Índices radiométricos no gvSIG: NDVI

Esse é o primeiro artigo da série "Índices radiométricos no gvSIG". Para uma lista completa dos artigos já publicados, acesse o índice da série.

NDVI, a teoria:

Quando falamos sobre índices de vegetação, quase automaticamente lembramos do NDVI. Muito embora esse não seja o único índice de vegetação (longe disso), é um dos mais conhecidos e mais utilizados.

O Índice de Vegetação por Diferença Normalizada (Normalized Difference Vegetaion Indice, em inglês) é baseado na relação entre os comprimentos de onda vermelho e infravermelho próximo: a clorofila das plantas absorve grande parte das ondas visíveis (vermelha), enquanto que a estrutura das plantas reflete fortemente as ondas do infravermelho próximo.

Explicando de modo superficial, uma planta saudável irá conter grande quantidade de clorofila, absorvendo fortemente a luz no espectro visível e refletindo fortemente as ondas no espectro infravermelho próximo. Se uma planta está doente, afetada por pragas, sofrendo competição com plantas invasoras, ou ainda, entrando em processo de senescência, a relação será inversa. Baseados nesse conhecimento, podemos estimar como está a saúde das plantas, ou o seu estádio de desenvolvimento.

Para calcularmos o NDVI, utilizamos a seguinte fórmula:

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

Onde:

• NIR: Banda do Infravermelho Próximo
• R: Banda do Vermelho

Ao realizarmos o cálculo entre as bandas, pixel a pixel, resultará em uma imagem com pixeis que terão uma variação de valor entre -1 e 1. Quanto mais próximo de 1, maior é atividade vegetativa no local representado pelo pixel. Valores negativos ou próximos a zero indicam áreas de água, edificações, solo nú, ou seja, onde há pouca ou nenhuma atividade vegetativa.

Algumas das principais aplicações do NDVI:

• estimativa da saúde da vegetação (consequentemente, do estado de saúde das lavouras);
• acompanhamento da fenologia das plantas;
• indicador de áreas de seca (indicador da umidade do solo);
• estudo de estresse hídrico;
• indicador de índice de área de folhagem (Leaf Area Index, ou LAI);
• Monitoramento de carbono;
• Detecção de danos provocados por pragas;
• Mapeamento de áreas agrícolas;

Entre muitos outros usos que podem ser encontrados numa pesquisa rápida na literatura disponível. Mas, vamos deixar a teoria de lado, e vamos partir para a prática:

NDVI no gvSIG, a prática:

Para calcularmos o NDVI no gvSIG, precisamos primeiramente de uma imagem da área que desejamos estudar, que tenha disponíveis as bandas infravermelho próximo e vermelho, por razões óbvias. Lembramos que cada satélite tem a sua composição de bandas, e compete ao técnico saber quais as bandas devem ser utilizadas.

Neste exemplo, estaremos utilizando uma imagem do satélite Sentinel-2, que tem a banda Vermelho no canal B04, e a banda Infravermelho Próximo no canal B08. Você pode baixar a imagem que estamos utilizando aqui, ou pode utilizar a sua própria imagem.

Abra o gvSIG, crie um novo projeto, modifique o sistema de referência para EPSG 32722 (ou o sistema de referência da sua imagem) e insira as duas bandas raster no projeto. No final do processo deveremos estar com uma área de trabalho semelhante a essa:

Método 1: utilizando a calculadora raster

O gvSIG disponibiliza uma ferramenta para realizarmos operações com camadas raster: a Calculadora raster, que está incluída dentro da Caixa de ferramentas, que pode ser acessada através do menu "Ferramentas > Geoprocessamento > Caixa de ferramentas", ou clicando no ícone correspondente () da barra de ícones.

Aberta a janela da Caixa de ferramentas, vamos fazer uma busca pela Calculadora raster;

Encontrada a opção, basta dar um duplo clique sobre ela para abrir a janela de diálogo correspondente.

Para calcularmos o NDVI, precisamos digitar a fórmula na janela de textos da ferramenta, lembrando de substituir a NIR e R pelas bandas correspondentes (B08 e B04, respectivamente, neste exemplo). A fórmula final deverá ser semelhante a essa:

(B08 Band 1 - B04 Band 1) / (B08 Band 1 + B04 Band 1)

Podemos deixar marcada a opção "Salvar em arquivo temporário", ou podemos designar um nome e local para o arquivo que será gerado, clicando no botão "...".

Depois, basta clicarmos no botão "Aceitar", aguardarmos o tempo necessário para que os cálculos sejam realizados, e obteremos o nosso raster com o índice NDVI calculado para a imagem que disponibilizamos.

