تحقیقات کاربردی علوم جغرافیایی

تحقیقات کاربردی علوم جغرافیایی

بهبود دقت زمانی و مکانی نقشه شاخص پوشش گیاهی (NDVI) با استفاده از الگوریتم‌های تلفیق تصاویر ماهواره ای

نویسندگان
زینب ظاهری عبده وند
مصطفی کابلی زاده
10.61186/jgs.25.78.17
چکیده
استفاده از تصاویر ماهواره‌ای لندست در محدوده‌های وسیع، امکان پوشش هم‌زمان کل منطقه را فراهم نمی‌کند. این مسئله زمانی که ارزیابی پوشش‌های گیاهی هم‌زمان و یا بررسی تغییرات پدیده‌های کوتاه‌مدت در یک منطقه وسیع مد نظر باشد، مطالعات را با چالش مواجه می‌سازد. ادغام داده‌های تصاویر ماهواره‌ای لندست با قدرت تفکیک‌پذیری مکانی مناسب، با اطلاعات تصاویر ماهواره‌ای مادیس با قدرت تفکیک‌پذیری زمانی مناسب، می‌تواند راه‌حلی برای پیوند بین داده‌های با وضوح زمانی و مکانی مناسب باشد. هدف از این تحقیق ارزیابی الگوریتم‌های مختلف ادغام تصاویر در تهیه نقشه شاخص پوشش گیاهی (NDVI) می‌باشد. بدین منظور از شش الگوریتم تلفیق، شامل NNDiffuse (انتشار نزدیک‌ترین همسایه)، PC (مؤلفه‌های اصلی)،Brovey، CN(رنگ نرمال شده)، Gram-Schmidt و SFIM (مدل مبتنی بر فیلتر هموارسازی) در یک محدوده آزمایشی در استان خوزستان استفاده شد. پس از ارزیابی نتایج الگوریتم‌ها و انتخاب مناسب‌ترین الگوریتم تلفیق، بر اساس محاسبه میزان خطاهای آماری و ارزیابی معیارهای طیفی (ضریب همبستگی) و مکانی (فیلتر لاپلاسین)، اطلاعات طیفی و مکانی بازتاب باندهای قرمز و مادون‌قرمز نزدیک هشت تصویر موزائیک شده لندست-8 (30 متر) با باندهای قرمز و مادون‌قرمز نزدیک یک تصویر مادیس (250 متر) تلفیق گردید. جهت بررسی پوشش‌های گیاهی، با تصویر ماهواره‌ای تلفیق شده، شاخص پوشش گیاهی (NDVI)، در محدوده استان خوزستان تهیه گردید. نتایج به دست آمده نشان داد که الگوریتم NNDiffuse از دقت مطلوب‌تری جهت ادغام باندهای قرمز و مادون‌قرمز نزدیک لندست 8 و مادیس برخوردار است، به‌طوری‌که شاخص گیاهی NDVI به دست آمده از این الگوریتم در مقایسه با تصویر لندست- 8 اصلی، از کم‌ترین خطای آماری (1234/0) RMSE و (081/0)MAE برخوردار است.
کلیدواژه‌ها
استان خوزستان
الگوریتم NNDiffuse
تلفیق تصاویر
شاخص پوشش گیاهی (NDVI)
مادیس

عنوان مقاله English

Improving the Temporal and Spatial Accuracy of the Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) Map using Satellite Image Fusion Algorithms

