بررسی جامع شاخص های طیفی در سنجش از دور | بررسی 2 نکته مهم

شاخص های طیفی در سنجش از دور

در یک تعریف ساده می توان گفت " شاخص ها مجموعه ای فرمول های ریاضی هستند که با هدف بارزسازی یک پدیده ی سطح زمین، بر روی دو یا بیش از دو باند یک تصویر چند طیفی یا فرا طیفی اعمال می شود. شاید این تعریف برای افرادی که تسلط کافی بر مباحث پایه سنجش از دور ندارند کمی سخت و غیر قابل فهم باشد. به همین دلیل برای شروع یادگیری شاخص های طیفی در سنجش از دور بهتر است فیلم آموزشی ابتدای این پست که از دوره آموزش سنجش از دور گرفته شده است را مشاهده کنید. برای مشاهده فیلم آموزش شاخص های طیفی کلیک کنید.

پست های مشابه:

•  ndwi چیست ؟
• ndvi چیست؟

 

شاخص طیفی چیست ؟

اصول استفاده از شاخص های طیفی بر مبنای یک مبحث پایه به نام جذب طیفی بنا نهاده شده است. بدون داشتن اطلاعات کافی در مورد این مبحث قادر نخواهید بود که شاخص ها را درک کنید. بنابراین ابتدا به معرفی کوتاهی از جذب طیفی می پردازیم.

 

جذب طیفی

بیایید نگاه کوتاهی به رنگ قرمز یک گل بندازیم. واقع دلیل رنگ قرمز گل چیست؟ جواب در درک جذب طیفی نهفته است. تقریبا همه ی ما میدانیم که آنچه ما به عنوان رنگ می بینیم حاصل برهمکنش موج الکترو مغناطیس با سلول های چشم ما است. موج الکترو مغناطیس که شامل محدوده ای از طول موج گاما (بیشترین انرژی) تا امواج رادیویی (کمترین انرژی) می باشد، اولین مبحثی است که تقریبا در تمام مباحث سنجش از دور وجود دارد. بنابراین بهتر است که به طور کامل به آن مسلط باشید. ویژگی های موج الکترومغناطیس در تصویر زیر آورده شده است.

 

همانطور که در تصویر بالا آورده شده است، چشم ما صرفا توانایی مشاهده و درک بخش مرئی موج الکترومغناطیس را دارد. بنابراین هر موجی در خارج از این محدوده برای ما قابل مشاهده است. این بخش خود به سه بخش (باند) قرمز، سبز و آبی تقسیم می شود. باند آبی از 0.4 میکرومتر تا 0.5 میکرومتر، باند سبز از 0.5 تا 0.6 میکرومتر و باند قرمز نیز محدوده 0.6 تا 0.7 میکرومتر را شامل می شود. 

حال بیایید نگاهی مجدد به رنگ قرمز یک گل بندازیم. هنگامی که موج الکترومغناطیس ساطع شده از خورشید (نور) به یک گل یا هر پدیده ی دیگر بر خورد می کند، آن پدیده بخشی از موج را بازتاب می دهد، بخشی را جذب می کند و ممکن است بخشی دیگر را از خود عبور دهد. این ها حالت های عمده برهمکنش موج الکترو مغناطیس با پدیده های اطراف ما می باشد. در ارین راستا دو نکته بسیار مهم هستند.

1. برهمکنش پدیده (گل) با طول موج های مختلف متفاوت است.
2.  برهمکنش پدیده ها در یک طول موج یکسان متفاوت است.

حال نیاز است تا دو نکته فوق را کمی بازتر کنیم. در مورد نکته اول باید گفت که، این نکته دلیل اصلی رنگ متفاوت پدیده ها می باشد. هنگامی که طول موج آبی به یک جسم بر خورد می کند، رفتار پدیده در مورد آن طول موج نسبت به زمانی که طول موج قرمز به همان پدیده برخورد می کند، کاملا متفاوت است. به این معنی که ممکن است طول موج قرمز را جذب کند و طول موج آبی را بازتاب دهد. و یا قرمز را بازتاب و آبی را جذب کند.

با توجه به این نکته واضح است که یک گل قرمز رنگ موج های آبی و سبز را جذب کرده و قرمز را بازتاب می دهد.این دقیقا همان دلیلی است که ما یک گل را قرمز می بینیم. بر اساس اسن نکته اگر یک نمودار میزان بازتاب بر اساس طول موج برای یک گل رسم کنیم، نمودار زیر را خواهیم داشت.

اما در مورد نکته دوم می توان گفت یک پدیده می تواند طول موج قرمز را جذب و یک پدیده دیگر طول موج قرمز را بازتاب دهد. این نکته دلیل تفاوت رنگ پدیده ها می باشد. دو گل یکی با رنگ سبز و یکی با رنگ آبی را در نظر بگیرید، دلیل رنگ سبز اولین گل بازتاب باند سبز و جذب باندهای آبی و قرمز و دلیل رنگ آبی دومین گل جذب باندهای قرمز و سبز و بازتاب باند آبی توسط این گل می باشد.

