2.4.1. Khái niệm chỉ số thực vật
Chỉ số thực vật là một trong các chỉ số vật lý mà ta có thể tính từ các băng phổ ảnh viễn thám. Chỉ số thực vật được dùng vào nhiều mục đích ứng dụng khác nhau như đánh giá độ che phủ của thực vật, đánh giá sinh khối, dự báo mùa màng, dự báo khô hạn…
Trong một số nghiên cứu khác dùng dữ liệu vệ tinh thì chỉ số thực vật thường được sử dụng như một thông tin bổ sung cho các thông tin chiết xuất từ các băng phổ ảnh gốc nhằm hoặc để tăng cường độ chính xác của các phép phân loại, hoặc tăng độ tách biệt các đối tượng mà ta cần phân biệt trên tư liệu ảnh vệ tinh.
2.4.2. Cơ sở vật lý của chỉ số thực vật
Hiện nay, có rất nhiều chỉ số thực vật trong các tài liệu về viễn thám. Đó là kết quả của các nghiên cứu có mục đích khác nhau với các cơng thức tính khác nhau rất phức tạp được xây dựng qua thực nghiệm. Tuy nhiên, mọi cách tính đều dựa vào các đặc tính phổ của thực vật, vào phương thức thu nhận tín hiệu phổ của bộ cảm trên vệ tinh và có tính đến đến ảnh hưởng của khí quyển đến q trình thu nhận ảnh của vệ tinh.
Về cơ bản, các cơng thức tính chỉ số thực vật đều dựa vào đặc trưng phổ của thực vật ở dải sóng màu đỏ và cận hồng ngoại. Như chúng ta đã biết, thực vật phản xạ yếu trong dải sóng màu lam. Vì vậy, người ta khơng dùng băng phổ này để tính chỉ số thực vật. Trong khi đó, phản xạ của thực vật trong dải sóng màu lục lại mạnh hơn rất nhiều và có khả năng tách biệt thực vật. Tuy nhiên, băng phổ thuộc dải sóng này cũng ít khi được dùng dể tính chỉ số thực vật do ảnh hưởng của khí quyển ở dải sóng này là khá lớn. Các băng phổ ở dải sóng màu đỏ và cận hồng ngoại là các băng phổ được sử dụng để tính chỉ số thực vật. Tại các dải sóng này, bức xạ ít chịu ảnh hưởng của điều kiện khí quyển. Dải sóng màu đỏ trùng với vùng hấp thụ mạnh. Ngược lại, dải cận hồng ngoại lại phản xạ rất mạnh. Nhờ sự khác biệt về tính chất phản xạ này mà dải sóng màu đỏ và cận hồng ngoại cho phép nâng cao đáng kể khả năng tách biệt thực vật.
Một đối tượng quan trọng liên quan đến thực vật là đất cũng được sử dụng có tính tham chiếu để tách biệt thực vật. Phản xạ của đất trống tăng dần một cách tuyến tính ở các dải sóng và tạo nên một đường thẳng gọi là đồ thị của đất (Soil Line).
Hình 2.1: Đồ thị đất (Soil line)
Trên đồ thị này, thực vật ln nằm ở phía băng phổ ảnh của giải sóng đỏ hoặc cận hồng ngoại và nước thì ngược lại ln nằm ở phía băng phổ ảnh của giải sóng màu đỏ. Ta có thể dùng đồ thị đất làm đường cơ sở để đối chiếu, biến đổi các chỉ số thực vật. Đặc biệt, một khi độ ẩm của đất trở thay đổi và thành một yếu tố ảnh hưởng đến chỉ số thực vật. Giá trị xám độ của đất giảm dần khi độ ẩm hoặc hàm lượng hữu cơ trong đất tăng lên và ứng với các pixel nằm ở sát với gốc hệ toạ độ phổ.
2.4.3. Cơng thức tính chỉ số NDVI
Đây là chỉ số thực vật thường do Rouse et al., 1974 đề xuất và hay được sử dụng nhất trong thực tế.
Cơng thức tính chỉ số NDVI như sau:
NDVI = (NIR - Red)/(NIR + Red)
Trong đó: NIR là băng phổ cận hồng ngoại (Near InfraRed); Red là băng phổ thuộc bước sóng màu đỏ.
