Využití pokročilých vegetačních indexů pro detekci plodin

Bc. Stanislav Herber

Master's thesis

Use of advanced vegetation indices for crop detection

Abstract:

V dnešní době je možné konzistentně detekovat zemědělské plodiny na velkých oblastech pomocí metod dálkového průzkumu Země. Díky nedávnému vývoji satelitních hyperspektrálních misí je možné pracovat s podrobnějšími hodnotami elektromagnetického spektra a získat tak důležité informace, které by standardním multispektrálním snímáním viditelné nebyly. Hyperspektrální data jsou mnohem více citlivá na změny na povrchu Země. Výzkum proběhl v oblasti školního zemědělského podniku Amálie, Lány. Jedná se o oblast, která je často monitorována bezpilotními prostředky a dálkovým průzkumem Země. Cílem diplomové práce bylo validovat spektrální přesnost hyperspektrální družice PRISMA na příkladu dat terénního spektrometru ASD Fieldspec 4. Metodická část práce se zabývá nejprve před-zpracováním hyperspektrálního snímku PRISMA. Dále je v této části popsán výpočet broadband vegetačních indexů a ruční výpočet narrowband indexů z dat PRISMA a také terénního spektrometru. Pro tuto práci jsem zvolil broadband NDVI index a narrowband NDVI, NPCI, NPQI index. Výzkumem a následným výpočtem bylo prokázáno, že nejpřesnější index z dat PRISMA v porovnání s hodnotami z terénního spektrometru byl narrowband index NPQI, s hodnotou korelace 0,49. Při porovnání variant NDVI indexu byla nalezena korelace mezi oběma indexy s hodnotou 0,66. Nicméně v oblasti detekce zemědělských plodin se jeví nejpřesnější narrowband varianta NDVI indexu. Závěrem jsem v práci posuzoval, zdali je možné z hyperspektrálních dat PRISMA odhadnout hodnoty fluorescence. Pro výpočet jsem využil absorpční pásmo chlorofylu na úrovni 740 nm z důvodu častého výskytu v zahraničních výzkumech. Výsledné hodnoty fluorescence se statisticky porovnaly a prokázala se hypotéza, že hodnoty ze senzoru PRISMA a terénního spektrometru jsou velmi rozdílné. Výsledky mé práci dokazují, že při následném porovnání hodnot fluorescence s NDVI indexy byla korelace pouze na úrovni 0,27 s hodnotami narrowband NDVI a -0,46 s hodnotami broadband NDVI indexu.

Abstract:

Today it is possible to consistently detect agricultural crops over large areas due to remote sensing methods. Thanks to the recent development of satellite hyperspectral missions, it is possible to work with more detailed values of electromagnetic spectrum and thus obtain important information that would not be visible with standard multispectral sensing. Hyperspectral data are much more sensitive to changes on Earth’s surface. This research was conducted in the area of university farm Amálie, in Lány. It is an area that is often monitored by UAVs and remote sensing. The aim of this thesis is to validate the spectral accuracy of the PRISMA hyperspectral satellite using data from ASD Fieldspec 4 spectrometer. The first part of methodology in this thesis deals with pre-processing of PRISMA hyperspectral image. This section also contains a description of automatic calculation of broadband index and manual calculation of narrowband indices from PRISMA and field spectrometer data. The following indices were chosen for this work: broadband NDVI, narrowband NDVI, NPCI and NPQI. The results showed that the narrowband NPQI index with correlation of 0,49 was the most accurate index from PRISMA compared to values from the field spectrometer. When I compared two variants of NDVI index a correlation of 0,66 was found between the two indices. In terms of crop detection, it has been proven that, the most accurate was narrowband NDVI index. Finally, the in the thesis I tested whether it is possible to estimate fluorescence values from PRISMA hyperspectral data. The absorption band of chlorophyll at the level of 740 nm was used for the calculation due to its frequent occurrence in foreign research. The resulting values were compared statistically and the hypothesis that the values from PRISMA sensor and field spectrometer are very different was proved. In the subsequent comparison of fluorescence values with both NDVI indices, a correlation of only 0,27 with narrowband NDVI and – 0,46 with broadband NDVI index values demonstrated.

Keywords

Hyperspektrální družicová data, vysoké prostorové rozlišení, PRISMA, fluorescence

Keywords

Hyperspectral satellite data, high spatial resolution, PRISMA, fluorescence

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 2. 4. 2023

Thesis defence

• Date of defence: 15. 5. 2023
• Supervisor: Ing. Tomáš Klouček, Ph.D.
• Reader: Jiří Prošek, Ph.D.

Czech University of Life Sciences Prague

Faculty of Environmental Sciences

Master programme:
Spatial Sciences in the Environment