Índices espectrais em imagens de satélite: conheça os principais, suas características e aplicações
Os índices espectrais são combinações matemáticas de diferentes bandas espectrais de imagens de satélite utilizadas para realçar características específicas da superfície terrestre. Cada índice explora a forma como determinados alvos, como vegetação, água e áreas construídas, refletem ou absorvem a radiação eletromagnética em diferentes regiões do espectro, permitindo destacar padrões que podem ser mais difíceis de identificar diretamente na imagem. A escolha das bandas e da fórmula utilizada depende do objetivo da análise e das características do alvo que se deseja investigar. Neste post, serão apresentados quatro índices espectrais amplamente utilizados no sensoriamento remoto: NDVI, NDBI, NDWI e MNDWI, voltados, respectivamente, à análise da vegetação, áreas construídas e superfícies aquáticas.
NDVI (Índice de Vegetação por Diferença Normalizada)
O NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) é um dos índices espectrais mais utilizados no sensoriamento remoto para analisar a presença, o vigor e a distribuição da vegetação a partir de imagens de satélite. Seu funcionamento está relacionado ao comportamento da vegetação nas diferentes regiões do espectro eletromagnético. As plantas saudáveis apresentam alta concentração de clorofila, que absorve fortemente a radiação na faixa do vermelho (RED), utilizada na fotossíntese, enquanto a estrutura interna das folhas apresenta alta refletância no infravermelho próximo (NIR). Alterações nas condições da vegetação podem modificar esse comportamento espectral e, consequentemente, os valores do NDVI.
Fórmula geral do cálculo do NDVI:
Onde:
NIR: refletância na faixa do infravermelho próximo (Near-Infrared);
RED: refletância na faixa do vermelho visível.
Os valores do NDVI variam de -1 a 1 e, de modo geral, valores mais baixos estão associados a superfícies sem vegetação, como água, neve, solo exposto e áreas rochosas, enquanto valores intermediários podem indicar vegetação esparsa ou sob estresse. Já valores elevados, próximos de 1, geralmente correspondem a áreas com vegetação mais densa e vigorosa, como plantações e florestas.
Na agricultura, o NDVI pode ser utilizado para monitorar o desenvolvimento e o vigor das culturas, identificar áreas com alterações na vegetação associadas a fatores como estresse hídrico, deficiência nutricional, pragas ou doenças, e auxiliar na agricultura de precisão, apoiando a definição de zonas de manejo e a aplicação localizada de insumos. Também pode ser empregado no monitoramento dos impactos de eventos climáticos e na avaliação da recuperação da vegetação após esses eventos.
NDBI (Índice de Áreas Construídas por Diferença Normalizada)
O NDBI (Normalized Difference Built-up Index) é um índice espectral utilizado para destacar áreas urbanizadas e superfícies construídas em imagens de sensoriamento remoto. Seu desenvolvimento está relacionado à diferença de resposta espectral entre áreas construídas e coberturas naturais, especialmente nas regiões do infravermelho próximo (NIR) e do infravermelho de ondas curtas (SWIR). Em geral, materiais presentes em áreas urbanas apresentam maior refletância no SWIR em relação ao NIR, enquanto a vegetação apresenta comportamento oposto, com maior refletância no NIR. Essa diferença permite realçar a distribuição das áreas construídas na imagem.
Fórmula geral do cálculo do NDBI:
Onde:
SWIR: refletância na faixa do infravermelho de ondas curtas (Shortwave Infrared);
NIR: refletância na faixa do infravermelho próximo (Near-Infrared).
Os valores do NDBI variam teoricamente entre -1 e 1. De forma geral, valores positivos estão associados a superfícies com maior resposta no SWIR, que podem incluir áreas construídas e superfícies impermeáveis, enquanto valores negativos são mais frequentes em áreas com vegetação e água. Entretanto, o índice não diferencia perfeitamente áreas urbanas de outros alvos: solo exposto, sombras e pixels que combinam diferentes coberturas também podem apresentar respostas semelhantes.
Entre suas aplicações estão o mapeamento e acompanhamento da expansão urbana, a análise do uso e cobertura da terra e estudos relacionados à distribuição de superfícies impermeáveis. O NDBI também pode ser combinado com outros índices espectrais e dados de temperatura da superfície para apoiar análises de drenagem urbana, risco de alagamentos e ilhas de calor.
NDWI (Índice de Água por Diferença Normalizada)
O NDWI (Normalized Difference Water Index), proposto por McFeeters (1996), é um índice espectral utilizado para destacar e delimitar corpos d'água em imagens de sensoriamento remoto. Seu cálculo combina as informações das faixas do verde (GREEN) e do infravermelho próximo (NIR), explorando o comportamento espectral característico da água. Na região do verde, a água apresenta maior refletância, enquanto no infravermelho próximo sua refletância é muito baixa devido à forte absorção da radiação. Ao mesmo tempo, vegetação e solo apresentam maior resposta no NIR, permitindo aumentar o contraste entre superfícies aquáticas e áreas terrestres.
Fórmula do cálculo do NDWI por McFeeters (1996):
Onde:
GREEN: refletância na faixa do verde visível;
NIR: refletância na faixa do infravermelho próximo (Near-Infrared).
De modo geral, valores positivos tendem a estar associados à presença de água, enquanto valores negativos são mais comuns em vegetação, solo exposto e outras superfícies terrestres. Entretanto, não existe um único valor de corte válido para todas as imagens: a definição do limiar para separar água e não água depende do sensor, das características da área e das condições da imagem. Em áreas urbanizadas, estruturas construídas também podem apresentar respostas que dificultam a delimitação dos corpos d'água.
O NDWI pode ser aplicado no mapeamento de rios, lagos e reservatórios, no acompanhamento de alterações na extensão de superfícies aquáticas e no monitoramento de inundações. Também pode ser utilizado em análises temporais para acompanhar mudanças na distribuição da água em uma determinada área.
Um ponto importante é que o termo NDWI também é utilizado para outra formulação, proposta por Gao (1996), voltada à estimativa do conteúdo de água na vegetação. Neste post, o NDWI apresentado é especificamente o método de McFeeters (1996), desenvolvido para destacar corpos d'água.
MNDWI (Índice de Água por Diferença Normalizada Modificado)
O MNDWI (Modified Normalized Difference Water Index), proposto por Xu (2006), é uma modificação do NDWI de McFeeters (1996) desenvolvida para melhorar o destaque de corpos d'água, especialmente em áreas onde superfícies construídas dificultam sua identificação. A principal diferença entre os dois índices está na banda utilizada em conjunto com o verde (GREEN). Enquanto o NDWI utiliza o infravermelho próximo (NIR), o MNDWI substitui essa banda pelo infravermelho de ondas curtas (SWIR).
Fórmula do cálculo do MNDWI por Xu (2006):
Onde:
GREEN: refletância na faixa do verde visível;
SWIR: refletância na faixa do infravermelho de ondas curtas (Shortwave Infrared).
No NDWI, algumas áreas construídas podem apresentar respostas semelhantes às da água, dificultando sua separação. Ao substituir o NIR pelo SWIR, o MNDWI tende a reduzir essa interferência e aumentar o contraste entre corpos d'água e superfícies construídas.,
Por essa característica, o MNDWI é especialmente útil no mapeamento de corpos d'água em áreas urbanas, além de aplicações como o monitoramento de inundações e de alterações em reservatórios. Seus valores variam teoricamente entre -1 e 1, mas a interpretação depende das características da imagem e da área analisada.