1Indices de Vegetacin:Fundamentos y aplicacionesFundamentos y aplicaciones

Dr. Abel Calle Laboratorio de Teledeteccin de la Universidad de Valladolid

E-mail: abel@latuv.uva.es

Factores de la reflectividad de la vegetacin

Factores de reflectividad de la hoja. Pigmentos.Pigmentos. Estructura de la hoja. Humedad

Factores del dosel vegetal. Proporcin hoja / lignina / suelo Geometra de las hojas. ngulos de observacin.

2Curva caracterstica de la hoja

La vegetacin fotosintticamente activa presenta una muy bajareflectividad en la banda visible del espectro electromagntico (0.4 a0.7m), menor del 20%, presentando un mximo local pertenecienteal color verde (0.55m).

La respuesta espectral de la vegetacin

( )

En el infrarrojo cercanopresenta una alta reflectividad

con valores del 60% comenzando a partir de 0.7 m

y mantenindose prcticamente constante hasta

las 1.3 m.

3Factores en la reflectividad de las hojas verdes

Pigmentos Estructura Contenido de aguahoja celularj

20

30

40

50

60

% re

flect

ivid

ad

0

10

20

0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 (m)

Espectro de absorcin de la clorofila

4Estructura de la hoja

100

Reflectividad de algunas especies mediterrneas

30

40

50

60

70

80

90

Ref

lect

ivid

ad QuejigoBrezoJaraPastoRebollo

0

10

20

30

0.41 0.50 0.59 0.68 0.76 0.85 0.93 1.02 1.29 1.54 1.79 2.03 2.27 m

5Factores: Humedad de la hoja

50

60

10

20

30

40

% r

efle

ctiv

idad

142.148.90 0

FMC

00,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 (m)

0.0

Jara

Vaughan, 2001

Factores de la reflectividad del dosel vegetal

Propiedades espectrales de las hojas. Arquitectura de la planta (ngulo de lasArquitectura de la planta (ngulo de las

hojas, LAI, proporcin veg/suelo). Reflectividad del suelo. Geometra de observacin

Variaciones de la reflectividad con los ngulos de observacin (Kriebel, 1977).

6Arquitectura del dosel

Efecto de la existencia de varios

t t d h jestratos de hojas en la reflectividad efectiva de la vegetacin:I - incidenteR - reflejadoT - transmitido

(Adaptado de Belward, 1991)

ndice de rea foliar

Short, 2000

7Indices de vegetacinR

efle

ctiv

idad

(%) Vegetacin

Fotosintticamente activa

Suelo

Vegetacinenferma

20

40

60

R IR

00,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 m

IRC R

IRC/R

rea de Cabaeros

8Ventajas de los IV

Realzan la contribucin de la vegetacin en la respuesta espectral de las superficies.

Atenan otros factores: suelo, atmsfera, iluminacin,Atenan otros factores: suelo, atmsfera, iluminacin, topografa.

Sirven como variable de entrada para modelos bio-fsicos (rendimiento de cultivos, estrs hdrico, cobertura verde del suelo).

Permiten el seguimiento multitemporal de la vegetacin: Cambios. Dinmica fenolgica.

Sntesis de la informacin.

RATIO: rarroR

RRVI inf

Combinaciones entre bandas espectrales

rojoR

rojorarrojo RRDVI infDIFERENCIA:

DIFERENCIA rojorarro RRRVI inf1DIFERENCIANORMALIZADA: rojorarro

rojorarro

RRRVIRVINDVI inf

inf

11

9prximorojoiINDS inf* Clculo de la reflectancia a partir de los coeficientes de calibracin delsatlite.

La reflectancia de la superficie

prximorojoiINDS iii .inf,Transcurrido cierto tiempo: degradacin del sensorSi = Si(t) ; Ii = Ii(t); t = tiempo transcurrido desde el lanzamiento delsatlite.

Realizacin de la correccin atmosfrica. (Simulation of the

Stdetdet

e

secsvsvsavsg

ss

1

)()(),,(),(/

/*

Satellite Signal in the Solar Spectrum; Tanr et al., 1990).

R

Concepto de Lnea de suelo

Indices de vegetacin basados en la lnea de suelo

Di t i di l d l

bRaR rojosuelosuelo inf

Rinfrarrojo

Rrojo

12

inf

abRaRPVI

rojo

Distancia perpendicular delpxel a la lnea de suelo:Rinfrarrojo

Rrojo

bRaR rojoseloselo inf

PVI

10

SAVI (Soil Adjusted Vegetation Index).

Otros ndices

LLRR RRSAVI rojorarro rojorarro 1

inf

inf L=1 vegetacin escasa,L=0.5 vegetacin intermediaL = 0.25 vegetacin intensa.

