مستخدم:Elatawneh/مؤشر الفرق المعياري للغطاء النباتي

مؤشر الفرق المعياري للغطاء النباتي ( NDVI ) هو مؤشر بسيط يمكن استخدامه لتحليل قياسات الاستشعار عن بعد، غالبًا من منصة فضائية، وويمكن من خلاله تقييم إذا ما كان الهدف الذي يتم ملاحظته يحتوي على نباتات خضراء حية أم لا.

نبذة تاريخية

مؤشر الفرق المعياري للغطاء النباتي للزراعة الدقيقة بدقة 4 سم \ للبكسل على سطح الأرض

مؤشر الفرق المعياري للغطاء النباتي في شهر يونيو فوق الجزر البريطانية (NOAA AVHRR)

مؤشر الفرق المعياري للغطاء النباتي في شهر أكتوبر فوق الجزر البريطانية (NOAA AVHRR)

مؤشر الفرق المعياري للغطاء النباتي بمعدل 6 شهور لأستراليا، من 1 ديسمبر 2012 إلى 31 مايو 2013.

بدأ استكشاف الفضاء الخارجي بشكل جدي مع إطلاق سبوتنيك 1 من قبل الاتحاد السوفياتي في 4 أكتوبر 1957. كان هذا أول قمر صناعي من صنع الإنسان يدور حول الأرض . أدت عمليات الإطلاق الناجحة اللاحقة، في كل من الاتحاد السوفيتي (على سبيل المثال، برامج سبوتنيك وكوسموس)، وفي الولايات المتحدة (على سبيل المثال، برنامج Explorer )، إلى سرعة تصميم وتشغيل الأقمار الصناعية المخصصة للأرصاد الجوية. وهذه عبارة عن منصات تدور حول الأرض محملة بأدوات مصممة خصيصًا لمراقبة الغلاف الجوي وسطح الأرض بهدف تحسين التنبؤ بحالة الطقس. ابتداء من سنة 1960، شرعت سلسلة الأقمار الصناعية TIROS في حمل كاميرات تلفزة وأجهزة استشعار. هذا وفي وقت لاحق (بدءا من سنة 1964 فصاعدًا) أتبعت بالأقمار الصناعية Nimbus ومجموعة أدوات قياس الإشعاع المتقدمة عالية الدقة على متن منصات الإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي (NOAA). وهذا الأخير يقيس الطيف المنعكس عن سطح الأرض في النطاقات الطيفة الحمراء وشبه تحت الحمراء، وكذلك في الأشعة تحت الحمراء الحرارية. في موازاة ذلك، طورت ناسا القمر الصناعي لتكنولوجيا موارد الأرض (ERTS)، والذي أصبح بدوره مقدمة لبرنامج لاندسات. كان لهذه المستشعرات المبكرة دقة طيفية ضئيلة، لكن كانت تميل نطاقاتها لتشمل الطيف في اللون الأحمر والأشعة تحت الحمراء القريبة، وهذا بدوره مفيد لتمييز النباتات والسحب من بين أهداف أخرى.

مع إطلاق أول قمر صناعي من ERTS - الذي سرعان ما أعيدت تسميته لاندسات 1 - في 23 يوليو 1972 مع مستشعر متعدد الطيف (MSS) قامت وكالة ناسا بتمويل عدد من الدراسات لتحديد قدراتها على استشعار الأرض عن بعد. تم توجيه إحدى تلك الدراسات المبكرة نحو فحص بداية الإخضرار الربيعي متبوعا بجفاف النباتات في الصيف و الخريف (في ما يسمى "تقدم الغطاء النباتي وتراجعه ") في جميع أنحاء الشمال إلى الجنوب من منطقة السهول الكبرى في وسط الولايات المتحدة. غطت منطقة الدراسة هذه مجموعة واسعة من خطوط العرض من الطرف الجنوبي لتكساس إلى الحدود بين الولايات المتحدة وكندا، مما أدى إلى أن تضمنت الصور الملتقطه مجموعة واسعة ومختلفة من زوايا السمت الشمسي في وقت رصد الأقمار الصناعية.

