Một số chỉ số thông dụng tính toán trên ảnh Sentinel và Landsat

Hiện tại, rất nhiều chỉ số quang phổ có thể tính toán được từ dữ liệu vệ tinh như chỉ số khác biệt thực vật, chỉ số nước, tuyết, đất, lửa, đô thị... Hai vệ tinh phổ biến là Landsat và Sentinel cung cấp cơ hội tuyệt vời cho người dùng trong việc tính toán các chỉ số này.

Bài viết này tổng hợp và trình bày lại một số chỉ số quang phổ thông dụng tính toán trên dữ liệu vệ tinh Sentinel và Landsat. Người dùng có thể ứng dụng các phép phân tích raster (raster calculation) để thực hiện các phép phân tích trên những phần mềm thông dụng như ArcGIS hay QGIS.

Các chỉ số quang phổ chính tính toán từ dữ liệu Sentinel và Landsat

Dưới đây là bộ công thức áp dụng trên các tổ hợp kênh ảnh Landsat 4, 5, 7, 8 và Sentinel MSI.

1. Chỉ số thực vật khác biệt quân bình (NDVI)

Công thức chung: NDVI = (NIR – Red) / (NIR + Red)

NDVI (Landsat 8) = (B5 – B4) / (B5 + B4) NDVI (Landsat 4 – 7) = (B4 – B3) / (B4 + B3) NDVI (Sentinel 2) = (B8 – B4) / (B8 + B4)

2. Chỉ số thực vật khác biệt quân bình "xanh" (GNDVI)

Tương tự như NDVI, chỉ số GNDVI được biến đổi một chút để nêu bật hơn nữa tính chất biến thiên của diệp lục trong lá cây. Công thức như sau:

Công thức chung: GNDVI = (NIR-GREEN) /(NIR+GREEN)

GNDVI (Landsat 8) = (B5 – B3) / (B5 + B3) GNDVI (Landsat 4 – 7) = (B4 – B2) / (B4 + B2) GNDVI (Sentinel 2) = (B8 – B3) / (B8 + B3)

3. Chỉ số thực vật tăng cường (EVI)

Chỉ số thực vật tăng cường EVI tương tự như NDVI và cũng được sử dụng để đánh giá mức độ tươi tốt của thực vật. Tuy nhiên, EVI đã có sự hiệu chỉnh một số điều kiện của khí quyển và nhiễu trên phần bóng của thực vật để trở nên nhạy cảm hơn với những khu vực có thực vật dày đặc. EVI sử dụng hệ số "L" để hiệu chỉnh phần bóng thực vật, hệ số "C" hiệu chỉnh khí quyển và băng xanh lam (B). Sự hiệu chỉnh này cho phép tăng cường tỷ số giữa hai kênh R và NIR, đồng thời giảm tác động của vùng bóng thực vật và nhiễu khí quyển.

Công thức chung: EVI = G * ((NIR – R) / (NIR + C1 * R – C2 * B + L))

EVI (Landsat 8) = 2.5 * ((B5 – B4) / (B5 + 6 * B4 – 7.5 * B2 + 1)) EVI (Landsat 4 – 7) = 2.5 * ((B4 – B3) / (B4 + 6 * B3 – 7.5 * B1 + 1)) EVI (Sentinel 2) = 2.5 * ((B8 – B4) / (B8 + 6 * B4 – 7.5 * B2 + 1))

4. Chỉ số thực vật nâng cao (AVI)

Chỉ số toán học này, tương tự như NDVI, sử dụng hai kênh phổ là đỏ (R) và cận hồng ngoại (NIR). AVI được ứng dụng trong các nghiên cứu giám sát cây trồng và thảm phủ theo chuỗi thời gian. Nếu sử dụng kết hợp AVI và NDVI, người dùng có thể xác định tốt hơn sự khác biệt giữa các nhóm thực vật hơn việc chỉ sử dụng 1 chỉ số.

Công thức chung: AVI = [NIR * (1-Red) * (NIR-Red)] 1/3

AVI (Landsat 8) = [B5 * (1 – B4)*(B5 – B4)]1/3 AVI (Landsat 4 – 7) = [B4 * (1 – B3)*(B4 – B3)]1/3 AVI (Sentinel 2) = [B8 * (1 – B4)*(B8 – B4)]1/3

5. Chỉ số thực vật có hiệu chỉnh theo môi trường đất (SAVI)

SAVI giảm bớt ảnh hưởng của môi trường đất phía dưới lớp thực vật trong chỉ số NDVI. Khi tính SAVI từ ảnh vệ tinh Landsat Surface Reflectance, các chuyên gia thêm vào hệ số "L = 0.5" trong phương trình NDVI (sử dụng hai kênh R và NIR) như một hệ số chung cho hầu hết các dạng thảm thực vật. người dùng cũng có thể tùy biên gia giảm "L" đi theo từng hoàn cảnh.

Công thức chung: SAVI = ((NIR – R) / (NIR + R + L)) * (1 + L)

SAVI (Landsat 8) = ((B5 – B4) / (B5+ B4 + 0.5)) * (1.5)

SAVI (Landsat 4 – 7) = ((B4 – B3) / (B4+ B3 + 0.5)) * (1.5) SAVI (Sentinel 2) = (B08 – B04) / (B08 + B04 + 0.428) * (1.428)

Ở công thức trên, đối với ảnh Landsat, L có giá trị 0.5; còn với Sentinel, L = 0.428.