)( RRbRR

Indices basados en el SAVI:

2

81212

;)1(

)(

inf2

infinf

inf

inf2

inf

inf

rojo

rojo

rojo

rojo

rojo

RRRRMSAVI

YRRRR

OSAVIaXbaRRa

bRaRaTSAVI

Determinacin del contenido de humedad

30

40

50

60

ctan

ce

142.148.9

0.0

FMCJara (from Vaughan, 2001)

30

40

50

60

ctan

ce

142.148.9

0.0

FMCJara (from Vaughan, 2001) Para utilizar la teledeteccin en la medida de la

humedad del combustible debera ser usado un sensor con bandas situadas en el SWIR.

La mayora de los estudios realizados utilizaron el sensor Landsat-TM que tiene 7 bandas, dos

de ellas situadas en la regin de inters: la

0

10

20

0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 (m)

% re

flec

0

10

20

0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 (m)

% re

flec

Reflectancia spectral de la Jara del bosque mediterrneo:

Dentro del intervalo de [1.6-2.0 m] es ms sensible

de ellas situadas en la regin de inters: la banda 5 [1.55-1.75 m] y la banda 7 [2.08-

2.35 m]. Sin embargo debe tenerse en cuenta que su perodo de revisita cercano a 16 das le

imposibilitan para la operatividad en tiempo real. Este era el nico sensor disponible en ese

rango espectral hasta que con el lanzamiento del NOAA-15, el sensor AVHRR fue modificado

para incluir, durante el da, una banda centrada en las 1.6 m; y posteriormente la puesta en

funcionamiento de MODIS tambin capacitado b d 1 6 d dcon una banda en 1.6 m adems de

incorporar la resolucin temporal de NOAA.El ndice ms conocido que incorpora la

informacin en el SWIR es el NDII, propuesto por los autores Hunt y Rock en 1989. Este

ndice responde a la ecuacin:SWIRNIR

SWIRNIRNDII

11

Indices de vegetacin de sensores hiperespectrales (I)

Derivada Primera de la reflectividad (o sea, la curva de R()/ en

funcin de ) presentar un pico

acentuado en el lmite rojoj

)( SSS baR La reflectividad del suelo (1):

Indices de vegetacin de sensores hiperespectrales (II)

32 )( VVVVV dcbaR El espectro total de reflectividad obtenido por un sensor sera la sumaponderada de suelo y vegetacin.

R() = F Rs() + (1 - F) Rv()

La reflectividad de la vegetacin (2):

( ) s( ) ( ) v( )F representa el porcentaje de suelo en la zona.

La derivada segunda

expresin en la que hemos conseguido eliminar por completo toda la influencia del suelo.

)62()1()(22

VV dcF

R

12

ndices mixtos ptico-trmicos

Relacin entre la TS y el NDVI para datos NOAA-AVHRR en primavera y verano (tomado de Kalluri et al., 1998).

SENSOR NOAA-AVHRRNOAA-AVHRR

( m)

Sensores y Bandas (I)

(m)Canal visible C1: 0.58 0.68

Canal Infrarrojo prximo C2: 0.725 1.1

1.6 m

Humedad del combustible

Resolucin espacial: 1.1 km en el nadir.Resolucin temporal: 1 imagen diaria en

perodo de mxima insolacin..

13

IRS-1C/WiFS

SENSOR IRS-1C/WiFS

Sensores y Bandas (II)

(m)Canal visible C1: 0.62 0.68

Canal Infrarrojo prximo C2: 0.77 0.86

R l i i l 188 l diResolucin espacial: 188 m en el nadir.Resolucin temporal: 5 das.

14

EL IRS-1C

AVHRR WiFS

LANDSAT-MSS

( )

LANDSAT-TM

( )

SATELITE LANDSAT

Sensores y Bandas (III)

(m) (m)Canal rojo C5: 0.6 - 0.7 C3: 0.63 0.69

Canal Infrarrojo prximo C7: 0.8 1.1 C4: 0.76 0.9

Resolucin espacial: 79 m (MSS) y 30 m (TM)Resolucin temporal: 16 das.

15

SENSOR SPOT HRV

Sensores y Bandas (IV)

SPOT-HRV

(m)Canal rojo C2: 0.61 - 0.68

Canal Infrarrojo prximo C3: 0.79 0.89

SENSOR SPOT-HRV

Resolucin espacial: 20 m Resolucin temporal: 26 das.

IKONOS

Sensores y Bandas (V)

16

Agricultura de precisin con IKONOS

1.- La Lnea de Suelo I0 (donde crece la vegetacin): est representada porla base de la curva y alcanza valores de NDVI comprendidos entre 0 y 0.05aunque puede ser variable.

La curva de evolucin

2.- La Altura o Valor del Mximo Im: Expresa el grado de desarrollo quepuede alcanzar el cultivo analizado.

3.- La Dispersin Anchura de la curva: Da idea del intervalo temporaldurante el que prevalece el tipo de vegetacin analizado.

4.- La amplitud de desarrollo de la curva (Im - I0)

5 Tiempo de comienzo del ciclo t : correspondiente al momento en que5.- Tiempo de comienzo del ciclo t0: correspondiente al momento en queempieza a crecer la vegetacin.