نویسندگان English

Zeinab Zaheri Abdehvand
Mostafa Kabolizadeh
چکیده English

In vast areas, accessing satellite images with appropriate spatial resolution, such as Landsat images, is often challenging. dditionally, the temporal resolution of the Landsat satellite does not allow for the examination of short-term changes in phenomena such as vegetation. The aim of this research is to utilize temporal and spatial fusion techniques of Landsat-8 and MODIS satellite images to prepare a Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) map. For this purpose, six image fusion algorithms—NNDiffuse (Nearest Neighbor Diffusion), PC (Principal Component), Brovey, CN (Color Normalized), Gram-Schmidt, and SFIM—were applied in an experimental area in Khuzestan province. After evaluating the results of these algorithms and selecting the most appropriate algorithm based on statistical indicators (spectral criteria such as the correlation coefficient and spatial criteria such as the Laplacian filter), the spectral and spatial information from the red and near-infrared bands of eight mosaic Landsat-8 images (30 m resolution) were combined with the red and near-infrared bands of one MODIS image (250 m resolution). To investigate vegetation cover, the NDVI was calculated using the fused satellite image for Khuzestan province. The results showed that the NNDiffuse fusion algorithm demonstrated very high accuracy among the tested algorithms in terms of spatial evaluation and spectral quality criteria. Consequently, this algorithm was selected to combine the red and near-infrared bands of Landsat-8 and MODIS images. Compared to the original Landsat-8 image, the NDVI map prepared using this algorithm had the lowest statistical errors, with an RMSE (Root Mean Square Error) of 0.1234 and an MAE (Mean Absolute Error) of 0.081.

