Analiza modului de utilizare a terenurilor in Judetul Giurgiu, Indicele NDVI

Rezumat: Indicele NDVI reprezintă o funcţie a programului ENVI care calculează pe baza imaginilor multispectrale consistenţa vegetaţiei verzi, folosind benzile 4 (infraroşul apropiat) si 3 (roşul). Valorile indicelui normalizat al vegetaţiei sunt cuprinse intre -1 (lipsa vegetaţiei) si 1 (vegetaţie densă)

S-a calculat pe suprafaţa judeţului Giurgiu indicele NDVI folosind imagini multispectrale Landsat 4-5 TM, obţinute în lunile de vara, începand cu anul 1984 până în 2011, cu o diferenţă temporară de aproximativ 10 ani între datele înregistrării, când plantele aveau un conţinut ridicat de clorofilă, unde am identificat diferenţe majore influenţate de condiţiile de mediu.

Cuvinte cheie: Landsat TM, ENVI, GIS, NDVI, imagini satelitare, imagini multispectrale, consistenţa vegetaţiei verzi, Giurgiu, indicele normalizat al vegetaţiei, benzi spectrale.

Indicele normalizat de diferenţiere a vegetaţiei (NDVI) este introdus in literatura de Rouse în anul 1973, având intenţia de a cartografia pe baza imaginilor satelitare ERTS (prima generaţie de imagini Landsat) vegetaţia de Câmpie din SUA. Prima formula a avut in vedere evidenţierea signaturilor spectrale ale vegetaţiei în infraroşul apropiat (zona spectrala in care clorofila are reflectanţa cea mai mare), in raport cu cea din zona roşului (in care radiaţiile luminoase sunt absorbite de clorofilă, fapt pentru care ea impune culoarea verde a vegetaţiei sănătoase, aflate in plin sezon).

ENVI - indicele NDVI

Fig.1; Consistenţa vegetaţiei verzi cuprinsă între valorile -1 si 0.70 în judeţul Giurgiu, luna August, anul 2011

Formula aplicabilă a imaginilor Landsat TM, este bazată pe utilizarea aceloraşi benzi spectrale (banda 4 reprezintă infraroşul apropiat, iar banda 3, roşul), din care rezultă posibilitatea cuantificării la nivel de pixel a valorilor NDVI între -1 si 1, ce reprezintă in fapt consistenţa vegetaţiei verzi (gradul de sanogeneza, gradul de dezvoltare), astfel valoarea 1 reprezintă consistenţa maximă a vegetaţiei ce este specifică pădurilor de foioase dense, valoarea 0 este atribuită terenurilor cu pajişti, cu vegetaţie redusă, în timp ce minima de -1 reprezintă terenul lipsit de vegetaţie, unde roca sau solul apar la zi, această valoare se inregistrează în arealul terenurilor proaspăt arate.Valorile cuprinse între 0.2 si 0.8 indică vegetaţia verde. Datorita limitării rezoluţiei spaţiale la 30 m a imaginilor Landsat multispectrale, aceaste limite sunt greu de atins, deoarece determinarea NDVI se relaizează la nivel de pixel, ceea ce semnifică o eterogenitate evidenta a terenului ce corespunde celulei.

Formula în ansamblu exprima diferenţierea signaturilor spectrale la limita vizibilului (roşu) cu infraroşul (infraroşul apropiat), indicele NDVI fiind definit prin următoarea ecuaţie:NDVI – indicele normalizat de diferenţiere al vegetaţiei.

NIR – Banda spectrală infraroşul apropiat (Near Infra Red – banda 4 Landsat TM)

Red – Banda spectrală roşu (vizibil, Red – banda 3 Landsat TM)

În cazul în care utilizăm alte imagini de teledetecţie cum ar fi ASTER, SPOT, MSS, etc. formula se poate adapta, în acest caz numerotarea benzilor spectrale se modifică, însa important este realizarea corespondenţelor dintre benzile ce corespund infraroşului apropiat si roşului, astfel vom folosii diferite benzi în funcţie de imaginile utilizate, pentru imagini TM si ETM+ utilizăm benzile 4(IR) si 3(Red), în cazul imaginilor MSS, benzile 7(IR) şi 5(Red), imaginile AVHRR au corespondente benzile 2(IR) şi 1(Red), pentru cele SPOT banda 3 (IR) şi banda 2 (Red), iar AVIRIS benzile 51(IR) şi 29 (Red). Ideale sunt cele cu rezoluţii mari la care exista posibilitatea unor determinări detaliate.

Indicele NDVI este utilizat pentru un mare număr de propietăţi ale vegetaţiei, acesta ajută la calcularea indexului suprafeţei ocupate de frunze, concentraţia de clorofilă din frunze, productivitatea plantelor, fracţia de acoperire cu vegetaţie si cantitatea de apă acumulată.

