ТГАСУ. Современные геопространственные технологии в мониторинге Земли и объектов недвижимости. Практическая работа № 3 Расчет и создание карты вегетационного индекса NDVI по данным космоснимков Landsat 8

Выполнена Практическая работа № 3. Расчет и создание карты вегетационного индекса NDVI по данным космоснимков Landsat 8 по дисциплине "Современные геопространственные технологии в мониторинге Земли и объектов недвижимости"

Практическая работа № 3

Расчет и создание карты вегетационного индекса NDVI по данным космоснимков Landsat 8

Работа посвящена расчету вегетационного индекса NDVI и извлечению информации о земной поверхности на его основе. NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) - нормализованный относительный индекс растительности - показатель количества фотосинтетически активной биомассы или жизненного состояния растительности. NDVI – один из самых распространенных и используемых индексов для решения задач, использующих количественные оценки растительного покрова. Вычисляется по следующей формуле:

NDVI = (NIR-RED)/(NIR+RED)

где,

NIR - отражение в ближней инфракрасной области спектра RED - отражение в красной области спектра Согласно этой формуле, плотность растительности (NDVI) в определенной точке изображения равна разнице интенсивностей отраженного света в красном и инфракрасном диапазоне, деленной на сумму их интенсивностей. Высокая фотосинтетическая активность (связанная, как правило, с густой растительностью) ведет к меньшему отражению в красной области спектра и большему в инфракрасной. Отношение этих показателей друг к другу позволяет четко отделять и анализировать растительные объекты от прочих объектов.

Для отображения индекса NDVI используется стандартизованная непрерывная градиентная или дискретная шкала, показывающая значения в диапазоне от -1 до 1.

В таблице 1 приведены приблизительные значения NDVI для отдельных типов объектов

Таблица 1. Приблизительные значения NDVI

Задание:

1. Исходными данными для выполнения данной работы являются космоснимки спутника Landsat 8 на территорию Калининградской области в красном (В4) и инфракрасном (В5) диапазонах. Они находятся в папках В4 и В5 соответственно.

2. Откройте программу QGis и загрузите картографическую основу OSM: на верхней панели инструментов QGis расположена панель инструментов модуля QuickMapServises, нажмите на кнопку с изображением глобуса с плюсом и из выпадающего списка выберите OSM – OSM Standard.

3. Загрузите в проект QGis космоснимки из папки B4. Поскольку файлы уже имеют пространственную привязку, они корректно разместятся на картографической основе.

4. Объедините загруженные изображения в единый слой с помощью инструмента Растр – Прочее – Результат. В открывшемся окне выберите Исходные слои и отметьте галочками все загруженные слои кроме слоя с подложкой.

Выберите каталог для сохранения объединенного слоя и введите его имя «B4», тип файла – tif, иначе создастся временный слой, который не сохранится в проекте после его закрытия.

Нажмите «Выполнить». Появится новый слой B4.

5. Удалите слои, из которых был создан слой В4.

6. Загрузите в проект QGis космоснимки из папки B5 и повторите процедуру объединения изображений через меню Растр – Прочее – Результат, создав из 4 загруженных снимков новый слой B5.

7. Удалите слои, из которых был создан слой В5. В проекте должен остаться слой карты-подложки и созданные слои В4 и В5.

8. Слои В4 и В5 являются изображениями, несущими в себе информацию об отражающих свойствах земной поверхности в красном и инфракрасном диапазоне и покрывают территорию Калининградской области. Данные изображения являются одноканальными, а их диапазоны позволяют рассчитать вегетационный индекс NDVI.

9. Для расчета NDVI зайдите в меню Растр-Калькулятор растров (Raster Calculator). В открывшемся окне введите формулу для расчета NDVI (выбирайте значения каналов двойным кликом), зная, что В4 соответствует красному, а В5 инфракрасному каналу: (В5-В4)/(В5+В4). Введите также путь и название выходного растра NDVI и нажмите ОК.

Появился новый слой NDVI с диапазоном значений от -1 до 1.

10. Зайдите в свойства слоя NDVI на вкладку «Стиль». Как видите, сейчас изображение имеет тип «Одноканальное серое», смените его на «Одноканальное псевдоцветное». Выберите любой градиент и классифицируйте изображение на 7 классов. Оформите цветовую шкалу ориентируясь (примерно) на цветовую шкалу NDVI и значения в таблице 1: -1 – черный, 0 – синий (водные объекты), 0,15 – коричневый (открытая почва), 0,3 – желтый (редкая растительность), 0,5 – светло-зеленый (растительность средней густоты), 0,7 – темно-зеленый (густая растительность), 1 – черный (очень густая растительность). Нажмите ОК.

11. Перед вами растровое изображение индекса NDVI, по которому можно анализировать состояние растительности и количество фотосинтетически активной биомассы, а также довольно четко дифференцировать воду от суши, даже не смотря на то, что вода в Куршком и Калининградском заливах имеет высокую степень мутности, что проявляется в желто-коричневых разводах на синей поверхности.

12. Для того, чтобы оконтурить Калининградскую область загрузите в программу векторный файл Regions.shp, содержащий административное деление России. Полигон с границами Калининградской области отобразился поверх слоя NDVI.

13. Зайдите в таблицу атрибутов слоя Regions нажав правой кнопкой на названии слоя, пункт выпадающего меню «Открыть таблицу атрибутов». В атрибутивной таблице находятся 2 поля – название административной единицы и ее принадлежность к федеральному округу.

14. Упорядочите поле NAME по алфавиту и с помощью кнопки Карандаш активируйте режим редактирования атрибутивной таблицы. Удалите все строки кроме Калининградской области и выйдите из режима редактирование сохранив изменения. Теперь в атрибутивной таблице слоя Regions только одна запись.

15. Обрежьте слой NDVI по контуру слоя Regions с помощью Растр – Извлечение – Обрезать растр по маске. В качестве исходного слоя установите слой NDVI в качестве слоя маски Regions.

Укажите путь сохранения файла и его имя «Калининград». Выполните запрос.

16. Появился новый слой Калининград, обрезанный по границам Калининградской области и содержащий информацию об NDVI. Учитывая диапазон значений слоя Калининград адаптируйте для него цветовую схему слоя NDVI, например, следующим образом: 0 – синий, 0,15 – коричневый, 0,3 – желтый, 0,4 – светло-зеленый, 0,5 – средне зеленый, 0,6 – темно-зеленый, 0,7 – черный, отрицательные значения можно не использовать, поскольку в данном случае они не информативны.

17. Визуализируйте созданную карту как конечный продукт. Отключите все слои кроме слоя Калининград. Зайдите в меню Проект – Создать макет, введите имя макета «Калининградская область».

18. В появившемся окне зайдите в меню «Добавить объект» и укажите «Добавить карту», выделите на листе область добавления карты, оставив справа место для легенды. Для перемещения содержимого элемента пользуйтесь кнопками «Выбрать/переместить элемент», «Перемещение содержимого элемента».

19. Аналогично добавьте легенду. В свойствах элемента Карта 1 установите масштаб карты 1800000. В свойствах элемента Legend отключите автообновление (Auto update) и удалите лишние элементы легенды, измените название слоя «Калининград» на «NDVI», также измените размер текста легенды раскрыв пункт «Fonts and text formatting», установите размер текста в пунктах Subgroup headings – 25, Item labels – 20. С помощью инструмента Текст напишите название карты «NDVI Калининградской области», размер текста – 40.

20. Сохраните карту как изображение png через меню Макет – Экспорт. Закройте окно создания макета и сохраните проект.