Русское географическое общество

Воронежский государственный университет

Центр гигиены и эпидемиологии в Воронежской области

Медико-экологический атлас города Воронежа

 

На главную

страницу

Содержание

атласа 

Пространственное зонирование территории методом NDVI

(описание к картам 30 и 31)

 

Для изучения природного (экологического) каркаса урбанизированной территории городского округа города Воронежа и пригородной десятикилометровой зоны создан архив многоканальных космических снимков спутников Landsat-7 и Landsat-8, полученных на портале Геологической службы США [1].

Обработка космоснимков проведена в программном пакете ArcGIS 10.3. При помощи окна «Анализ изображений» (Image Analysis), поддерживающего анализ и использование изображения и растровых данных в ArcMap с коллекцией часто используемых возможностей, процессов отображения и инструментов измерения, произведён расчёт значений NDVI для исследуемой территории.

Использование кнопки NDVI позволяет вычислить индекс NDVI из мультиспектрального изображения или двух выбранных слоев изображения. NDVI - это стандартизированный индекс, позволяющий создавать изображение, отображающее зелень (относительную биомассу). Этот индекс использует контраст характеристик двух каналов из набора мультиспектральных растровых данных – поглощения пигментом хлорофилла в красном канале и высокой отражательной способности растительного сырья в инфракрасном канале (NIR).

Выходные данные добавляются в качестве временного слоя в таблицу содержания. По умолчанию метод цветовой карты применяется с использованием цветовой карты, где зеленый цвет представляет растительность, если не выбрана опция «Научные выходные данные» (Scientific Output).

NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) - нормализованный относительный индекс растительности - простой количественный показатель количества фотосинтетически активной биомассы (обычно называемый вегетационным индексом). Один из самых распространенных и используемых индексов для решения задач, использующих количественные оценки растительного покрова.

NDVI вычисляется по следующей формуле:

 

 

где: NIR - отражение в ближней инфракрасной области спектра;

RED - отражение в красной области спектра.

 

Согласно данной формуле плотность растительности (NDVI) в определенной точке изображения равна разнице интенсивностей отраженного света в красном и инфракрасном диапазоне, деленной на сумму их интенсивностей [2].

Расчет NDVI базируется на двух наиболее стабильных (не зависящих от прочих факторов) участках спектральной кривой отражения сосудистых растений. В красной области спектра (0,6-0,7 мкм) лежит максимум поглощения солнечной радиации хлорофиллом высших сосудистых растений, а в инфракрасной области (0,7-1,0 мкм) находится область максимального отражения клеточных структур листа. То есть высокая фотосинтетическая активность (связанная, как правило, с густой растительностью) ведет к меньшему отражению в красной области спектра и большему в инфракрасной. Отношение этих показателей друг к другу позволяет четко отделять, анализировать и дифференцировать растительные объекты от прочих природных объектов. Использование же не простого отношения, а нормализованной разности между минимумом и максимумом отражений увеличивает точность измерения, позволяет уменьшить влияние таких явлений как различия в освещенности снимка, облачности, дымки, поглощение радиации атмосферой и пр. [2].

 NDVI может быть рассчитан на основе любых снимков высокого, среднего или низкого разрешения, имеющим спектральные каналы в красном (0,55-0,75 мкм) и инфракрасном диапазонах (0,75-1,0 мкм). Алгоритм расчета NDVI встроен практически во все распространенные пакеты программного обеспечения, связанные с обработкой данных дистанционного зондирования (Arc View Image Analysis, ERDAS Imagine, ENVI, Ermapper, Scanex MODIS Processor, ScanView и др.) [2].

Для отображения индекса NDVI используется стандартизованная непрерывная градиентная или дискретная шкала, показывающая значения в диапазоне от -1 до 1 в % или в так называемой масштабированной шкале в диапазоне от 0 до 255 (используется для отображения в некоторых пакетах обработки ДЗЗ, соответствует количеству градаций серого), или в диапазоне 0..200 (-100..100), что более удобно, так как каждая единица соответствует 1% изменения показателя. Благодаря особенности отражения в NIR-RED областях спектра, природные объекты, не связанные с растительностью, имеют фиксированное значение NDVI, что позволяет использовать этот параметр для их идентификации (таблица 1).