Acest indice a influenţat apariţia unui număr mare de indici alternativi si derivaţi, aşa cum sunt: Indicele Sol-Vegetaţie Ajustat, Indicele de Vegetaţie Perpendicular, Indicele de Rezistenţă Atmosferică a Vegetaţiei, etc. Fiecare trebuie sa includă corecţii intrinseci pentru unul sau mai mulţi factori perturbatori.

Pentru a analiza modul de utilizare al terenurilor din judeţul Giurgiu am folosit imagini satelitare Landsat 4-5 TM ce au fost înregistrate pe o perioadă de 27 de ani începand cu anul 1984 până în anul 2011. S-a incercat obţinerea imaginilor cu  diferenţă temporara de apoximativ 8-10 ani, astfel am obţinut imagini din anii 1984, 1994, 2003 şi 2011 din lunile iulie şi august. Cu ajutorul acestora am calculat indicele normalizat al vegetaţiei. Interpretarea presupune delimitarea arealelor cu tonuri de culoare diferite, ce semnifică caracteristici ale vegetaţiei.

 

Judetul Giurgiu

Fig.2; Indicele normalizat al vegetaţiei calculat pe suprafaţa  judeţului Giurgiu în luna August, 2011

Pe harta rezultată din fig.2, în urma procesării imaginilor Landsat TM se observă areale diferenţiate prin tonuri de culoare ce semnifică caracteristici ale vegetaţiei, de la lipsa acesteia până la vegetaţie foarte densă.

Valorile cele mai mari ale NDVI se apropie de 1, mai exact 0.70 şi sunt reprezentate prin tonuri de culoare verde închis. Acestea sunt asociate celor mai consistente păduri şi totodată celor mai sănătoase, având în vedere şi fenofaza (luna august 2011). Este cazul pădurilor de foioase, stejar, carpen, ulm, tei etc, care prin frunzişul abundent reflectă puternic radiaţii infraroşii şi le absoarbe pe cele roşii.

Se observă, în urma analizării harţii, faptul că vegetaţia densă nu are o acoperire foarte largă in arealul judeţului Giurgiu, regăsindu-se în mare parte în NV (Pădurea Căscioarele) şi SE (Pădurea Comana).

Vegetaţia moderată este reprezentată de culoarea verde deschis, ea poate fi asociată livezilor sau culturilor agricole aflate în plină fenofază în luna august cum ar fi porumbul, rapiţa, dar şi culturile viticole sau fâneţe. În anul 2011, luna august, pe hartă, vegetaţia moderata apare răspândită în tot arealul studiat, dar cu valori mai scăzute in SV.

Terenurile cu vegetaţie redusă sunt caracterizate prin valori mici de 0.25 ale indicelui NDVI şi indicate prin culoarea galben. Vegetatia redusă din luna august poate fi asociată cu miriştile rezultate în urma recoltării păioaselor, cu pajiştile utilizate pentru păşunat sau cu terenurile acoperite cu fâneţe, ce au fost cosite. Densitatea mare a acestui tip de vegetaţie o regăsim in SV judeţului unde culturile de păioase sunt mai numeroase şi mai puţin în N.

Lipsa vegetaţiei de orice tip, a clorofilei este reprezentată prin culoarea maro (valoare -1), exprimă solul sau roca la zi ce absorb mai mult infraroşul apropiat. Sunt bine exprimate terenurile proaspăt arate, dezgolite de vegetaţie si zonele construite. În SV acest tip este evidenţiat cel mai bine, dar se poate observa foarte clar şi pe cursul Dunării, unde apa este redata sub aceeaşi culoare.

Pentru anul 2003 am folosit pentru obţinerea indicelui NDVI trei imagini satelitare Landsat 4-5 TM pentru acoperirea suprafeţei studiate, două imagini aparţin lunii august, iar in estul judetului este obţinută în luna iulie, imaginile multispectrale din luna august nu pot fi folosite datorită calitaţii inferioare.

Judetul Giurgiu

Fig.3; Indicele normalizat al vegetaţiei calculat pe suprafaţa  judeţului Giurgiu în luna August şi Iulie, 2003.

Indicele normalizat al  vegetaţiei prezintă diferenţe majore faţă de cel procesat după datele satelitare obţinute in anul 2011, vegetaţia densa aproape că lipseşte, observându-se o mica parte in lunca Dunării, unde terenurile agricole sunt irigate. Aceasta lipsă  şi cresterea excesiva a terenurilor fara vegetaţie este cauza secetei prelungite ce a existat in Romania in intervalul 2000-2003.

