NDMI: Нормалізований Різницевий Індекс Вологості
Нормалізований різницевий індекс вологості (англ. Normalized Difference Moisture Index) визначає рівень вмісту вологи в рослинах, використовуючи комбінацію спектральних діапазонів у ближньому інфрачервоному (NIR) та короткохвильовому інфрачервоному (SWIR) діапазонах. Індекс вологості є відмінним індикатором нестачі вологи у посівах.
Сильна посуха не тільки піддає посіви стресу, а й може повністю знищити врожай. NDMI здатний виявляти водний стрес на ранній стадії та запобігати проблемі. Крім того, застосування NDMI є ефективним для контролю зрошення, особливо в регіонах, де сільськогосподарські культури потребують більше води, ніж в змозі забезпечити природа. Завдяки даним властивостям нормалізований різницевий індекс вологості є відмінним інструментом для ефективного управління полями. А в умовах посухи NDMI знаходить застосування ще в одній галузі – моніторинг ризиків загоряння, особливо у пожежонебезпечних регіонах.
Незважаючи на те, що NDMI часто плутають із NDWI, їх слід розглядати як два окремі самостійні індекси. NDMI та NDWI (версія Gao) використовують комбінацію NIR-SWIR для визначення вмісту вологи в листях, а NDWI (версія McFeeters) використовує комбінацію GREEN-NIR для виділення водойм і контролю їх каламутності. Отже, NDMI використовує комбінацію короткохвильового інфрачервоного діапазону (NIR) і має розглядатися як окремий від NDWI індекс, який вимірює рівень вмісту води у водоймах.
Формула Розрахунку NDMI
При обчисленні нормалізованого різницевого індексу вологості використовується коефіцієнт відображення в ближньому інфрачервоному (NIR) і короткохвильовому (SWIR) діапазонах:
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)
Канали NIR та SWIR було вибрано для рівняння діапазону NDMI не випадково. Таке поєднання дозволяє отримати більш точний результат завдяки приглушенню освітлення та атмосферних ефектів. Короткохвильовий інфрачервоний спектральний канал (SWIR) чутливий до рівня вмісту вологи в рослинності та мезофільній структурі листя. З іншого боку, у ближньому інфрачервоному діапазоні (NIR), фіксується відбиття від рослин залежно від його біомаси. Крім того, NDMI більш ефективно виявляє знеліснення, порівняно з NDVI, завдяки менш різкому зниженню значень.
Інтерпретація Індекса NDMI
Як і більшість індексів, NDMI має значення від -1 до -1, що спрощує інтерпретацію. Про водний стрес можуть свідчити негативні значення, що наближаються до -1, тоді як +1 може вказувати на заболочування. Отже, кожне проміжне значення відображатиме трохи інший стан посівів.
- -1 – -0.8 Рослинний покрив відсутній,
- -0.8 – -0.6 Рослинний покрив майже відсутній,
- -0.6 – -0.4 Дуже низька щільність рослинного покриву,
- -0.4 – -0.2 Незначний рослинний покрив, волога відсутня або дуже низька густота рослинного покриву, спостерігається вологість,
- -0.2 – 0 густота рослинного покриву нижче середнього, високий рівень водного стресу або незначний рослинний покрив, низький рівень водного стресу,
- 0 – 0.2 Середня густота рослинного покриву, високий рівень водного стресу або густота рослинного покриву нижче середнього, низький рівень водного стресу,
- 0.2 – 0.4 Густота рослинного покриву вище середнього, високий рівень водного стресу або середня густота рослинного покриву, низький рівень водного стресу,
- 0.4 – 0.6 Висока густота рослинного покриву, водний стрес не спостерігається,
- 0.6 – 0.8 Дуже висока густота рослинного покриву, водний стрес відсутній,
- 0.8 – 1 Територія повністю вкрита густим рослинним покривом, водний стрес відсутній.
Важливо враховувати, що значення NDMI змінюються протягом сезону вирощування культур, оскільки відбиваюча здатність рослин дещо відрізняється у кожній фенологічній фазі. Між індексами NDMI та NDVI також існує цікава кореляція. Водний стрес, позначений значеннями NDMI, може бути підтверджений значно нижчим за середній показник NDVI.
Коли Використовується NDMI?
Нормалізований різницевий індекс вологості дозволяє:
- Контролювати вміст вологи у посівах,
- Визначати зони поля, де посіви зазнають водного стресу,
- Покращувати логістичне планування транспортування заготовленої деревини,
- Визначати рівні загрози загоряння у пожежонебезпечних регіонах.
Візуалізація NDMI
Два ключових способи візуалізувати показники індексу NDMI — карти та графіки. Карта наочно демонструє просторове розподілення водного стресу на полі, а графік — динаміку в часі.
Шкала NDMI варіюється в межах від -1 до +1, де найнижчі (від білого до світло-коричневого) вказують на низький вміст вологи в рослинах, а найвищі значення (синього кольору) — високому. Іншими словами, зниження показників індексу NDMI свідчить про те, що рослини відчувають водний стрес, тоді як аномально високі значення NDMI можуть сигналізувати про підтоплення.
- На скріншоті представлені два знімки того ж самого поля, зроблені з різницею в два роки. Значення NDMI суттєво відрізняються. На зображенні зліва відсутні ознаки водного дефіциту, а на знімку праворуч культури зазнали водного стресу після тривалого періоду аномально низького рівня опадів у 2021 році.
- Ймовірно, деякі ділянки поля на цьому знімку підтоплені внаслідок нещодавніх злив. Воді нема куди подітися — вона стоїть на полі та утворює басейни. Підтоплення є проблемою, оскільки суттєво знижує обсяги врожаю.
Таким чином, за допомогою нормалізованому диференційного індексу вологості (NDMI) можна визначити підтоплені ділянки на полі, вирішити цю проблему та не допустити її виникнення у майбутньому.