ВОПРОСЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НОРМАЛИЗОВАННОГО ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО ВЕГЕТАЦИОННОГО ИНДЕКСА В ЦЕЛЯХ МЕЖСЕНСОРНОЙ КАЛИБРОВКИ СРЕДСТВ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ Текст научной статьи по специальности «Математика»

Статья поступила в редакцию 23.03.13. Ред. рег. № 1590

The article has entered in publishing office 23.03.13. Ed. reg. No. 1590

УДК 528.7; 528.85

ВОПРОСЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НОРМАЛИЗОВАННОГО ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО ВЕГЕТАЦИОННОГО ИНДЕКСА В ЦЕЛЯХ МЕЖСЕНСОРНОЙ КАЛИБРОВКИ СРЕДСТВ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ

Ф.М. Велиев

Национальное Аэрокосмическое Агентство Азербайджан, AZ1106, Баку, ул. С. С. Ахундова, д. 1 Teл.: 994503247240, e-mail: asadzade@rambler.ru

Заключение совета рецензентов: 28.03.13 Заключение совета экспертов: 29.03.13 Принято к публикации: 30.03.13

Отмечены основные причины, не позволяющие использовать индекс NDVI для осуществления межсенсорной калиб-

Предпожена новая модификация NDVI, исследована взаимосвязь чувствительностей NDVI и предложенного модифи- .>Ч/<. цированного индекса.

Предложен метод и алгоритм параметрической межсенсорной калибровки на базе предложенной модификации NDVI. Ключевые слова: калибровка, дистанционное зондирование, вегетационные индексы, спектр, чувствительность.

QUESTIONS ON UTILIZATION OF NORMALIZED DIFFERENTIAL VEGETATION INDEX FOR PURPOSES OF INTERSENSOR CALIBRATION

OF REMOTE SENSING SYSTEMS

F.M. Veliyev

National Aerospace Agency 1 S.S. Akhundov str., Azerbaijan, AZ-1106, Baku Tel.: 994503247240, e-mail: asadzade@rambler.ru

Referred: 28.03.13 Expertise: 29.03.13 Accepted: 30.03.13

The major reasons not allowing utilization of NDVI for intersensor calibration of remote are noted.

The new modification of NDVI is suggested. The interrelation of sensitivity of NDVI and the suggested index is researched. The method and algorithm of parametric intersensor calibration on the basis of suggested index is developed.

Keywords: calibration, remote sensing, vegetation indices, spectrum, sensitivity.

Хорошо известно, что средства дистанционного зондирования обязательно должны быть откалибро-ваны, а результаты измерения должны проходить процедуру валидации [1]. Существуют различные способы калибровки бортовых средств дистанционного зондирования. В наиболее общем случае различают следующие методы калибровки:

1. Калибровка бортового прибора от встроенного калибратора как до полета, так и в полете.

2. Калибровка бортового прибора дистанционного зондирования с использованием внешних калибровочных средств.

Далее в настоящей статье рассматривается только вторая категория методов калибровки. Эта категория методов калибровки, в свою очередь, подразделяется на следующие группы:

1. Калибровка с использованием различных эталонных излучателей, установленных на определенных наземных пунктах.

2. Калибровка с использованием различных природных объектов с параллельным осуществлением подспутниковых (наземных) измерений этих объектов.

3. Межсенсорная калибровка.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 03/2 (122) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013

Следует отметить, что существующие подспутниковые калибровочные полигоны обычно располагают средствами для проведения вышеуказанных процедур калибровки с использованием внешних наземных калибровочных средств. Например, На-бранский аэрокосмический полигон Национального аэрокосмического агентства Азербайджана, судя по проектной документации, кроме стандартных калибровочных вегетационных полей также будет содержать различные калибровочные отражатели и излучатели с необходимыми техническими средствами, обеспечивающими стабильность их метеорологических характеристик.

Рассмотрим вопросы повышения эффективности использования методов межсенсорной калибровки с использованием характеристик образцовых вегетационных полей, содержащихся в подспутниковых аэрокосмических полигонах.

Хорошо известно, что для оценки состояния вегетационных полей используется такой широко распространенный спектральный индекс, как нормализованный дифференциальный индекс ЫБУ1, впервые предложенный в работе [2]. ЫБУ1 определяется по следующей формуле:

NDVI = -

NIR - RED NIR + RED

(1)

ты NDVI, используя взвешенно-усредненные величины зеленого и красного каналов MODIS, для моделирования близких к AVHRR значений NDVI MODIS.

Однако все эти и другие попытки найти единые критерии для совместимости значений NDVI, полученных разными бортовыми приборами, позволили получить относительные частные решения задачи с невысокой точностью. В то же время отсутствует единый общий подход к решению задачи точного сопоставления значений NDVI, полученных различными сенсорами.