وجد الباحثون في دراسة منطقة السهول الكبرى (طالب الدكتوراه دونالد ديرينج ومشرفه الدكتور روبرت هاس) أن قدرتهم قد أربكت على ربط أو تحديد الخصائص الفيزيائية الحيوية للنباتات في هذه المنطقة مع الإشارات الطيفية من الصور الساتلية بسبب هذه الاختلافات في زاوية السمت الشمسي عبر هذه المجموعة الواسعة من خطوط العرض. بمساعدة عالم رياضيات مقيم (الدكتور جون شيل) ، درسوا حلولًا لهذه المعضلة ومن ثم طوروا نسبة بحساب الفرق بين الإشعاع الأحمر والأشعة تحت الحمراء مقسوما على مجموعهما كوسيلة لضبط أو "معايرة" تأثيرالإختلاف في قيم زاوية السمت الشمسي. في البداية، أطلقوا على هذه النسبة "مؤشر الغطاء النباتي" (وبصيغة أخرى، تحويل الجذر التربيعي لنسبة الفرق بين المجموع ، "مؤشر الغطاء النباتي المحول")؛ لكن ونظرًا لأن العديد من الباحثين الآخرين في مجال الاستشعار عن بُعد كانوا يسمون النسبة البسيطة (الحمراء / تحت الحمراء) وكذلك النسب الطيفية الأخرى بـ "مؤشر الغطاء النباتي" ، فقد بدأوا أخيرا في تسمية النسبة المركبة من حساب الاختلاف / المجموع بمؤشر الفرق المعياري للغطاء النباتي. أول استخدام تم الإبلاغ عنه لمؤشر الفرق المعياري للغطاء النباتي NDVI في دراسة منطقة السهول الكبرى كان في سنة 1973 بواسطة Rouse et al. ^[2] (كان الدكتور جون روس مدير مركز الاستشعار عن بعد بجامعة تكساس إي أند إم حيث أجريت دراسة منطقة السهول الكبرى). ومع ذلك، فقد سبقتهم دراسة في صياغة مؤشر الفرق المعياري للغطاء النباتي بواسطة Kriegler et al. 1969. ^[3] بعد وقت قصير من إطلاق ERTS-1 (لاندسات 1)، أنتج كومبتون تاكر من مركز جودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا سلسلة مبكرة من مقالات المجلات العلمية التي تصف استخدامات مؤشر الفرق المعياري للغطاء النباتي NDVI.

وبهذا، كان مؤشر الفرق المعياري للغطاء النباتي NDVI واحدًا من أنجح المحاولات العديدة لتحديد المناطق النباتية و "ظروفها" بكل بساطة وسرعة، ويظل هذا المؤشر الأكثر شهرة واستخدامًا للكشف عن مسطحات النباتات الخضراء الحية في حالة إستخدام بيانات الاستشعار عن بعد ذات الأطياف المعدودة. بمجرد إثبات جدوى الكشف عن الغطاء النباتي، يميل المستخدمون أيضًا إلى استخدام مؤشر الـ NDVI لقياس كفاءة التمثيل الضوئي للغطاء النباتي. مع الحذر بأن هذا الأمر يمكن أن يكون أكثر تعقيدًا إلى حد ما إذا لم يتم بشكل صحيح، كما هو موضح أدناه.

الأساس المنطقي

اشارة طيفية نموذجية لإشعاع تمثيل الضوئي نشط PAR، تظهر بجانب اشارة امتصاص طيفية لكل من الكلوروفيل- A، والكلوروفيل-ب، والكاروتينات

تمتص النباتات الخضراء الحية الإشعاع الشمسي في المنطقة الطيفية لإشعاع التمثيل الضوئي النشط (PAR) ، والتي تستخدمها كمصدر للطاقة في عملية التمثيل الضوئي. تطورت خلايا الأوراق أيضًا لإعادة إطلاق الإشعاع الشمسي في المنطقة الطيفية القريبة من الأشعة تحت الحمراء (التي تحمل ما يقرب من نصف إجمالي الطاقة الشمسية الواردة) لأن طاقة الفوتون عند الأطوال الموجية الأكبر من حوالي 700 نانومتر ضئيلة جدًا بحيث لا يمكنها تركيب الجزيئات العضوية. إن الامتصاص القوي عند هذه الأطوال الموجية لن يؤدي إلا إلى ارتفاع درجة حرارة النبات وإتلاف الأنسجة. ولذلك تبدو النباتات الخضراء الحية مظلمة نسبيًا في المنطقة الطيفية لإشعاع التمثيل الضوئي النشط PAR ومشرقة نسبيًا في المنطقة الطيفية لأشعة شبه تحت الحمراء. ^[4] على النقيض من ذلك، تميل الغيوم والثلوج إلى السطوع أكثر في اللون الأحمر (بالإضافة إلى الأطوال الموجية المرئية الأخرى) ومظلمة تمامًا في نطاق أشعة شبه تحت الحمراء. أما صبغة الكلوروفيل في أوراق النبات فانها تمتص الضوء المرئي بقوة في النطاق (من 0.4 إلى 0.7 ميكرومتر) للاستخدام في البناء الضوئي. من ناحية أخرى ، يعكس هيكل الخلية للأوراق الضوء القريب من الأشعة تحت الحمراء بقوة في النطاق (من 0.7 إلى 1.1 ميكرومتر). كلما زادت أوراق النبات، كلما تأثرت هذه الأطوال الموجية للضوء بالنتيجة. منذ أن سجلت المستشعرات الاولى لرصد الأرض، مثل ERTS التابعة لوكالة ناسا و AVHRR لـ NOAA ، البيانات في الأشعة المرئية والأشعة القريبة من تحت الحمراء، كان من الطبيعي استغلال الاختلافات القوية في الاشارات الطيفية للنباتات لتحديد اماكن واشكال توزيعها في بيانات صور هذة الأقمار الصناعية.