В целом главным преимуществом NDVI является легкость его получения: для вычисления индекса не требуется никаких дополнительных данных и методик, кроме непосредственно самой космической съемки и знания ее параметров.

Так, благодаря минимальному временному разрешению данных MODIS/Terra, вычисление NDVI на их основе может давать оперативную информацию об эколого-климатической обстановке и возможность отслеживать динамику различных параметров с периодичностью до 1 недели. А большой пространственный охват позволяет проводить мониторинг территорий, соразмерный с площадями областей и целых стран. Данные же камер высокого разрешения, типа Landsat, IRS, Aster позволяют следить за состоянием объектов размерами вплоть до отдельного поля или лесного выдела.

 

Таблица 1

 Значения NDVI и соответствующая ему территория

На представленных картах территории городского округа город Воронеж и прилегающей буферной 10-км зоны выделены 4 зоны, описанные в таблице 2.

Таблица 2

Цветовые обозначения на картах

Проведя классификацию пространственных объектов по методу NDVI космического снимка спутника Landsat-7, изучены пространственные соотношения территорий, занятых гидрологическими объектами, зелёными насаждениями, составляющими природный каркас территории, слабо и сильно антропогенезированными территориями по данным на 10 августа 2001 года на территории города Воронежа, а также в 10-ти километровых буферных зонах указанных урбанизированных территорий (карта 30).

Изучение динамики различных территорий за десятилетний период аналогичная классификация территории города Воронежа, а также в 10-ти километровых буферных зон было проведено по космическому снимку спутника Landsat-8 за 2018 год (карта 31).

Анализ пространственного зонирования территории городского округа г. Воронежа и пригородной десятикилометровой зоны (в общей сложности 1246 км²) методом NDVI (карты 30, 31), показал, что большая часть исследуемой территории (от 40 до 50 %) относится к слабоантропогенезированной зоне.

Основную долю слабоантропогенезированных территорий составляют сельскохозяйственные поля, прилегающих к городу Воронежу Рамонского, Новоусманского и Семилукского муниципальных районов.

Доля природного каркаса – 8 -10% от общей площади территории. Однако следует отметить, что территории, составляющие природный каркас урбанизированной территории городского округа г. Воронежа расположены преимущественно с северной стороны от города, что существенно снижает их положительное воздействие на микроклимат городской территории, поскольку по данным Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды преимущественное перемещение воздушных масс над территорией города Воронежа происходит в основном в северо-восточном направлении.

Сильноантропогенезированные территории, которые за исключением селитебной эколого-функциональной зоны могут быть рассмотрены как зоны экологического риска, расположены преимущественно внутри территории городского округа г. Воронежа, а также в районе иных более мелких урбанизированных территорий.

Анализ динамики изменения расположения различных зон за 15 летний период позволил установить незначительное (в пределах погрешности методики) сокращение водных объектов, увеличение на 8% сильноантропогенезированных территорий, что может быть обусловлено активным строительством жилых объектов как на территории самого города Воронежа, так и в пригородной зоне (Бобяково, Сомово и др.), а также незначительное увеличение территории, относящейся к природному каркасу (менее 5%), что может быть обусловлено реализацией на данной территории различных федеральных и региональных природоохранных программ.

В целом, снижение на 10% территории слабоантропогенезированной зоны городского округа г. Воронежа и пригородной десятикилометровой зоны обусловлено увеличением сильноантропогенезированной зоны.

 

ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ РЕСУРСЫ

 

1. U.S. Geological Survey. Электронный ресурс : https://www.usgs.gov

2. Географические информационные системы и дистанционное зондирование. Электронный ресурс: http://gis-lab.info/qa/ndvi.html