Нами предлагается несколько иной подход к решению вышеуказанной задачи, заключающийся в следующем. Мы полагаем, что единственной причиной, приводящей к разным значениям NDVI, полученным различными спектральными приборами спутников, пролетающих над единым тестовым вегетационным участком, является нарушение должной пропорции между сигналами NIR и RED. Для устранения этого недостатка исследователи должны иметь возможность регулировки чувствительности NDVI относительно RED и NIR. Для этого достаточно перейти на предлагаемую модифицированную запись NDVI, обозначаемую далее как NDVIM, определяемую как

где NIR - радиация близкого инфракрасного диапазона, отраженная от вегетационного поля; RED -радиация красного диапазона, отраженная от вегетационного поля.

Необходимо отметить, что прямое использование вегетационных индексов в целях калибровки связано со следующими проблемами:

1. Долговременное функционирование бортовой спектральной аппаратуры приводит к деградации спектральных каналов из-за старения фильтров, датчиков и т.д., что может привести к несовпадению результатов измерения NDVI с использованием различных сенсоров.

2. Наличие различных условий освещенности вегетационных полей также приводит к неоднозначности результатов определения NDVI различными бортовыми приборами.

Эти и некоторые другие проблемы существенно затрудняют осуществление межсенсорной калибровки двух различных бортовых измерителей на базе индекса NDVI.

Для устранения вышеуказанных недостатков были предложены различные методики для перехода от значений NDVI, полученных с помощью одного бортового измерителя, на значения NDVI, полученные с помощью другого бортового измерителя [3]. Например, в работе [4] были предложены специальные квадратические спектральные функции для перехода от NDVI различных выбранных сенсоров к NDVI, полученным с помощью AVHRR NOAA-9. В работе [5] авторы попытались получить AVHRR эквивален-

NDVIM =

aNIR - (1 - a)RED aNIR + RED(l-a) '

(2)

Покажем, что использование индекса NDVIM позволяет варьировать чувствительность индекса к изменениям сигналов NIR и RED путем выбора параметра а и тем самым максимально приблизить показания различной бортовой аппаратуры, т.е. осуществить параметрическую межсенсорную калибровку. Для обоснования этого определим взаимосвязь между чувствительностью NDVI и изменением сигналов используемых каналов.

Чувствительность NDVI относительно RED определим как

dNDVI - (NIR + RED) - (NIR - RED)

dRED

(NIR + RED)2 2NIR (NIR + RED)2 '

(3)

Чувствительность NDVI относительно NIR определим как

dNDVI (NIR + RED)-(NIR - RED)

dNIR

(NIR + RED)2 2RED (NIR + RED)2 '

(4)

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 03/2 (122) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013

Энергетика и экология

Чувствительность NDVIM относительно NIR определим как

dNDVIM

dRED

- (1 -a)(NIR + RED) - [aMR - (1 - a)RED] \_aNIR + (1 -a)RED]2 _ 2 (1 -a) NIR \aNIR + (1 -a)RED]2 '

(5)

Чувствительность NDVIM относительно RED определим как

dNDVIM

dRED

a\aNIR + RED (1 -a)]-a\ aNIR - RED (1 - a)]] \aNIR + (1 -a) RED]2 aRED (1 - a) + a (1 -a) RED

\aNIR + (1 -a) RED] _ 2a (1 -a) RED \aNIR + (1 - a)RED]2

(6)

2 (1 -a)

a

> -

1

[aNIR + (1 - a)RED] (NIR + RED)

Условие (7) перепишем так:

aS +1 -a

(7)

V2 (1 -a)

a < -

S +1

(8)

где £ = NIR|RED .

Графическая интерпретация условия (8) показана на рисунке, где приняты следующие обозначения:

1 - график функции /(а) = (1 -а)а ; 2 - график функции / (а, £) = а при £ = 2; 3 - график

функции / (а, £ ) = а£_+_1__а дри £ = 4.

Графическая интерпретация условия (8) Graphical interpretation of condition (8)

Как видно из рисунка, изменение величины параметра а позволяет изменить отношение чувствительности NDVI и NDVIM. Так, при £ = 4 в зоне Да (рисунок) обеспечивается условие

dNDVIM dNDVI

dRED

dRED

Как видно из (3) - (6), в отличие от NDVI чувствительность предлагаемой модификации NDVIM зависит от параметра а. Следовательно, появляется возможность регулировать чувствительность индекса по NIR или RED с целью компенсации различий в значениях NDVI, полученных с помощью различных сенсоров, осуществив, таким образом, параметрическую межсенсорную калибровку.

Для сравнения чувствительностей NDVI и NDVIM воспользуемся (3) и (5). Условие превышения чувствительности NDVIM над чувствительностью NDVI имеет следующий вид:

а за пределами этой зоны условие (9) не выполняется. Следовательно, появляется возможность управлять чувствительностью вегетационного индекса путем соответствующего выбора параметра а. Очевидно, что изменение а приводит к изменению пропорций сигналов RED и NIR, и тем самым появляется возможность осуществить параметрическую калибровку значений вегетационного индекса, полученных от различных сенсоров.