کلیدواژه‌ها English

Khuzestan province
NNDiffuse algorithm
image fusion
Normalized Detection Vegetation Index
MODIS
اژدری، علی؛ حیدریان پیمان؛ فتح‌بار، سمیرا؛ صالحی، حسین و فولادی، علی (1396). اولویت‌های کانون‌های تولید گرد و غبار در استان خوزستان. سازمان زمین‌‌شناسی و اکتشاف معدنی استان خوزستان.
اژدری، علی؛ حیدریان پیمان؛ فتح‌بار، سمیرا؛ صالحی، حسین و فولادی، علی (1396). اولویت‌های کانون‌های تولید گرد و غبار در استان خوزستان. سازمان زمین‌‌شناسی و اکتشاف معدنی استان خوزستان.
شیرازی، میترا؛ اخوان محمد اخوان؛ متین‌فر، حمیدرضا و نخکش، منصور(1399). مقایسه روش‌های کاهش مقیاس تصویر MODIS و OLI برای تشخیص گرد و غبار صنعتی، مجله تحقیقات مرتع و بیابان ایران، شماره 26 (3). [DOI:10.22092/ijrdr.2019.119996]
شیرازی، میترا؛ اخوان محمد اخوان؛ متین‌فر، حمیدرضا و نخکش، منصور(1399). مقایسه روش‌های کاهش مقیاس تصویر MODIS و OLI برای تشخیص گرد و غبار صنعتی، مجله تحقیقات مرتع و بیابان ایران، شماره 26 (3). [DOI:10.22092/ijrdr.2019.119996]
کابلی‌زاده، مصطفی؛ رنگزن، کاظم و محمدی، شاهین (1397). کاربرد تلفیق تصاویر ماهواره ای لندست-8 و سنتینل-2 در پایش محیطی، سنجش از دور و سامانه اطلاعات جغرافیایی در منابع طبیعی (سال نهم/ شماره سوم).
کابلی‌زاده، مصطفی؛ رنگزن، کاظم و محمدی، شاهین (1397). کاربرد تلفیق تصاویر ماهواره ای لندست-8 و سنتینل-2 در پایش محیطی، سنجش از دور و سامانه اطلاعات جغرافیایی در منابع طبیعی (سال نهم/ شماره سوم).
نخعی‌نژاد فرد، سارا؛ غلامی، حمید؛ اکبری، داود؛ تلفر، مت و رضایی، مرضیه(1398). ارزیابی استفاده از الگوریتم‌های مختلف ادغام تصویر در تهبه نقشه شاخص‌های گیاهی. فصلنامه علمی ـ پژوهشی اطلاعات جغرافیایی سپهر، 28(112)، 199-217. . [DOI:10.22131/sepehr.2020.38616]
نخعی‌نژاد فرد، سارا؛ غلامی، حمید؛ اکبری، داود؛ تلفر، مت و رضایی، مرضیه(1398). ارزیابی استفاده از الگوریتم‌های مختلف ادغام تصویر در تهبه نقشه شاخص‌های گیاهی. فصلنامه علمی ـ پژوهشی اطلاعات جغرافیایی سپهر، 28(112)، 199-217. . [DOI:10.22131/sepehr.2020.38616]
Acerbi-Junior, F., Clevers, J., & Schaepman, M. (2006). The assessment of multi-sensor image fusion using wavelet transforms for mapping the Brazilian Savanna. International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation, 8(4): 278-288.
https://doi.org/10.1016/j.jag.2006.01.001 [DOI:10.1016/j.jag.2006.01.001.]
Acerbi-Junior, F., Clevers, J., & Schaepman, M. (2006). The assessment of multi-sensor image fusion using wavelet transforms for mapping the Brazilian Savanna. International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation, 8(4): 278-288.
https://doi.org/10.1016/j.jag.2006.01.001 [DOI:10.1016/j.jag.2006.01.001.]
Al-Wassai, F., Kalyankar, N.V., & Al-Zuky, A A. (2011). Arithmetic and frequency filtering methods of pixel-based image fusion techniques. arXiv preprint arXiv:1107.3348.
Al-Wassai, F., Kalyankar, N.V., & Al-Zuky, A A. (2011). Arithmetic and frequency filtering methods of pixel-based image fusion techniques. arXiv preprint arXiv:1107.3348.
Boyte, S.P., Wylie, B.K., Rigge, M.B. & Dahal, D. (2017). "Fusing MODIS with Landsat 8 data to downscale weekly normalized difference vegetation index estimates for central Great Basin rangelands, USA", GIScience & Remote Sensing, 1-24. [DOI:10.1080/15481603.2017.1382065]
Boyte, S.P., Wylie, B.K., Rigge, M.B. & Dahal, D. (2017). "Fusing MODIS with Landsat 8 data to downscale weekly normalized difference vegetation index estimates for central Great Basin rangelands, USA", GIScience & Remote Sensing, 1-24. [DOI:10.1080/15481603.2017.1382065]
Chen, Sh., Zhang, L., Hu, X., Meng, Q., Qian, J. & Gao, J. (2023). "A Spatiotemporal Fusion Model of Land Surface Temperature Based on Pixel Long Time-Series Regression: Expanding Inputs for Efficient Generation of Robust Fused Results" Remote Sensing 15, no. 21: 5211.
https://doi.org/10.3390/rs15215211 [DOI:10.3390/rs15215211.]
