یکی از مهم ترین کاربردهای تصاویر ماهواره ای در سنجش از دور، بررسی وضعیت پوشش گیاهی و پایش تغییرات محیطی است. شاخص NDVI به عنوان یکی از پرکاربردترین شاخص های طیفی، امکان ارزیابی سلامت گیاهان، تراکم پوشش گیاهی و تغییرات زمانی آن را فراهم می کند.
در این آموزش یاد می گیریم چگونه با استفاده از تصاویر ماهواره ای Sentinel-2 و نرم افزارArcGIS Pro یک نقشه NDVI تولید کنیم.
در پایان این آموزش قادر خواهید بود:
تصویر ماهواره ای Sentinel-2 را آماده سازی کنید. باندهای موردنیاز برای NDVI را استخراج کنید. شاخص NDVI را در ArcGIS Pro محاسبه کنید. نقشه خروجی را طبقه بندی و برای تحلیل های GIS آماده کنید.
چرا Sentinel-2 بهترین گزینه برای محاسبه NDVI است؟
انتخاب منبع داده ماهواره ای یکی از مهم ترین مراحل در مطالعات سنجش از دور است. اگرچه ماهواره های مختلفی مانند Landsat و MODIS نیز امکان محاسبه شاخص و تولید نقشه NDVI را فراهم می کنند، اما Sentinel-2 به دلیل تفکیک مکانی بالا، دسترسی رایگان و دوره بازدید کوتاه، یکی از بهترین گزینه ها برای پایش پوشش گیاهی محسوب می شود.
در جدول زیر مقایسه ای بین Sentinel-2، Landsat-9 و MODIS برای تولید نقشه NDVI ارائه شده است.
| ویژگی | Sentinel-2 | Landsat-8/9 | MODIS (Terra/Aqua) |
| تفکیک مکانی باندهای NDVI | ۱۰ متر |
۳۰ متر | ۲۵۰ متر |
| دوره بازدید (تکرار تصویربرداری) | ۵ روز |
۱۶ روز | روزانه |
| تعداد باندهای طیفی | ۱۳ باند | ۱۱ باند | ۳۶ باند |
| دسترسی به داده | رایگان |
رایگان |
رایگان |
| وجود باندهای ابر و سایه | باند QA60 | باند QA_PIXEL | باند State QA |
| سطح پردازش ارائه شده | L1C (TOA) و L2A (SR) |
L1TP (TOA) و L2SP (SR) | سطح ۲ (SR) |
| مناسب ترین کاربرد | کشاورزی دقیق و مطالعات محلی | مطالعات تاریخی و تغییرات بلندمدت | پایش جهانی و روزانه |
تحلیل جدول:
ماهواره Sentinel-2 تفکیک مکانی ۱۰ متر، جزئیات بسیار بیشتری نسبت به Landsat (۳۰ متر) و MODIS (۲۵۰ متر) ارائه می دهد. این ویژگی برای مطالعات کشاورزی دقیق (Precision Agriculture) که در آن تشخیص ردیف های کشت و حتی تک درختان اهمیت دارد، حیاتی است.
دوره بازدید ۵ روزه Sentinel-2 با دو ماهواره Sentinel-2A و Sentinel-2B تعادل مناسبی بین سرعت پایش و کیفیت داده برقرار می کند. اگرچه MODIS به صورت روزانه تصویربرداری می کند، اما تفکیک مکانی پایین آن، کاربرد را به مطالعات کلان و قاره ای محدود می کند.
دسترسی رایگان و بدون محدودیت هر سه ماهواره، امکان تحلیل های سری زمانی بلندمدت را برای همه پژوهشگران فراهم کرده است.
ارائه محصول Level-2A در Sentinel-2 به معنای دریافت داده های تصحیح اتمسفری شده (Surface Reflectance) است که زمان و هزینه پردازش اولیه را به شدت کاهش می دهد.