Таким образом, предлагаемая методика параметрической межсенсорной калибровки на базе данных NDVI заключается в следующем:

1. Устанавливается факт несовпадения значений NDVI, полученных от сенсора X и сенсора Y, т.е. NDVIX Ф NDVIy .

2. Для сенсора Y осуществляется переход на индекс NDVIM.

3. Для реальных величин S строится диаграмма, показанная на рисунке, и определяется область Да, где чувствительность NDVI выше, чем чувствительность NDVIM.

4. Осуществляется поиск таких значений параметра а в зонах, близких к краевым точкам интервала Да, при которых выполняется равенство NDVI = = NDVIM.

В заключение сформулируем основные выводы и положения проведенного исследования:

1. Отмечены основные причины, не позволяющие использовать индекс NDVI для осуществления межсенсорной калибровки.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 03/2 (122) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013

2. Предложена новая модификация NDVI, исследована взаимосвязь чувствительностей NDVI и предложенного модифицированного индекса.

3. Предложен метод и алгоритм параметрической межсенсорной калибровки на базе предложенной модификации NDVI.

Список литературы

1. Salama M.S., Van der Velde R., Van der Woerd H.J., Kromkamp J.C., Philippart C.J.M., Joseph A.T., O'Neill P.E., Lang R.H., Gish T., Werdell P.J., Su Z. Technical note: calibration and validation of geophysical observation models // Biogeosciences. 2012. No. 9. P. 2195-2201. www.biogenesciences.net/9/2195/2012/ doi: 10.5194/bg-9-2195-2012.

2. Tucker C.J. Red and photographic infrared linear combinations for monitoring vegetation // Remote Sensing of Environment. 1979. No. 8. P. 127-150.

3. Miura T., Huete A., Yoshioka H. An empirical investigation of cross-sensor relationships of NDVI and red/near-infrared reflectance using EO-1 Hyperion data // Remote Sensing of Environment. 2006. No. 100. P. 223-236.

4. Trishchenko A.P., Cihlar J., Li Z. Effects of spectral response function on surface reflectance and NDVI measured with moderate resolution satellite sensors // Remote Sensing of Environment. 2002. No. 81 (1). P. 1-18.

5. Gitelson A.A., Kaufman Y.J. MODIS NDVI optimization to fit the AVHRR data series-spectral considerations // Remote Sensing of Environment. 1998. No. 66 (3). P. 343-350.

ГХП - TATA — IXJ

41-Й МЕЖДУНАРОДНЫЙ САЛОН ИЗОБРЕТЕНИЙ

iiwi

entions eneva

Время проведения: 10 - 14.04.2013 Место проведения: Швейцария, Женева, ЦВК «Палэкспо», Павильоне №7

Под патронажем Швейцарского правительства, Ггосударственного Совета страны, Административного Совета города Женевы и Всемирной организации интеллектуальной собственности (ВОИС)

1000 новых изобретений ежегодно 789 экспонентов из 46 стран мира 85% организации и университеты

15% частные изобретатели и исследователи 60 000 посетителей с 5 континентов 650 представителей прессы

Конкурс изобретений - Международное Жюри

Тематика Салона включает самые различные сферы науки и техники: энергосберегающие технологии, энергоэффективность, использование новых физических принципов в разработках, включая нанотехнологии, экологическую безопасность, технологии утилизации отходов и многое другое. Кто принимает участие:

производители, частные изобретатели и исследователи, лаборатории, исследовательские институты, патентные брокеры и агентства по продвижению инноваций. Для чего участвовать:

• продемонстрировать свое изобретение или новый продукт;

• превратить инвестиции в прибыль путем продажи лицензии зарубеж;

• встретиться и приобрести новые контакты с производителями,

Салон является одной из крупнейших ежегодных международных выставок, где демонстрируются объекты промышленной собственности. Он отличается высоким уровнем экспонируемых разработок и широкой географией участников, что привлекает к нему пристальное внимание зарубежных инвесторов, деловых людей, предпринимателей и специалистов. Каждое изобретение оценивается авторитетным Международным Жюри, по итогам работы которого присуждаются медали и дипломы Салона.

НТА «Технопол-Москва» является национальным делегатом Салона в России и соорганизатором российских экспозиций на данном Салоне. В рамках проведения Салона НТА «Технопол-Москва» организует пребывание российской делегации в Женеве с 8 по 16 апреля._

По всем вопросам просим обращаться к сотрудникам Ассоциации:

Нетунаев Александр Александрович netunaev@technopolmoscow.com Морозова Татьяна Владимировна t.morozova@technopolmoscow.com т. (495) 787-31-08/09, ф. (495) 959-66-43 _http://www.technopolmoscow.com

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 03/2 (122) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013