يتم حساب مؤشر الفرق المعياري للغطاء النباتي NDVI من هذه القياسات الفردية على النحو التالي:

{\mbox{NDVI}}={\frac {({\mbox{NIR}}-{\mbox{Red}})}{({\mbox{NIR}}+{\mbox{Red}})}}

تطبيقات في الزراعة

في مجال الزراعة الدقيقة، توفر بيانات مؤشر الفرق المعياري للغطاء النباتي NDVI قياسًا لحالة المحاصيل الصحية. حديثا أصبح هذا ما يتضمن غالبًا استخدام الطائرات بدون طيار الزراعية، والتي يتم إقرانها بمؤشر NDVI لمقارنة البيانات والتعرف على مشكلات الصحية للمحاصيل. أحد الأمثلة على ذلك هو الطائرات بدون طيار الزراعية من PrecisionHawk و Sentera ، والتي تسمح للمزارعين بالتقاط ومعالجة بيانات مؤشر NDVI في غضون يوم واحد، وهذا مختلف عن الاستخدامات التقليدية لمؤشر NDVI التي تكون على مدى فترات طويلة. ^[5] أثبت العديد من الأبحاث التي تم إجراؤها مؤخرا أنه يمكن الحصول على صور لمؤشر NDVI باستخدام كاميرات رقمية عادية ذوات مستشعرات في الضوء المرئي من خلال بعض التعديلات من أجل الحصول على نتائج مماثلة لتلك التي تم الحصول عليها من الكاميرات متعددة الأطياف ويمكن استخدامها بشكل فعال في أنظمة مراقبة الحالة الصحية للمحاصيل.

أنظر أيضا

مؤشر غطاء نباتي محسن
مؤشر الفرق المعياري للماء (NDWI)
الحافة الحمراء
نموذج الغلاف الحيوي البسيط المنقح (SIB-2)
MAUP-NDVI ^[6]

ملاحظات

^ "Measuring Vegetation (NDVI & EVI)". 30 أغسطس 2000.
^ Rouse, J.W, Haas, R.H., Scheel, J.A., and Deering, D.W. (1974) 'Monitoring Vegetation Systems in the Great Plains with ERTS.' Proceedings, 3rd Earth Resource Technology Satellite (ERTS) Symposium, vol. 1, p. 48-62. https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19740022592.pdf
^ Kriegler, F.J., Malila, W.A., Nalepka, R.F., and Richardson, W. (1969) 'Preprocessing transformations and their effects on multispectral recognition.' Proceedings of the Sixth International Symposium on Remote Sensing of Environment, p. 97-131.
^ Gates, David M. (1980) Biophysical Ecology, Springer-Verlag, New York, 611 p.
^ Lyseng، Ron. "Sentera links processor with sensor for live NDVI". Western Producer.
^ Nouri، Hamideh؛ Anderson، Sharolyn؛ Sutton، Paul؛ Beecham، Simon؛ Nagler، Pamela؛ Jarchow، Christopher J.؛ Roberts، Dar A. (15 أبريل 2017). "NDVI, scale invariance and the modifiable areal unit problem: An assessment of vegetation in the Adelaide Parklands". Science of the Total Environment. 584–585: 11–18. Bibcode:2017ScTEn.584...11N. DOI:10.1016/j.scitotenv.2017.01.130. PMID:28131936.

المرجع "BOMNDVI" المذكور في <references> غير مستخدم في نص الصفحة.

روابط خارجية

[[تصنيف:جغرافيا حيوية]] [[تصنيف:استشعار عن بعد]] [[تصنيف:أقمار اصطناعية للأرصاد الجوية والاستشعار عن بعد]]

[1] "Measuring Vegetation (NDVI & EVI)". 30 أغسطس 2000.

[2] Rouse, J.W, Haas, R.H., Scheel, J.A., and Deering, D.W. (1974) 'Monitoring Vegetation Systems in the Great Plains with ERTS.' Proceedings, 3rd Earth Resource Technology Satellite (ERTS) Symposium, vol. 1, p. 48-62. https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19740022592.pdf

[3] Kriegler, F.J., Malila, W.A., Nalepka, R.F., and Richardson, W. (1969) 'Preprocessing transformations and their effects on multispectral recognition.' Proceedings of the Sixth International Symposium on Remote Sensing of Environment, p. 97-131.

[4] Gates, David M. (1980) Biophysical Ecology, Springer-Verlag, New York, 611 p.

[5] Lyseng، Ron. "Sentera links processor with sensor for live NDVI". Western Producer.

[6] Nouri، Hamideh؛ Anderson، Sharolyn؛ Sutton، Paul؛ Beecham، Simon؛ Nagler، Pamela؛ Jarchow، Christopher J.؛ Roberts، Dar A. (15 أبريل 2017). "NDVI, scale invariance and the modifiable areal unit problem: An assessment of vegetation in the Adelaide Parklands". Science of the Total Environment. 584–585: 11–18. Bibcode:2017ScTEn.584...11N. DOI:10.1016/j.scitotenv.2017.01.130. PMID:28131936.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]