Como usar diferença entre dois NDVIs do Sentinel-2 para atualizar colheita em mapas florestais

Para quem trabalha com mapas florestais e agrícolas, uma das tarefas mais comuns dos analistas é atualizar informações de colheita. Se não tiver uma equipe de campo ágil e competente, muito dessa informação pode não chegar ao escritório para atualização nas bases de dados. Ai é que entre o sensoriamento remoto e suas técnicas para auditar ou mesmo ser a base das atualizações de dados.

Outro uso importante desta técnica abaixo é na detecção de áreas de desmatamento comparando cenas do mesmo local em distintos períodos.

Podemos usar dados das bandas multiespectrais gratuitos do satélite Sentinel-2 com 10m de resolução espacial e 5 dias de resolução temporal para tal. Podemos usar tanto o webmap da ESRI ou podemos baixar os dados originais do portal ESA Copernicus se quisermos fazer análises mais elaboradas como a que faremos abaixo

Baixado os dados e criando os rasters NDVI

Para nosso exemplo, vamos utilizar cenas do mesmo local com um período de diferença (6 meses ou 1 ano no caso de florestas ou menos em caso de agricultura). Isto nos possibilitará comparar estas duas imagens e detectar a mudança de cobertura vegetal no período.

Com o cadastro gratuito feito no portal ESA Copernicus, procure imagens com um intervalo desejado, de preferência com zero de cobertura de núvens pois elas influenciam muito no NDVI. Vamos utilizar aqui somente as bandas 8 e bandas 4 das cenas, caso não queira baixar todo o pacote que pode passar de 1GB cada.

 Inspetor da Imagem no portal Copernicus. As bandas a baixar ficam em Granulate/<img loading=
Exemplo: Inspetor da Imagem no portal Copernicus. As bandas a baixar ficam em Granulate/<img>/IMG_DATA/R10m/

NDVI

Baixados e deszipados os arquivos com as bandas 8 e 4, vamos agora calcular o índice NDVI. Simplificadamente, o NDVI é um índice que mede o estado da saúde das plantas com base em como a planta reflete a luz em determinadas frequências (algumas ondas são absorvidas e outras são refletidas).Este índice varia entre -1,0 a 1,0, representando basicamente verdes, onde valores negativos são formados principalmente por nuvens, água (-1) e neve, e valores próximos a zero são formados principalmente por rochas e solo nu. Valores muito pequenos (0,1 ou menores) da função NDVI correspondem a áreas vazias de rochas, areia ou neve. Valores moderados (de 0,2 a 0,3) representam arbustos e prados, enquanto valores altos (de 0,6 a 0,8) indicam florestas temperadas e tropicais.

Para calcular o raster NDVI, basta usar o Raster Calculator e, para o Sentinel-2, fazer a álgebra: NDVI=(Banda 8- Banda 4) / (Banda 8 + Banda 4):

Raster Calculator no ArcGIS PRO, mostrando a álgebra entre bandas necessário para gerar o raster NDVI
Raster Calculator no ArcGIS PRO, mostrando a álgebra entre bandas necessário para gerar o raster NDVI

Pronto. O resultado será o NDVI daquela cena naquela data. Faça o mesmo para a outra cena do final (ou início) do período a ser analisado.

resultado_NDVI_Sentinel2
Resultado do cálculo NDVI da cena do Sentinel-2

A diferença entre NDVIs

Queremos ter um raster com a diferença entre NDVIs para detectar a mudança de cobertura do solo, por exemplo, se no início do período um NDVI de 0,5 e na cena final também, se fizermos a diferença entre elas teremos 0 de diferença denotando que nenhuma mudança ocorreu. Agora se no NDVI de março no exemplo abaixo era de 0.5 (floresta) e no NDVI de Agosto o novo valor foi de -0.5, temos que (-0.5)-(0.5)=-1.

Valores negativos denotarão perda de vegetação e valores positivos ganho, enquanto valores perto de zero indicam que os pixels não mudaram sua cobertura vegetal.

Vamos então fazer a diferença entre os dois rasters NDVIs criados anteriormente.

Como vemos abaixo, o resultado, quando simbolizado adequadamente (ocultamos as cores dos ganhos de vegetação para vermos apenas as áreas que foram cortadas) vemos claramente falhas na atualização da base cadastral. Talhões florestais com ano de plantio em 2002, 2003, 2004, etc ainda estão na base, enquanto claramente vemos, em vermelho escuro, que foram cortados no período analisado. Inversamente, se quiséssemos analisar areas plantadas não reportadas, focaríamos nossas cores nos valores positivos.

Diferença_NDVI_S2
Diferença entre dois NDVIs de épocas diferentes mostra a mudança na cobertura vegetal. Valores negativos perderam vegetação e valores positivos ganharam, enquanto valores perto de zero não mudaram a cobertura vegetal.

Quer aprender mais, veja aqui a lista de muitos outros índices e algebras entre bandas possíveis para diversas finalidades.

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