Vegetaţia moderată apare în lungul Dunării, în zonele împădurite şi acolo unde terenurile agricole au fost irigate. În părţile unde nu s-a intervenit prin irigaţii vegetaţia este redată prin culoarea galben , ce semnifica vegetaţie redusă, iar culoarea maro semnifica lipsa vegetaţiei ce a crescut alarmant datorita secetei.

Pentru a stabilii indicele normalizat al vegetatiei la nivelul anului 1994 am utilizat imagini satelitare obţinute în lunile iunie si iulie, imaginile din luna august nu au putut fi folosite datorită condiţiilor meteorologice nefavorabile, prin acoperirea arealului cu nori, ceea ce duce la calitatea forte slabă a acestor date şi le face imposibil de utilizat.

Judetul Giurgiu

Fig.4; Indicele normalizat al vegetaţiei calculat pe suprafaţa  judeţului Giurgiu în lunile Iunie si Iulie, 1994

În urma procesării imaginilor satelitare în vederea obţinerii indicelui NDVI a rezultat harta din fig.4. Utilizând imagini din luni diferite gradul de dezvoltare al plantelor nu a fost acelaşi, prin analizarea indicelui NDVI se observa diferenta, analiza se va face in paralel, ţinând cont de lunile în care au fost obţinute datele satelitare.

În mare parte judeţul Giurgiu se regăseşte în imaginea din luna iunie, atunci când prin calculu NDVI vegetaţia densa lipseşte, aparând doar în zona în care am utilizat imagini din luna iulie.

Vegetaţia moderata (verde deschis)  este caracteristică pădurilor de foioase în luna iunie, iar cu o luna mai târziu, o regăsim şi în culturile agricole. În cazul vegetaţiei reduse (galben), la fel ca şi la celelalte clase stabilite, apare o diferenţă datorită neconcordanţei temporare dintre imagini, astfel în luna iunie prezintă o densitate foarte mare, pe când în iulie aceasta scade, fiind influenţată de dezvoltarea plantelor. Lipsa vegetaţiei (maro) se regăseşte în areale mai mari în luna iunie, reprezentată de terenuri agricole necultivate, ape, localităţi etc., în iulie apare doar în anumite părţi unde încă nu s-a cultivat nimic.Nu trebuie omis faptul că între 1983 şi 1994 în Romania a fost o perioadă de secetă, ce a influenţat considerabil rezultatul indicelui NDVI.

Pentru anul 1984 am utilizat imagini Landsat 4-5 TM obţinute in luna august, de o calitate foarte bună, astfel harta rezultată în urma procesării datelor nu  prezintă erori.

Judetul Giurgiu

Fig.5; Indicele normalizat al vegetaţiei calculat pe suprafaţa  judeţului Giurgiu în luna August, 1984

Datorită condiţiilor climatice din anul 1984, vegetaţia densă nu este consistentă, apare doar in arealele irigate sau împădurite. Vegetaţia moderată o regăsim răspândită în tot judeţul, reflectându-se foarte bine in pădurile de foioase şi culturile agricole aflate în plină fenofaza.

Pe harta ce prezintă indicele normalizat al vegetaţiei din anul 1984 (ultima perioadă studiată) identificăm in SV lipsa în mare parte a vegetaţiei  moderate şi a vegetaţiei dense. Terenurile cu vegetaţie redusă, dar în special cele lipsite de vegetaţie ocupă suprafeţe foarte intinse. Acest aspect evidenţiază utilizarea terenurilor din nord-vestul municipiului Giurgiu pentru cultivarea plantelor care ajung la maturitate în lunile iunie şi iulie (păioasele).

În concluzie vegetaţia ce acoperă terenurile judeţului nu a fost constantă în lunile de vara în ultimii 27 de ani, cea densă aproape că lipseşte până în anul 2011, unde apare în special pe suprafeţele impădurite sau irigate, ceea ce denota lipsa vegetaţiei sănătoase şi a gradului mare de dezvoltare. Aceste harţi realizate arată perioadele de secetă ce au avut loc la nivelul României între anii 1983-1994 şi 2000-2003. Studiul realizat pe imagini multispectrale cu o diferenţa de timp de aproximativ 10 ani prezintă productivitatea scăzută a culturilor agricole, ţinând cont de suprapunerea judeţului pe o unitate de campie, cu soluri fertile şi drenata de un număr mare de râuri.

Bibliografie:

Bogdan A. M. Teledetectie volumul I, Introducerea in procesarea digitala a imaginilor, editura universitatii din bucuresti, Bucuresti

Constantin N., Notiuni de Teledetectie,Editura Universitatii din Bucuresti, Bucuresti

USGS, 2012, U.S. Geological Survey. online: http://www.usgs.gov/, data accesarii: 06.03.2012

GLCF, 2012, The Landsat Program, online:http://landsat.gsfc.nasa.gov/, data accesarii: 06.03.2012

You may also like...