نتیجه گیری: اگر به دنبال تولید نقشه های NDVI با جزئیات بالا برای مطالعات محلی یا کشاورزی هستید، Sentinel-2 بهترین انتخاب است. برای پایش روزانه در مقیاس منطقه ای یا جهانی، MODIS و برای مطالعات روند بلندمدت (از دهه ۱۹۸۰ )Landsat گزینه های مناسبی هستند.
Sentinel-2 چیست؟
ماهواره Sentinel-2 یکی از ماهواره های برنامه فضایی کوپرنیک اتحادیه اروپا است که برای تصویربرداری از سطح زمین طراحی شده است. این ماهواره دارای سنجنده Multi Spectral Instrument (MSI) بوده و اطلاعات را در 13 باند طیفی مختلف ثبت می کند.
برخی ویژگی های مهم Sentinel-2:
| ویژگی | مقدار |
| تفکیک مکانی | 10، 20 و 60 متر |
| تعداد باندها | 13 باند |
| دوره بازدید مجدد | حدود 5 روز |
| فرمت داده | GeoTIFF |
| سیستم مختصات رایج | UTM / WGS84 |
به دلیل تفکیک مکانی مناسب و رایگان بودن داده ها، Sentinel-2 یکی از بهترین منابع برای محاسبه NDVI محسوب می شود.
کدام باندها از تصاویر Sentinel-2 برای محاسبه NDVI مناسب است؟
برای محاسبه NDVI تنها به دو باند نیاز داریم:
| باند | نام | طول موج | کاربرد |
| Band 4 | Red | 665 nm | جذب توسط کلروفیل گیاه |
| Band 8 | NIR | 842 nm | بازتاب زیاد توسط ساختار برگ |
برای مطالعه بیشتر در مورد این مقاله پیشنهاد میکنیم حتما با مراجعه به مقاله شاخص NDVI: راهنمای جامع محاسبه، کاربردها و اهمیت آن در سنجش از دور، نحوه تولید و سایر کاربردهای این شاخص را نیز بررسی نمایید.
بنابراین:
Band 8 → مادون قرمز نزدیک
Band 4 → قرمز
مرحله اول: دانلود تصویر Sentinel-2 از سایت Copernicus Data Space
برای دانلود تصاویر Sentinel-2 می توان از منابع مختلف استفاده کرد.
گام ها:
- ورود به سامانه Copernicus Data Space
- با استفاده از آدرس ایمیل خود یک حساب کاربری ایجاد نمایید
3. محدوده موردنظر خود را روی نقشه مشخص نمایید. (توجه داشته باشید در این صفحه می توانید محدوده خود را به سایت وارد نموده و به جستجوی داده های ماهواره ای بپردازید.)
4. انتخاب ماهواره Sentinel-2
5. انتخاب تاریخ تصویر
6. دانلود محصول Level-2A در تاریخ موردنظر
چرا برای انجام تحلیل شاخص NDVI از تصاویر Sentinel در سطح Level-2A استفاده میشود؟
محصولات Sentinel-2 معمولاً در دو سطح ارائه می شوند:
- Level-1C
شامل:
Reflectance بالای جو (TOA)
- Level-2A
شامل:
تصحیح اتمسفری
Surface Reflectance
برای محاسبه NDVI معمولاً استفاده از Level-2A پیشنهاد می شود.
مرحله دوم: وارد کردن تصاویر Sentinel-2 در ArcGIS Pro
ابتدا نرم افزار ArcGIS Pro را اجرا کنید.
از مسیر:
Map → Add Data
تصاویر دانلود شده را اضافه کنید.
در پوشه Sentinel-2 معمولاً ساختار زیر مشاهده می شود:
│
├── DATASTRIP
├── GRANULE
├── HTML
├── rep_info
├── INSPIRE.xml
├── manifest.safe
└── MTD_MSIL2A.xml
وارد پوشه GRANULE شوید.