Método 2: utilizando a opção "NDVI" da Caixa de ferramentas

A Caixa de ferramentas do gvSIG disponibiliza diretamente algumas rotinas para calculo de índices radiométricos, sem que seja necessário utilizar a Calculadora raster. Para utilizarmos esta opção, com as duas bandas raster inseridas na nossa área de trabalho, basta abrirmos a Caixa de ferramentas, e fazermos uma busca por "NDVI".

Ao darmos um duplo clique sobre a mesma, abrirá a janela "NDVI", onde precisaremos apenas selecionar qual é a camada correspondente a Banda vermelho e a Banda infravermelho próximo, decidirmos se queremos que o resultado seja gerado em um arquivo temporário, ou se já queremos salvar como um arquivo de imagem, e clicarmos em "Aceitar".

Finalizado o processo, teremos a nossa camada NDVI inserida no ToC.

Comprovando se funcionou

Para sabermos se obtemos um resultado correto no nosso cálculo do NDVI, podemos lançar mão da ferramenta informação por ponto, que pode ser acessada através do menu "Camada > Consulta > Informação por ponto", ou através do ícone correspondente na barra de ícones: ().

Ao usarmos esta ferramenta, estando com a camada resultante do cálculo do NDVI selecionada no ToC, podemos navegar sobre a imagem, que a região por onde estivermos passando irá aparecer em zoom na janela "Informação por ponto". Basta clicar sobre o ponto que quisermos conhecer suas informações, e as mesmas aparecerão na lista de características que estão na janela. Podemos clicar em diversos pontos e comprovar que os valores estão entre -1 e 1, conforme esperado.

Utilizando as tabelas de cor

Vamos agora deixar nossa imagem NDVI com uma informação mais visual, que possamos interpretar com um simples "bater de olho". Para isso, vamos usar as "Tabelas de cor" do gvSIG.

Para acessá-las, com a camada "NDVI" selecionada no ToC, podemos utilizar quatro caminhos diferentes:

• através do menu "Camada > Camada raster > Tabelas de cor";
• através das teclas de atalho "Ctrl + Alt + t";
• através do menu contextual da camada, que acessamos ao clicarmos com o botão secundário do mouse sobre o nome da camada no Toc, e a seguir selecionamos a opção "Tabelas de cor";
• ou ainda através da barra de ícones, na seção destinada às ferramentas raster, selecionando "Camada raster" no primeiro ícone, e "Tabelas de cor" no segundo ícone.

Aberta a janela "Tabelas de cor", precisamos escolher uma tabela de cor que seja representativa para a informação que queremos mostrar. Vamos usar uma nova tabela, que criei especialmente para o uso com imagens NDVI, que pode ser baixada aqui (clique com o botão secundário do mouse sobre o link e escolha a opção "Salvar como").

Baixado o arquivo, precisamos importá-lo no gvSIG. Usaremos a opção "Importar biblioteca", na barra de ícones localizada logo abaixo da lista de "Bibliotecas":

Terminado a importação, já podemos utilizar nossa nova tabela de cores. Para tanto, primeiramente devemos ativar a opção "Ativar tabelas de cor". Após ativada, já podemos ter uma prévia de como ficará nossa imagem raster na seção "Vista prévia", que irá refletindo todas as alterações que fizermos. Como desejamos aplicar intervalos previamente definidos, que estão embutidos na tabela de cor, precisamos desativar a opção "Ajustar limites".

Ao clicamos no botão "Aceitar", a tabela de cores será aplicada à imagem raster do NDVI, e poderemos conferir o resultado final:

Levando em conta que esta imagem foi obtida no início do mês de agosto de 2019, fazendo uma análise superficial, podemos observar que as áreas tendendo ao vermelho representam as áreas de corpos d'água, solo nú, áreas onde a vegetação está em processo de senescência ou áreas dessecadas para o início do plantio. Áreas com cores verde claro representam vegetação com um grau normal de desenvolvimento e vigor (possivelmente áreas de culturas de inverno, cobertura de solo ou pastagens de inverno). Áreas de coloração verde intensa são áreas onde a vegetação apresenta desenvolvimento vigoroso, com grande probabilidade de serem áreas de matas nativas ou cultivadas.

Links para artigos:

Alguns links básicos sobre o assunto. Se tiverem mais algum link, podem deixar nos comentários que irei incluindo.

• Measuring Vegetation (NDVI & EVI)
• Advanced Webinar: Creating and Using Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) from Satellite Imagery
• Normalized difference vegetation index (Wikipedia)
• Conheça um pouco mais sobre as imagens NDVI e seus benefícios
• gvSIG: Cobertura Vegetal com NDVI

Tags: gvSIG, geoprocessamento, geoprocessos, NDVI, indices-radiometricos