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Indice NDVI

Cos’è l’Indice NDVI e a cosa serve

(Contributo di Alessio Giusti @flybri)

Le piante assorbono la radiazione solare mediante la radiazione fotosinteticamente attiva (in inglese nota anche come Photosynthetically active radiation – PAR) nella regione spettrale, che poi utilizzano come fonte di energia nel processo di fotosintesi. Le cellule delle foglie si sono evolute a disperdere (cioè, riflettere e a trasmettere) la radiazione solare nel vicino infrarosso della regione spettrale (che trasporta circa la metà dell’energia solare in arrivo totalmente), perché il livello di energia per fotone in quel dominio (lunghezze d’onda più lunghe di 700 nanometri) non è sufficiente per essere utile per sintetizzare molecole organiche. Un forte assorbimento a queste lunghezze d’onda potrebbe solamente provocare il surriscaldamento della pianta ed eventualmente danneggiarne i tessuti. Quindi, le piante appaiono relativamente scure nel PAR e relativamente luminose nel vicino infrarosso. Al contrario, nuvole e neve tendono ad essere piuttosto brillanti nella banda rossa (così come altre lunghezze d’onda visibili) e piuttosto scure nel vicino infrarosso. Il pigmento delle foglie, la clorofilla, assorbe fortemente la luce visibile (da 0,4 a 0,7 um) per l’utilizzo nella fotosintesi. La struttura cellulare delle foglie, invece, riflette fortemente la luce nel vicino infrarosso (da 0,7 a 1,1 um). Più è grande il numero di foglie che una pianta ha, maggiori lunghezze d’onda sono colpite e quindi maggiore è la quantità di luce che viene coinvolta. 

Come si può notare nella immagine riportata sotto, una pianta sana ha un assorbimento elevato alle lunghezze d’onda prossime al colore Blu e al colore Rosso. Riflette invece il Verde (per questo vediamo le piante di questo colore) e sopratutto riflette molto infrarosso (NIR) invisibile all’occhio umano.

Nella immagine sotto viene rapprsentato lo spettro della riflettanza, comparando le curve per vegetazione sana, per vegetazione non sana e per il suolo.

A titolo di esempio riportiamo anche una fotografia ripresa nel vicino infrarosso nella quale appare evidente che le parti più chiare corrispondono al fogliame ed all’erba, mentre il cielo, i tronchi e la pavimentazione risultano più scuri.

Usando macchine fotografiche sensibili sia nel visibile che nel vicino infrarosso possiamo calcolare il rapporto tra la riflettanza nel visibile e la riflettanza nel vicino infrarosso, facendo rapporto questo si ottiene il “famoso” indice NDVI, ovvero l’ indice di vitalità della pianta.

Nello specifico l’indice NDVI viene così calcolato:

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

dove VIS e NIR stanno rispettivamente per le misure di riflettanza spettrale acquisite nelle regioni visibile (rosso e/o blu) e nel vicino infrarosso. L’indice ha una scala cromatica che serve velocemente ad individuare le zone di stress vegetativo dalle zone più rigogliose. A sinistra sono rappresentate alcune scale cromatiche. Normalmente i valori vanno da +1 a -1 e rappresentano con i valori positivi la vegetazione in salute e con i negativi , zone con vegetazione morta , terreni o agglomerati urbani.

Nelle immagini sotto sono rappresentate due fotografie : la prima corrisponde ad una fotografia NGR (near infrared, green, red), mentre la successiva corrisponde alla elaborazione per il calcolo dell’indice NDVI. Le zone rosse sono ricche di clorofilla, si notano bene i campi lavorati, le zone prive di vegetazione (grigio) e gli agglomerati di case e strade (bianco/grigio).

Metodi di Misura

Un metodo economico per fare una prima indagine NDVI è quello di usare le macchine fotografiche tradizionali opportunamente modificate. Infatti il sensore delle macchine fotografiche ha una sensibilità molto estesa anche sulle lunghezze d’onda infrarosse come vediamo dalla foto qui sotto.

Il sensore CMOS o CCD è sensibile anche alla radiazione infrarossa ma nella fotografia tradizionale questa non viene utilizzata, anzi è meglio eliminarla, per questo viene montato un filtro al fine di eliminare la componente infrarossa che produrrebbe un’immagine con dominante rosa.

Nella immagine a lato si vede un sensore CCD con il suo filtro anti IR.

