Indici spettrali di Vegetazione

Gli Indici spettrali di Vegetazione (VI) sono combinazioni algebriche dei valori di riflettanza acquisiti dai sensori satellitari o aviotrasportati a diversi intervalli di lunghezze d’onda (bande spettrali). La maggior parte di essi sfrutta il peculiare comportamento spettrale della vegetazione (cfr. §4.2.2.3) la quale è caratterizzata da un picco di assorbimento della radiazione elettromagnetica alle lunghezze d’onda del rosso (0.68 µm), dovuto all’attività dei pigmenti clorofilliani, in contrapposizione ad una forte riflettività nelle lunghezze d’onda dell’infrarosso vicino (0.7-1 µm) causata invece dalle strutture che costituiscono il mesofillo, il tessuto fondamentale della foglia (Gates et al., 1965; Asner, 1998).

Le combinazioni algebriche delle bande nell’infrarosso vicino e nel rosso sono direttamente proporzionali alla quantità di biomassa vegetale, questo ha portato a definire numerosi indici basati su rapporti di singole bande o combinazioni lineari di riflettanze.

Il vantaggio di usare gli indici piuttosto che le semplici bande spettrali risiede nel fatto che essi minimizzano gli effetti del suolo e del background in genere, forniscono un certo grado di standardizzazione per il confronto ed enfatizzano il segnale legato alla vegetazione (Curran, 1981; Goward, 1989; Malingreau, 1989). Gli Indici di Vegetazione non sono comunque quantità fisiche intrinseche, bensì sono utilizzati per correlare i dati telerilevati a parametri biofisici della vegetazione come l’indice di area fogliare (LAI), la percentuale di copertura vegetale, la quantità di biomassa fotosinteticamente attiva, lo stato di salute, il contenuto di pigmenti fogliari, ecc. (Clevers et al., 1996; Rondeaux, 1995; Cook et al., 1989; Tucker et al., 1985) con lo scopo, ad esempio, di sfruttare le relazioni trovate per stimare tali parametri in

Riferimento (realtà a terra)

Classe C1 C2 C3 Tot riga User's accuracy _{% commissione %} Errore di

C1 23 4 2 29 79% =23/29 21% =(4+2)/29

C2 2 8 1 11 72% =8/11 28% =(2+1)/11

C3 4 0 29 33 88% =29/33 12% =(4+0)/33

Tot colonna 29 12 32 73 Overall Accuracy = 82,2 %

Producer's Accuracy % 79% =23/29 =8/12 66% =29/32 91% = (23+8+29)/ 73= 60/73*100 Statistica K= 0,71 Classificato Errore di omissione % =(2+4)/29 21% =(4+0)/1234% =(2+1)/329% ={(73*60)- [(29*29)+(11*12)+(33*32)]}/ {(73*73)- [(29*29)+(11*12)+(33*32)]}

maniera estensiva, predire le rese di una coltura, caratterizzare l’andamento fenologico delle diverse specie vegetali e monitorarne le variazioni stagionali.

Si distinguono comunemente tre categorie di indici: - indici intrinseci che considerano solo la riflettanza;

- indici legati alla linea dei suoli che riducono l’effetto del terreno; - indici corretti per gli effetti atmosferici.

In tabella 4.4 sono riepilogati gli indici più noti che rientrano in questi tre gruppi.

Il più noto e maggiormente utilizzato degli indici è il Normalised Difference Vegetation Index (NDVI), ovvero l’indice della differenza normalizzata (Rouse et al., 1974) appartenente al primo gruppo di indici e calcolato come:

NDVI = (NIR-R)/(NIR+R)

in cui NIR è la riflettanza nella banda dell’infrarosso vicino e R la riflettanza nella banda del rosso. I valori dell’indice variano da –1 a +1. L’acqua, le nubi, la roccia nuda e la vegetazione senescente hanno valori bassi o negativi, mentre aree con vegetazione rigogliosa e fotosinteticamente attiva hanno valori più alti (fino a +0,8). L’NDVI fornisce una buona stima della biomassa fotosinteticamente attiva e produce anche una certa compensazione degli effetti di diversa illuminazione dovuti alla topografia e alle variazioni stagionali. Questo indice è stato ampiamente utilizzato per lo studio ed il monitoraggio della vegetazione da satellite (Myneni et al., 1997a; Yang et al., 1998; Kawabata et al., 2001; Maselli, 2004; Gao, 1996 tra gli altri).

