NDMI: Нормализованный Разностный Индекс Влажности
Нормализованный разностный индекс влажности (англ. Normalized Difference Moisture Index) определяет уровень содержания влаги в растениях, используя комбинацию спектральных диапазонов в ближнем инфракрасном (NIR) и коротковолновом инфракрасном (SWIR) диапазонах, и является надежным индикатором дефицита влаги в посевах.
Сильная засуха не только подвергает посевы стрессу, но и может полностью уничтожить урожай. NDMI способен обнаруживать водный стресс на ранней стадии и предотвращать непоправимое. Кроме того, применение NDMI эффективно для контроля орошения, особенно в регионах, где сельскохозяйственным культурам требуется больше воды, чем может обеспечить природа. Благодаря перечисленным возможностям, нормализованный разностный индекс влажности является отличным инструментом для эффективного управления полями. А в условиях засухи NDMI находит применение еще в одной области — мониторинг рисков возгорания, особенно в пожароопасных зонах.
Несмотря на то, что NDMI часто путают с NDWI, их следует рассматривать как два отдельных самостоятельных индекса. NDMI и NDWI (версия Gao) используют комбинацию NIR-SWIR для определения содержания влаги в листьях, а NDWI (версия McFeeters) использует комбинацию GREEN-NIR для выделения водоемов и контроля их мутности. Итак, NDMI использует комбинацию коротковолнового инфракрасного диапазона (NIR) и должен рассматриваться как отдельный от NDWI индекс, который измеряет уровень содержания воды в водоемах.
Формула Расчета NDMI
При вычислении нормализованного относительного индекса влажности используется коэффициент отражения в ближнем инфракрасном (NIR) и коротковолновом (SWIR) диапазонах:
NDMI = (NIR – SWIR) / (NIR + SWIR)
- Sentinel-2:
NDMI = (B08 – B11)/(B08 + B11)
- Landsat 4-5 TM:
NDMI = (B04 – B05) / (B04 + B05)
- Landsat 7 ETM+:
NDMI = (B04 – B05) / (B04 + B05)
- Landsat 8:
NDMI = (B05 – B06) / (B05 + B06)
- MODIS:
NDMI = (B02 – B06) / (B02 + B06)
Каналы NIR и SWIR выбраны для уравнения диапазона NDMI не случайно. Такое сочетание позволяет получить более точный результат благодаря приглушению освещения и атмосферных эффектов. Коротковолновый инфракрасный спектральный канал (SWIR) чувствителен к уровню влагосодержания в растительности и мезофильной структуре листьев. С другой стороны, в ближнем инфракрасном диапазоне (NIR) фиксируется отражение от растений в зависимости от их биомассы. Кроме того, NDMI более эффективно обнаруживает обезлесение, по сравнению с NDVI, благодаря менее резкому снижению значений.
Интерпретация индекса NDMI
Как и большинство индексов, NDMI имеет значения в пределах от -1 до 1, что упрощает интерпретацию. О водном стрессе могут свидетельствовать отрицательные значения, приближающиеся к -1, в то время как +1 может указывать на заболачивание. Следовательно, каждое промежуточное значение будет отображать немного разное состояние посевов.
- -1 – -0.8 растительный покров отсутствует,
- -0.8 – -0.6 Растительный покров практически отсутствует,
- -0.6 – -0.4 Очень низкая густота растительного покрова,
- -0.4 – -0.2 Незначительный растительный покров, влага отсутствует или очень низкая густота растительного покрова, наблюдается влажность,
- -0.2 – 0 густота растительного покрова ниже среднего, высокий уровень водного стресса или незначительный растительный покров, низкий уровень водного стресса,
- 0 – 0.2 Средняя густота растительного покрова, высокий уровень водного стресса или густота растительного покрова ниже среднего, низкий уровень водного стресса,
- 0.2 – 0.4 Густота растительного покрова выше среднего , высокий уровень водного стресса или средняя густота растительного покрова, низкий уровень водного стресса,
- 0.4 – 0.6 Высокая густота растительного покрова, водный стресс не наблюдается,
- 0.6 – 0.8 Очень высокая густота растительного покрова, водный стресс отсутствует,
- 0.8 – 1 Территория полностью покрыта густым растительным покровом, водный стресс отсутствует
Важно учитывать, что значения NDMI меняются на протяжении сезона выращивания культур, поскольку отражательная способность растений несколько отличается в каждой фенологической фазе. Между индексами NDMI и NDVI также существует интересная корреляция. Водный стресс, обозначенный значениями NDMI, может быть подтвержден значительно более низким, чем средний показатель NDVI.
Когда Используется NDMI?
Нормализованный разностный индекс влажности позволяет:
- Контролировать содержание влаги в посевах,
- Определять зоны поля, где посевы испытывают водный стресс,
- Улучшать логистическое планирование транспортировки заготовленной древесины,
- Определять уровни угрозы воспламенения в пожароопасных регионах.
Визуализация NDMI
Два основных способа визуализировать показатели индекса NDMI – это карты и графики. Карта наглядно показывает пространственное распределение водного стресса на поле, а график демонстрирует его развитие с течением времени.
Шкала NDMI варьируется в пределах от -1 до +1, где самые низкие значения (от белого до светло-коричневого) указывают на низкое содержание влаги в растениях, а самые высокие значения (синего цвета) – высокому. Другими словами, снижение показателей индекса NDMI будет свидетельствовать о том, что растения испытывают водный стресс, в то время как аномально высокие значения NDMI могут сигнализировать о подтоплении.
- На данном скриншоте представлены два снимка одного и того же поля, сделанные с разницей в два года. Значения NDMI на этих снимках отличаются. На изображении слева отсутствуют признаки водного стресса, а на изображении справа показаны культуры, подвергшиеся стрессу после продолжительного периода аномально низкого уровня осадков в 2021 году.
- Вероятно, некоторые участки поля на этом снимке подтоплены в результате недавних проливных дождей. Воде некуда деваться – она стоит на поле и ее скопления образуют бассейны. Подтопление является проблемой, поскольку значительно снижает объемы урожая.
Таким образом, с помощью стандартизованного индекса различий увлажненности (NDMI) можно определить подтопленные участки на поле, решить эту проблему и не допустить ее возникновения в будущем.