na snimci je zapravo kombinacija tri vidljiva kanala - crvenog, zelenog i plavog, ali u različitim udjelima. Njihovom se kombinacijom stvara slika koja prilično odgovara onome što u stvarnosti vidimo. Zdrava vegetacija se pojavljuje u zelenoj boji, dok je usjev pred žetvu, pod napadom patogena, korova ili uslijed stresa u žutim ili smeđim nijansama. Golo tlo 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 umjesto crvenog jer se zeleni pokazao kao osjetljiviji na hlorofil od crvenog dijela spektra. Formula za izračun indeksa glasi GNDVI=(NIR-Green)*(NIR+Green). 

GCI indeks (eng. Green Chlorophyll Vegetation Index) se koristi za procjenu sadržaja hlorofila u biljkama. Uz njegovu je pomoć moguće pratiti sezonske promjene u vegetaciji. Također, moguće je detektirati stres biljaka usred nepovoljnih uvjeta. Formula za izračun je GCI=NIR/Green-1.

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