GRANULE
└── L2A_T39SWV_A0xxxx_20260806T072321
وارد IMG_DATA شوید. در واقع معمولاً مسیر کامل این شکلی می شود:
GRANULE
└── L2A_T39SWV_…
└── IMG_DATA
├── R10m
├── R20m
└── R60m
جهت تولید شاخص NDVI وارد بخش R10m شوید. چون Sentinel-2 باندهای اصلی NDVI را در رزولوشن 10 متر دارد:
IMG_DATA
└── R10m
در این فولدر، فایل هایی به صورت زیر خواهیم داشت:
T39SWV_20260806T072321_B04_10m.jp2
T39SWV_20260806T072321_B08_10m.jp2
که:
B04 = Red B08 = NIR
مرحله سوم: آماده سازی باندها
در ArcGIS Pro بهتر است قبل از محاسبه NDVI و تولید نقشه NDVI بررسی کنید:
- سیستم مختصات
- تصاویر Sentinel-2 معمولاً در سیستم WGS 1984 UTM Zone قرار دارند.
- برای تحلیل های دقیق بهتر است داده ها در سیستم تصویر مناسب منطقه قرار بگیرند.
- یکسان بودن اندازه پیکسل
Band 4 و Band 8 هر دو دارای تفکیک مکانی 10 متر هستند.
بنابراین نیازی به Resampling ندارند.
مرحله چهارم: محاسبه NDVI در ArcGIS Pro
برای محاسبه شاخص NDVI دو روش وجود دارد.
روش اول: استفاده از ابزار NDVI در ArcGIS Pro
در ArcGIS Pro:
مسیر:
Imagery → Indices → NDVI
را انتخاب کنید.
(دقت کنید که حتما باید فایل BOA Reflectance-10m_MTD_MSIL2A را به پروژه افزوده باشید تا Indices فعال شود.)
سپس:
Red Band:
Band 4
Infrared Band:
Band 8
را مشخص کنید.
با اجرای ابزار، رستر NDVI تولید می شود.
روش دوم: استفاده از Raster Calculator
یکی از روش های دقیق تر، استفاده از Raster Calculator است.
مسیر:
Image Analysis Tools→ Map Algebra → Raster Calculator
را انتخاب کرده و در بخش ورود فرمول، فرمول زیر را وارد کنید:
( Float(“T39SWV_20260806T072321_B08_10m.jp2”) -Float(“T39SWV_20260806T072321_B04_10m.jp2”) ) / (Float(“T39SWV_20260806T072321_B08_10m.jp2”) + Float(“T39SWV_20260806T072321_B04_10m.jp2”) )
پس از اجرای پردازش، فایل خروجی NDVI ایجاد خواهد شد.
تفسیر نقشه NDVI تولید شده
همانطور که در فایل تولید شده می توانید ببینید، مقادیر NDVI معمولاً بین -1 تا +1 هستند.
برای نمایش بهتر، می توان طبقه بندی انجام داد. بطور مثال معمولا اعداد موجود در جدول زیر، بعنوان شاخص های نمایش وضعیت مورد استفاده قرار میگیرند:
| مقدار NDVI | وضعیت |
| -1 تا 0 | آب، ابر، مناطق بدون پوشش |
| 0 تا 0.2 | خاک و مناطق شهری |
| 0.2 تا 0.5 | پوشش گیاهی متوسط |
| 0.5 تا 0.8 | پوشش گیاهی متراکم |
| بالاتر از 0.8 | پوشش گیاهی بسیار سالم |
استخراج مناطق دارای پوشش گیاهی
اگر هدف از تولید نقشه NDVI شناسایی مناطق گیاهی باشد، می توان یک آستانه تعریف کرد. مثلاً: NDVI > 0.4 مناطق دارای پوشش گیاهی مناسب را نمایش می دهد.
در ArcGIS Pro:
Raster Calculator
فرمول:
Con(“NDVI” > 0.4,1,0) را وارد نمایید.