Cách chuẩn hố bằng cách tính tổng của hai băng phổ nói trên nhằm giảm thiểu hiệu ứng chiếu sáng và ảnh hưởng của địa hình (Bariou et al., 1985). Chỉ số này không tương quan tuyến tính với mật độ sinh khối mà nó tương quan với mật độ thực vật xanh theo hàm mũ và đạt mức bão hoà khi thực vật đạt độ che phủ cao. Điều này cho phép sử dụng chỉ số NDVI trong đánh giá các lớp phủ thực vật thưa thớt (Holben,1986). Cũng với những lý do vừa nêu, NDVI khơng có ý nghĩa lớn trong việc đánh giá lượng nước trong các thực vật có mật độ cao.
Cũng như mọi chỉ số khác NDVI cũng rất nhạy cảm với điều kiện khí quyển. Mặc dù, có những hạn chế nêu trên nhưng chỉ số NDVI vẫn là chỉ số được sử dụng nhiều trong các ứng dụng khác nhau. Hiện nay, nhiều cơ quan nghiên cứu, đặc biệt là cơ quan khí quyển và hải dương quốc gia của Mỹ (NOAA), cơ quan không gian Mỹ NASA đang sử dụng NDVI chiết xuất từ dữ liệu AVHRR của hệ thống vệ tinh NOAA và dữ liệu MODIS của hệ thống Terra, Aqua vào theo dõi diễn biến lớp phủ thực vật toàn cầu và các ứng dụng liên quan khác. Do tính chất nhạy cảm với độ che phủ thực vật mà NDVI cũng hay được dùng như một băng phổ ảnh bổ sung trong phân loại ảnh số nhằm tăng độ chính xác của phép phân loại.
Chỉ số NDVI có giá trị lý thuyết là từ -1 đến +1.
2.4.4. Phương pháp xử lý dữ liệu NDVI
Dữ liệu MODIS khu vực Tây Nguyên năm 2012 được thu nhận từ nguồn cung cấp của NASA, do trung tâm Land Processes Distributed Active Archive Center (LPDAAC) phân phối (http://earthexplorer.usgs.gov).
Trong nghiên cứu này, dữ liệu MODIS được sử dụng là bộ dữ liệu ảnh MODIS phản xạ bề mặt tổ hợp 16-ngày chuẩn của trung tâm LP DAAC, được nhận từ vệ tinh Aqua và Terra đã được xử lý tới mức 3.
Ở mức này, dữ liệu đã được sơ bộ lọc mây bằng thuật toán của NASA chọn lọc ra kết quả quan trắc tốt nhất trong 16-ngày liên tiếp đối với từng ô ảnh (pixel). Điều này giúp giảm bớt hoặc loại bỏ mây đặc biệt quan trong đối với vùng nhiệt đới như Việt Nam. Mỗi ảnh lấy ra 2 kênh gồm kênh 1 – phổ sóng đỏ có tâm quang phổ là 645nm và kênh 2 – phổ sóng hồng ngoại gần có tâm quang phổ là 858nm với độ phân giải không gian là 250m và đã được đưa về hệ tọa độ Sinusoidal toàn cầu.
Bộ dữ liệu này đã được xử lý theo quy trình chuẩn của NASA (như hiệu chỉnh bức xạ, hiệu chỉnh hình học, lọc mây và tạo tổ hợp 16-ngày… - Vermote, el al.,1997).
Các ảnh MODIS tổ hợp 16-ngày được tải về máy, sau đó được xử lý qua các bước xử lý ảnh (chuyển hệ tọa độ, hiệu chỉnh hình học, cắt ảnh theo khu vực nghiên cứu, lọc mây, lọc nhiễu…) và tính tốn chỉ số thực vật NDVI trên từng ảnh.
CHƯƠNG 3. TÍCH HỢP VIỄN THÁM VÀ GIS PHÂN TÍCH MỐI TƯƠNG QUAN GIỮA NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT, ĐỘ ẨM KHƠNG KHÍ VÀ
LỚP PHỦ THỰC VẬT NĂM 2012