Altro indice frequentemente usato è ad esempio il Transformed Soil Adjusted Vegetation

Index o TSAVI (Baret e Guyot, 1991) che dipende dai parametri della retta del suolo

(sperimentalmente si osserva che i valori di riflettanza relativi a punti di suolo nudo assumono un comportamento quasi lineare nelle bande del visibile e del vicino infrarosso, da cui la “retta del suolo”, considerata la linea di vegetazione assente, dalla quale si ricavano i parametri per il calcolo di questa famiglia di indici).

Tra gli indici che rientrano nel terzo gruppo il più noto è il Global Environment Monitoring

Index o GEMI (Pinty e Verstraete, 1992).

Il GEMI è un indice capace di minimizzare gli effetti sia dell’atmosfera sia del suolo. La sua formula deriva, infatti, dal concetto della “linea del suolo”, ma a differenza del TSAVI, non è necessario calcolare i coefficienti a e b della retta.

Sebbene utilizzati con diverso successo in svariati studi, l’applicabilità e l’affidabilità degli indici varia significativamente con il tipo di vegetazione considerata, le condizioni

atmosferiche e il tipo di strumento utilizzato per la loro acquisizione.

Tabella 4.4 – Alcuni indici spettrali più comunemente usati in applicazioni di telerilevamento multispettrale

ACRO-

NIMO INDICE DI VEGETAZIONE AUTORE/I FORMULA NOTE1

VI o DVI Difference Vegetation _Index Lillesand e Kiefer,

1987; NIR-R

NIR: riflettanza nella banda dell’infrarosso;

R: riflettanza nella banda del rosso NDVI Normalized Difference Vegetation Index Rouse e al., 1974 (NIR-R)/(NIR+R)

RVI o SR

Ratio Vegetation Index o Simple Ratio

Jordan,

1969 NIR/R

GNDVI Green Normalized Difference Vegetation Index

Gitelson et

al., 1996 (NIR-G)/(NIR+G) G: banda nel verde IPVI Infrared Percentage Vegetation Index Crippen, 1990 NIR/(NIR+R)

RDVI Renormalized Difference _{Vegetation Index} Roujean et _{al., 1995} √(NDVIxDVI) PVI Perpendicular Vegetation Index

Richardson e Wiegand, 1977

Sin(α) NIR - cos(α)

R α : angolo tra la linea del suolo e l’asse del NIR WDVI Weighted Difference Vegetation Index Clevers, 1988 NIR-a*R a : pendenza della linea del suolo (NIRsoil=a*Rsoil+b)

SAVI

Soil Adjusted Vegetation

Index Huete, 1988

(NIR–R)/

(NIR+R+L)*(1+L)

L fattore di correzione che varia da 0 (vegetazione ad alta densità di copertura) ad 1 (vegetazione scarsa) TSAVI Transformed Soil Adjusted Vegetation Index Baret e al., 1991 a*(NIR-a*R-b)/ [a*NIR+R- ab+X*(1+a2_)]

a,b : pendenza e intercetta della linea del suolo; X fattore di correzione per minimizzare l’effetto del suolo (solitamente 0.08)

MSAVI Modified Soil Adjusted Vegetation Index Qi et al., 1994 [(NIR-R)/ (NIR+R+L)]*(1+L) L=1-2a*NDVI*WDVI MSAVI2

Modified Second Soil Adjusted Vegetation Index Qi et al., 1994 ½[2*NIR+1- √((2*NIR+1)2_- 8*(NIR-R))] OSAVI Optimized SAVI Rondeaux e _{al., 1996} (NIR – R)/ _{(NIR +R+0.16)}

TWVI Two axis adjusted _{Vegetation Index} Li X., 1994 (1+L)*(NIR-R-∆)/ _(NIR+R+L) ∆=√2 * exp(-K*LAI)*D _D=(NIR

soil-a*Rsoil-b)/(1+a2)1/2

GEMI Global Environmental Monitoring Index Pinty e Vestraete, 1991 η*(1-η/4)- [(R-0.125)/(1-R)] η= [2*(NIR2_-R2₎₊ +1.5*NIR+0.5*R)]/(NIR+R+0.5) ARVI Atmospherically Resistant Vegetation Index Kaufman e Tanré, 1992 (NIR-B)/(NIR+RB) RB = R-γ*(B-R)

combinazione delle riflettanze nella banda del blu e del rosso in cui γ dipende dal tipo di aerosols

SARVI

Soil Adjusted and Atmospherically Resistant Vegetation Index Kaufman e Tanré, 1992 [(NIR – RB)/ (NIR+RB+L)]* (1+L) RB = R-γ*(B-R)