 در یک کلام ساده در محدوده ها یا باندهایی از طول موج الکترومغناطیس که میزان بازتاب موج توسط پدیده بسیار کم می شود و یا به عبارتی دیگر با فرورفتگی در نمودار طیفی پدیده (شکل بالا) مواجه می شویم، می توانیم بگوییم که جذب اتفاق افتاده است. حال که با پدیده جذب آشنا شدیم، می توانیم وارد مبحث شاخص های طیفی شویم.

 

منطق شاخص های طیفی

همانطور که قبلا عنوان شد، شاخص های طیفی در سنجش از دور روابط ریاضی ساده ای هستند که بر روی باند های یک سنجنده اعمال می شود و در نهایت موجب بارز شدن یک پدیده (به طور مثال پوشش گیاهی ) می شود. برای درک نحوه عملکرد شاخص ها دو پدیده را بررسی می کنیم. برای این کار نمودار طیفی یک پیکسل را برای خاک و پوشش گیاهی را در محدوده باندهای مرئی و NIR در نظر می گیریم. برای این دو پدیده اعداد رقومی زیر برای چهار باند مورد نظر ثبت شده است.

مثال : [B, G, R, NIR]

پوشش گیاهی: [200, 32, 180, 25]

خاک لخت: [ 63,  60,  45, 40]

 

همانطور که از اعداد ثبت شده برای پوشش گیاهی مشخص  است، این پدیده باند آبی و قرمز را جذب کرده (با توجه به اعداد کوچکتر) و باندهای سبز و NIR را بازتاب داده است. اما برای خاک لخت نمی توان جذب خاصی را مشاهده کرد. در واقع در این باندها رفتار تقریبا یکسانی داشته است. با استفاده از این ویژگی خاص پوشش گیاهی، می توان آن را بارز کرد. نمودار طیفی خاک و پوشش گیاهی را در تصویر زیر می توانید مشاهده کنید.

 

انواع شاخص های طیفی

ما با انواع شاخص های طیفی در سنجش از دور مواجه هستیم که در این مقاله یکی از آن ها را به طور کامل شرح می دهیم و بقیه را صرفا معرفی می کنیم.

 

1_ شاخص طیفی تفاوت نرمال شده

این شاخص که با عنوان normalized differenced شناخته می شود، از جمله معروف ترین و رایج ترین شاخص موجود می باشد. به طور کلی می توان گفت که برای پیاده سازی یک شاخص طیفی ما به یک باند بازتابی و یک باند جذبی نیاز داریم. به این معنی که شما ابتدا باید نمودار طیفی پدیده مورد نظر (گیاه، خاک، آب و سایر پدیده های موجود) را بررسی کنید و یک باند یا محدوده جذبی در آن پدیده را مشخص کنید. سپس به سراغ سنجنده های در دسترس بروید و ببینید که کدام سنجنده می تواند این باند را ثبت کند (در دوره آموزش انوی در مورد این مبحث به طور کامل صحبت کرده ایم).

شاخص طیفی تفاوت نرمال شده بر اساس فرمول زیر عمل می کند. در این فرمول B همان باند، x شماره باند بازتابی و y شماره باند جذبی می باشد.

( Bx + By ) / (Bx - By)

 

به شکل ساده تر می توان این فرمول را به شکل زیر نیز نوشت.

(باند جذبی + باند بازتابی) / (باند جذبی - باند بازتابی)

 

این شاخص به سادگی می تواند بیشتر انواع پدیده ها را برای شما بارز کند. حال بیایید بر اساس اعداد رقومی آورده شده برای پوشش گیاهی و خاک از این شاخص استفاده کنیم. پیش تر گفتیم که از باندهای جذبی و بازتابی برای بارز کردن یک پدیده استفاده می کنیم. برای پوشش گیاهی واضح است که باند NIR باند بازتابی و باند R باند جذبی برای پوشش گیاهی می باشد. 

برای پوشش گیاهی و خاک لخت و با جای گذاری اعداد باند ها برای یک پیکسل فرمول زیر را خواهیم داشت:

vegetation > ( 200 - 32 ) / (200 + 32 ) = 0.7

soil > ( 63- 60) / (63+ 60) = 0.02

 

واضح است که عدد 0.7 بسیار بزرگتر از 0.02 است. بنابراین عدد رقومی پیکسل خروجی برای پوشش گیاهی بسیار روشن تر از پیکسل خروجی برای خاک خواهد بود. باید دقت کنید که خروجی شاخص یک باند است که اعداد رقومی هر پیکسل حاصل فرمول ریاضی شاخص به کار رفته می باشد.

 

2_ سایر شاخص ها

جدا از شاخص تفاوت نرمال شده ما با شاخص های دیگری نیر مواجه هستیم که فرمول آن ها متفاوت از شاخص تفاوت نرمال شده است، اما منطق آن ها یکسان است. در تصویر زیر می توانید چند شاخص دیگر را نیز مشاهده کند.