Nel nostro caso però questo filtro deve essere tolto per far entrare la luce infrarossa utile a calcolare l’indice NDVI. Le macchine fotografiche digitali producono un immagine composta da tre colori : il rosso, il verde e il blu (RGB). Per il nostro scopo dobbiamo sostituire un colore (RGB) con l’infrarosso. Per fare questo si monta un filtro esterno alla macchina, nell’esempio sotto il Blu.
Con questo filtro vengono fermati il verde e il rosso mentre il Blu e l’infrarosso passano (l’infrarosso non viene fermato dal filtro blu). Per cui il blu viene registrato nella componente blu e l’infrarosso entra nella componente rossa.
Il risultato è una foto che ha una componente del visibile (banda blu) e una componente dell’infrarosso (banda rossa).
La componente verde viene registrata lo stesso perché il sensore ha un estensione dei colori molto ampia, per cui la parte verde sconfina anche nel blu e nel rosso, per questo nell’immagine troveremo anche la componente verde, ma quest’ultima non verrà usata per il computo.

Tornando alla formula vista prima possiamo sostituire il visibile con il solo Rosso o il Blu :

Infatti l’indice NDVI può essere calcolato sia con lo spettro blu, sia con lo spettro rosso. entrambi in accoppiata con il NIR (Vicino Infrarosso). Ma quale formula scegliere? Meglio utilizzare l’NDVI con il blu o l’NDVI con il Rosso ? Quali sono le differenze ? E quale conviene usare ?

Da studi effettuati, l’indice NDVI con lo spettro rosso risulta più distribuito e preciso rispetto allo spettro blu.

Nell’indice NDVI con lo spettro blu, vengono considerati anche materiali non fotosintetici, riportando informazioni fuorvianti. Utilizzando il filtro blu, il valore NDVI di interesse è molto limitato, rendendo difficile riconoscere le piante in pessima condizione di salute.

Ma allora l’NDVI con lo spettro blu è da scartare? Certo che no. Lo spettro blu è più lontano dallo spettro rosso rispetto al NIR. Risulta quindi più adatto alle camere con singolo filtro, in questo caso, con una singola fotocamera, è possibile calcolare l’NDVI. In generale è necessario fare diversi tentativi al fine di trovare il filtro più adatto per ottenere le immagini migliori.

Macchina Fotografica

Per le nostre prove abbiamo utilizzato una “action cam” al posto di una tradizionale macchina fotografica. Si tratta della Mobius Action Cam che offre un buon rapporto qualità / prezzo. La camera può essere facilmente smontata ed il filtro IR può venire tolto e sostituito con il relativo filtro rosso o blu con relativa semplicità. Nelle immagini mostrate sotto si vede la action cam chiusa e smontata, con il filtro rosso applicato all’obiettivo. Dei tutorial completi si possono trovare al seguente link : Infragram 

Software Theremino NDVI

Monitorare le coltivazioni dall’alto con i droni sta diventando sempre più economico. La applicazione Theremino NDVI converte le immagini che contengono il blu/rosso e l’infrarosso, in immagini a falsi colori, che visualizzano l’indice NDVI e mostrano lo stato di salute della vegetazione.

Caratteristiche di Theremino NDVI

  • Con i controlli Min e Max si adatta il funzionamento anche ad immagini con il bilanciamento del bianco inesatto o scattate in condizioni di luce non ottimali.
  • La funzione “Istogramma” aiuta a trovare la migliore regolazione.
  • Facendo doppio click sull’istogramma si regolano automaticamente Min e Max.
  • Con il tasto colorato si possono usare sia i classici filtri BLU, che i filtri ROSSI.
  • Quindici scale cromatiche diverse permettono di esaltare al meglio le caratteristiche della immagine.

Esempi di Immagini NDVI

Riportiamo nel seguito alcune esempi di immagini NDVI ottenute con la mobius action cam e con il software Theremino NDVI. Risulta evidente che le zone più ricche di vegetazione sono quelle che fanno registrare un valore più elevato di indice NDVI.

L’immagine seguente è interessante perchè sono state fotografate 5 foglie : la prima è stata appena staccata dalla pianta, le successive invece sono state staccate ad un giorno di distanza l’una dall’altra, l’ultima foglia sulla destra della immagine è la più vecchia, essendo stata staccata da quattro giorni.
L’immagine NDVI mette chiaramente in evidenza la diversa “vitalità” delle cinque foglie.

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