6. Chỉ số ức chế ẩm độ (MSI)

MSI viết tắt của Moisture Stress Index - chỉ số ức chế ẩm độ, được sử dụng trong các nghiên cứu về ức chế sinh lý của thảm thực vật do thiếu nước. Giá trị của MSI tương quan nghịch với chỉ số thực vật.

Điều này đồng nghĩa với việc nếu MSI càng cao thì cây trồng càng khô héo, hay nói cách khác, thiếu nước nghiêm trọng. Miền giá trị của MSI dao động từ 0 đến 3.

Công thức chung: MSI = Mid_IR / NIR MSI (Landsat 8) = B6 / B5

MSI (Landsat 4 – 7) = B5 / B4 MSI (Sentinel 2) = B11 / B08

7. Chỉ số diệp lục xanh (GCI)

Trong lĩnh vực viễn thám, chỉ số diệp lục xanh được sử dụng nhằm ước tính hàm lượng diệp lục có trong lá thực vật. Hàm lượng diệp lục đại diện cho mức độ sinh trưởng của thực vật. Chỉ số giảm khi thực vật bị ức chế và chính vì vậy GCI được ứng dụng trong theo dõi sức khỏe cây trồng.

Công thức chung: GCI = (NIR) / (Green) – 1 GCI (Landsat 8) = (B5 / B3) -1

GCI (Landsat 4 – 7) = (B4 / B2) -1

GCI (Sentinel 2) = (B9 / B3) -1

8. Chỉ số cháy rừng (NBRI)

Nguyên nhân cháy rừng có thể do con người gây ra hoặc cũng do tự nhiên, nhưng điểm chung là hoạt động này phát thải vào khí quyển một lượng lớn khí nhà kính. Chỉ số NBRI sử dụng hai kênh phổ Near Infrared (cận hồng ngoại) và Short-wave Infrared (hồng ngoại sóng ngắn) là hai kênh có mức độ nhạy cảm cao với sự thay đổi của thảm thực vật để phát hiện những khu vực bị cháy hoặc quá trình phục hồi hệ sinh thái.

Công thức chung: NBR = (NIR – SWIR) / (NIR+ SWIR) NBRI (Landsat 8) = (B5 – B7) / (B5 + B7)

NBRI (Landsat 4 – 7) = (B4 – B7) / (B4 + B7) NBRI (Sentinel 2) = (B8 – B12) / (B8 + B12)

9. Chỉ số đất trống (BSI)

Bare Soil Index (BSI) hay chỉ số đất trống, là một chỉ số kết hợp các kênh Blue (xanh lam), Red (đỏ), Near Infrared (cận hồng ngoại) và Short-wave Infrared (hồng ngoại sóng ngắn) để giám sát biến thiên trạng thái đất mặt.

10. Chỉ số nước khác biệt quân bình (NDWI)

NDWI được ứng dụng nhiều trong giám sát nước mặt từ dữ liệu vệ tinh. Chỉ số sử dụng hai kênh phổ là Green (xanh lá cây) và Near Infrared (cận hồng ngoại) của dữ liệu viễn thám.

Công thức chung: NDWI = (NIR – SWIR) / (NIR + SWIR)

NDWI (Landsat 8) = (B3 – B5) / (B3 + B5) NDWI (Landsat 4 – 7) = (B2 – B4) / (B2 + B4) NDWI (Sentinel 2) = (B3 – B8) / (B3 + B8)

11. Chỉ số tuyết khác biệt quân bình (NDSI)

Tương tự như NDVI hay NDWI, chỉ số NDSI được ứng dụng trong giám sát tuyết phủ bề mặt. hai kênh Green (xanh) và Short-wave Infrared (hồng ngoại sóng ngắn) được sử dụng trong phép tính toán chỉ số.

Công thức chung: NDSI = (Green-SWIR) / (Green+SWIR)

NDSI (Landsat 8) = (B3 – B6) / (B3 + B6) NDSI (Landsat 4 – 7) = (B2 – B5) / (B2 + B5) NDSI (Sentinel 2) = (B3 – B11) / (B3 + B11)

12. Chỉ số băng khác biệt quân bình (NDGI)

Chỉ số NDGI được sử dụng trong giám sát các hồ băng hoặc diện tích băng bao phủ trên bề mặt. Chỉ số sử dụng hia kênh phổ là Red và Green.

Công thức chung: NDGI = (NIR-Green)/(NIR+Green)

NDGI (Landsat 8) = (B3 – B4) / (B3 + B4) NDGI (Landsat 4 – 7) = (B2 – B3) / (B2 + B3) NDGI (Sentinel 2) = (B3 – B4) / (B3 + B4)

13. Chỉ số thực vật kháng khí quyển (ARVI)

Chỉ số thực vật khác biệt quân bình NDVI trình bày ở trên có điểm yếu là phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện khí quyển. ARVI được ra đời nhằm hạn chế bớt tác động của khí quyển lên giá trị NDVI. Bằng cách sử dụng thêm kênh xanh lam (blue), ARVI được tính toán như sau.

ARVI = (NIR – (2 * Red) + Blue) / (NIR + (2 * Red) + Blue)