6.- Tiempo en que ocurre el mximo valor de IV, tm.

7.- Tiempo th en que la curva toma de nuevo la lnea de suelo.

17

Los modelos de produccin vegetal:biomasa, porcentaje de cubierta, ndice de rea foliar, etc.

Modelos de produccin vegetal

P = Produccin (g/m2/tiempo) = Velocidad de produccin (g/MJ)I = Porcentaje de radiacin solar incidente interceptada=fotosintticamente activaS = Radiacin solar incidente (MJ/m2 )t = tiempo

n

ttt dtSIP

0

t tiempo

n

ttt dtSNDVIPNDVII

0

Indice de Area Foliar: LAIcebaNDVI

M did

LAI

Medido para un dosel de trigo en crecimiento (lnea continua) y senescente (discontinua)

(Asrar et al. 1984)

18

NDVIPAR Radiacin PAR:IV y absorcin fotosinttica

Para trigo en primavera

(Asrar et al., 1984)

El tratamiento del NDVI:

Procesado multitemporal del NDVI

El tratamiento del NDVI:

La formacin de imgenes Mximo Valor Compuesto

Eliminacin de nubes no filtradasEliminacin de sombras y zonas con precaria insolacinEliminacin de sombras y zonas con precaria insolacinEliminacin de efectos orbitales de perspectiva

19

Grficas de evolucin y clculo de integrales en intervaloSIG DE ANALISIS DE LA VEGETACIN

CROP FORECASTING

60

70

NDVI & METEOROLOGICAL DATA EVOLUTIONPLOT 100% CEREAL (VA)

10

20

30

40

50

ND

VI*1

00 /

TEM

P / R

AIN

/ (I

NSO

L/10

)

0 F1 F3 M2 A1 A3 MY2 J1 J3 JL2 AG1

YEAR TENS (FEBRUARY-AUGUST)

Tsurface(c) Tair (C)

Rain (mm) (Ts-Ta)

NDVI*100 (INSOL/10) (J/M*2)

20

2Ts Rain ENDVI =(kg/ha) Yield

1000

2000

3000

4000

5000

6000

REC

ASTE

D Y

IELD

(kg/

ha)

RELATIONSHIP ACTUAL & FORECASTED YIELD

C oef valor ErrorStd

tStudent

N ivel deSig.

5692 1495 3.807 0.0003 4104 1190 3.449 0.0010 798 337 2.364 0.0209 -4.54 1.13 -3.998 0.0002

R=0.83 E rror Std Estimacin=600 ndatos=73Error Abs M edio=485 Durbin W atson=2 1

0

1000

FOR

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 ACTUAL YIELD (kg/ha)

Error Abs M edio=485 Durbin W atson=2.1

Anlisis global del NDVI

Short, 2000

21

Solar radiation Albedo

NDVI

Surface Temperature EmissivityEVAPOTRANSPIRATION ESTIMATION

NOAA-AVHRR

CH. 1 CH. 2 CH. 4VIS

METEOSAT

CH. 5

NDVI Albedo

Ta

SW

NET RADIATION

TS

LW

LW

EVAPOTRANSPIRATION

22

EVAPOTRANSPIRATION MAPPING

1 marzo 2 marzo 3 marzo

LA SEQUA EN ESPAA EN EL AO 2000

Laboratorio de Teledeteccin de la Universidad de Valladolid

Instituto Nacional de Investigacin y Tecnologa Agraria y Alimentaria (INIA)

Proyecto SC00-050

1 abril

1 mayo

1 junio

2 abril

2 mayo

2 junio

3 abril

3 mayo

3 junio

PromedioMAR-AGO

70 78 85 93 100 107 115 124 13070 78 85 93 100 107 115 124 130

1 julio

1 agosto

2 julio

2 agosto

3 julio

3 agosto

Anomalas respecto al valor promediodel Indice de Vegetacin Normalizado

del perodo 1993-1999 Datos procedentes del sensor NOAA-AVHRR

SEQUIA NO SEQUIA

23

Radiometric, atmospheric and geometric correction of channels 1 and 2 AVHRR: Calculation of reflectance images

Clouds filtering redrared RRNDVI inf

Metodologa de calculo del Indice de Verdor

(with visible and thermic channels)

Calculation of NDVI and maximum value composite images (MVC) for each ten days period.

Calculation of greenness index images (Burgan, 1993) Calculation of GI with historical maximum and minimum MVC-

NDVI l

redrared RRNDVI inf

NDVI values.

Application of smoothing algorithm.

minmax

min

MVCMVCMVCMVCGI

100

Comparison between several periods

24

Images of accumulated greenness (1993,...,98)

Accumulated GI:to analyze agricultural results gin a whole year, deleting moving effect: to compare two places between two years in a date, growing plants is notgrowing plants is not simultaneous. The conclusion with the evolutions graphs can be wrong.

Accumulated images compensate curves evolution moved

Imagen LANDSAT-TM; NDVI (4-3)/(4+3)Cartografa de incendios forestales (TM)