در نتیجه:
یک نقشه باینری از مناطق گیاهی تولید می شود. توجه داشته باشید که برای هر شاخصی که مدنظر دارد می توانید یک نقشه مجزا به همین روش تهیه کنید.
کاربردهای تولید نقشه NDVI با استفاده از تصاویر Sentinel-2
پس از تولید نقشه NDVI می توان تحلیل های مختلفی انجام داد:
- کشاورزی دقیق
بررسی سلامت محصول
تشخیص تنش آبی
مدیریت کوددهی
- منابع طبیعی
پایش جنگل ها
بررسی تغییرات مراتع
ارزیابی تخریب پوشش گیاهی
- مطالعات محیط زیست
بررسی خشکسالی
پایش تغییرات اقلیمی
تحلیل تغییرات کاربری زمین
خطاهای رایج هنگام محاسبه شاخص NDVI
1- استفاده از باند اشتباه در تولید نقشه NDVI
در Sentinel-2:
Band 3 برای Red مناسب نیست.
باید از Band 4 استفاده شود.
2- استفاده از تصاویر دارای ابر
وجود ابر باعث ایجاد مقادیر غیرواقعی NDVI می شود.
راهکار:
استفاده از تصاویر با درصد ابر کمتر از 10 درصد.
استفاده از تصاویر Level-1C بدون تصحیح
برای تحلیل های دقیق بهتر است از Level-2A استفاده شود.
فایل نمونه دانلودی آموزش تولید نقشه NDVI
برای تمرین این آموزش فایل مورد استفاده در تحلیل، دراختیار شما قرار گرفته است، می توانید با استفاده از آن تمرین کنید و یک پکیج نمونه تهیه نمایید.
جمع بندی
تولید نقشه NDVI با استفاده از تصاویر Sentinel-2 و ArcGIS Pro یکی از ساده ترین و در عین حال قدرتمندترین روش ها برای تحلیل پوشش گیاهی با داده های ماهواره ای است.
با ترکیب داده های رایگان Sentinel-2 و ابزارهای قدرتمند GIS می توان مطالعات گسترده ای در زمینه کشاورزی، منابع طبیعی، محیط زیست و مدیریت سرزمین انجام داد.
برای محاسبه شاخص NDVI در تصاویر Sentinel-2 باید از Band 4 (Red) و Band 8 (NIR) استفاده کنید. باند 4 در محدوده قرمز و باند 8 در محدوده مادون قرمز نزدیک قرار دارد و هر دو دارای تفکیک مکانی 10 متر هستند.
برای بیشتر تحلیل های NDVI، استفاده از Sentinel-2 Level-2A پیشنهاد می شود؛ زیرا این محصول شامل داده های Surface Reflectance پس از تصحیح اتمسفری است و برای تحلیل های کمی پوشش گیاهی مناسب تر است.
NDVI از نسبت اختلاف و مجموع بازتاب باندهای NIR و Red محاسبه می شود و مقدار آن به طور معمول در بازه -1 تا +1 قرار می گیرد. مقادیر منفی معمولاً به آب یا سطوح بدون پوشش گیاهی مربوط هستند، در حالی که مقادیر بالاتر نشان دهنده پوشش گیاهی متراکم تر و سالم تر هستند.
خیر. در Sentinel-2، باندهای 4 و 8 هر دو دارای تفکیک مکانی 10 متر هستند؛ بنابراین برای محاسبه مستقیم NDVI نیازی به Resampling این دو باند وجود ندارد.
می توانید با استفاده از ابزار Raster Calculator یا ابزارهای شرطی ArcGIS Pro یک آستانه برای NDVI تعیین کنید. برای مثال، عبارت Con(“NDVI” > 0.4, 1, 0) مناطقی را که مقدار NDVI آن ها بیشتر از 0.4 است به عنوان مناطق دارای پوشش گیاهی مشخص می کند. مقدار آستانه باید متناسب با نوع پوشش گیاهی و هدف مطالعه انتخاب شود.