Chen, Sh., Zhang, L., Hu, X., Meng, Q., Qian, J. & Gao, J. (2023). "A Spatiotemporal Fusion Model of Land Surface Temperature Based on Pixel Long Time-Series Regression: Expanding Inputs for Efficient Generation of Robust Fused Results" Remote Sensing 15, no. 21: 5211.
https://doi.org/10.3390/rs15215211 [DOI:10.3390/rs15215211.]
Gao, F., Hilker, T., Zhu, X., Anderson, M., Masek, J., Wang, P., & Yang. (2017). Fusing Landsat and MODIS Data for Vegetation Monitoring. IEEE Geoscience and Remote Sensing Magazine, 3(3): 47-60. [DOI:10.1109/MGRS.2015.2434351]
Gao, F., Hilker, T., Zhu, X., Anderson, M., Masek, J., Wang, P., & Yang. (2017). Fusing Landsat and MODIS Data for Vegetation Monitoring. IEEE Geoscience and Remote Sensing Magazine, 3(3): 47-60. [DOI:10.1109/MGRS.2015.2434351]
Lau, W., King, B.A., & Li, Z. (2000). The influence of image classification by fusion of spatially oriented images. International Archieves of Photogrammetry and Remote Sensing, 33(B7/2; PART 7): 752-759.
Lau, W., King, B.A., & Li, Z. (2000). The influence of image classification by fusion of spatially oriented images. International Archieves of Photogrammetry and Remote Sensing, 33(B7/2; PART 7): 752-759.
Moller, M., Gerstmann, h., Gao, F., Dahms, T.C., & Forster, M. (2017). Coupling of phenological information and simulated vegetation index time series: Limitations and potentials for the assessment and monitoring of soil erosion risk. CATENA, 150: 192-205. https://doi 10.1016/j.catena.2016.11.016 [DOI:10.1016/j.catena.2016.11.016]
Moller, M., Gerstmann, h., Gao, F., Dahms, T.C., & Forster, M. (2017). Coupling of phenological information and simulated vegetation index time series: Limitations and potentials for the assessment and monitoring of soil erosion risk. CATENA, 150: 192-205. https://doi 10.1016/j.catena.2016.11.016 [DOI:10.1016/j.catena.2016.11.016]
Moltó, E. (2022). "Fusion of Different Image Sources for Improved Monitoring of Agricultural Plots" Sensors 22, no. 17: 6642.
https://doi.org/10.3390/s22176642 [DOI:10.3390/s22176642.] [PMID]
Moltó, E. (2022). "Fusion of Different Image Sources for Improved Monitoring of Agricultural Plots" Sensors 22, no. 17: 6642.
https://doi.org/10.3390/s22176642 [DOI:10.3390/s22176642.] [PMID]
Niazi, Y., Moosavi, V., Talebi, A., Mokhtari, M.H., & Shamsi, S.R.F. (2015). A wavelet-artificial intelligence fusion approach (WAIFA) for blending Landsat and MODIS surface temperature. Remote Sensing of Environment, 169, pp.243-254.
https://doi.org/10.1016/j.rse.2015.08.015 [DOI:10/.1016/j.rse.2015.08.015.]
Niazi, Y., Moosavi, V., Talebi, A., Mokhtari, M.H., & Shamsi, S.R.F. (2015). A wavelet-artificial intelligence fusion approach (WAIFA) for blending Landsat and MODIS surface temperature. Remote Sensing of Environment, 169, pp.243-254.
https://doi.org/10.1016/j.rse.2015.08.015 [DOI:10/.1016/j.rse.2015.08.015.]
Olsoy, P., Mitchell, J., Glenn, N., Flores, A. (2017). Assessing a Multi-Platform Data Fusion Technique in Capturing Spatiotemporal Dynamics of Heterogeneous Dryland Ecosystems in Topographically Complex Terrain. Remote Sensing, 9(10): 981 [DOI:10.3390/rs9100981]
Olsoy, P., Mitchell, J., Glenn, N., Flores, A. (2017). Assessing a Multi-Platform Data Fusion Technique in Capturing Spatiotemporal Dynamics of Heterogeneous Dryland Ecosystems in Topographically Complex Terrain. Remote Sensing, 9(10): 981 [DOI:10.3390/rs9100981]
Pohl, C., & Van Genderen, J. (2016). Remote sensing image fusion: A practical guide. 1st ed. Crc Press, Boca Raton, 288. [DOI:10.1201/9781315370101]
Pohl, C., & Van Genderen, J. (2016). Remote sensing image fusion: A practical guide. 1st ed. Crc Press, Boca Raton, 288. [DOI:10.1201/9781315370101]
Pushparaj, J., & Hegde, A.V. (2017). Evaluation of pan-sharpening methods for spatial and spectral quality. Applied Geomatics, 9(1): 1-12. [DOI:10.1201/9781315370101]
Pushparaj, J., & Hegde, A.V. (2017). Evaluation of pan-sharpening methods for spatial and spectral quality. Applied Geomatics, 9(1): 1-12. [DOI:10.1201/9781315370101]
Wang, Q., Blackburn, G.A., Onojeghuo, A.O., Dash, J., Zhou, L., Zhang, Y., & Atkinson, P.M. (2017). Fusion of Landsat 8 OLI and Sentinel-2 MSI data. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 55(7): 3885-3899. [DOI:10.1109/TGRS.2017.2683444]
Wang, Q., Blackburn, G.A., Onojeghuo, A.O., Dash, J., Zhou, L., Zhang, Y., & Atkinson, P.M. (2017). Fusion of Landsat 8 OLI and Sentinel-2 MSI data. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 55(7): 3885-3899. [DOI:10.1109/TGRS.2017.2683444]
Xu, S., & Ehlers, M. (2017). Hyperspectral image sharpening based on Ehlers fusion.International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, XLII-2/W7: 941-947. [DOI:10.1109/TGRS.2017.2683444]
Xu, S., & Ehlers, M. (2017). Hyperspectral image sharpening based on Ehlers fusion.International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, XLII-2/W7: 941-947. [DOI:10.1109/TGRS.2017.2683444]
Zhang, K., Kimball, J. S., & Running, S.W. (2016). A review of remote sensing based actual evapotranspiration estimation. Wiley Interdisciplinary Reviews: Water, 3(6), 834-853. http://dx.doi.org/10.1002/wat2.1168 [DOI:10.1002/wat2.1168]
Zhang, K., Kimball, J. S., & Running, S.W. (2016). A review of remote sensing based actual evapotranspiration estimation. Wiley Interdisciplinary Reviews: Water, 3(6), 834-853. http://dx.doi.org/10.1002/wat2.1168 [DOI:10.1002/wat2.1168]
Zhao, J., Huang, L., Yang, H., Zhang, D., Wu, Z. & Guo, J. (2016). "Fusion and assessment of high-resolution WorldView-3 satellite imagery using NNDiffuse and Brovey algorithms. In Fusion and assessment of high-resolution WorldView-3 satellite imagery using NNDiffuse and Brovey algorithms", IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS), 2606-2609. [DOI:10.1109/IGARSS.2016.7729673] [PMID]
Zhao, J., Huang, L., Yang, H., Zhang, D., Wu, Z. & Guo, J. (2016). "Fusion and assessment of high-resolution WorldView-3 satellite imagery using NNDiffuse and Brovey algorithms. In Fusion and assessment of high-resolution WorldView-3 satellite imagery using NNDiffuse and Brovey algorithms", IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS), 2606-2609. [DOI:10.1109/IGARSS.2016.7729673] [PMID]
Zhou, J., Zhan, W.D., Hu & Zhao, X. (2011). Improvement of mono-window algorithm for retrieving land surface temperature from HJ-1B satellite data. Chinese Geographical Science, 20: 123-131.
https://doi.org/10.1007/s11769-010-0123-z [DOI:1010.1007/s11769-010-0123-z]
Zhou, J., Zhan, W.D., Hu & Zhao, X. (2011). Improvement of mono-window algorithm for retrieving land surface temperature from HJ-1B satellite data. Chinese Geographical Science, 20: 123-131.
https://doi.org/10.1007/s11769-010-0123-z [DOI:1010.1007/s11769-010-0123-z]
Zhou, J., Chen, J., Chen, X., Zhu, X., Qiu, Y., Song, H., Rao, Y., Zhang, C., Cao, X., & Cui, X. (2021). Sensitivity of six typical spatiotemporal fusion methods to different influential factors: A comparative study for a normalized difference vegetation index time series reconstruction. Remote Sensing of Environment, 252, Article 112130. [DOI:10.1016/j.rse.2020.112130]
Zhou, J., Chen, J., Chen, X., Zhu, X., Qiu, Y., Song, H., Rao, Y., Zhang, C., Cao, X., & Cui, X. (2021). Sensitivity of six typical spatiotemporal fusion methods to different influential factors: A comparative study for a normalized difference vegetation index time series reconstruction. Remote Sensing of Environment, 252, Article 112130. [DOI:10.1016/j.rse.2020.112130]