A comparison of NDVI and MTVI2 for estimating LAI using CHRIS imagery: a case study in wheat

Abstract

Leaf area index (LAI) is a key variable in crop growth models. The derivation of reliable LAI maps from satellite imagery would provide a means of spatially extrapolating these models. During the 2004 and 2005 growing seasons, hyperspectral data from the Compact High Resolution Imaging Spectrometer (CHRIS) sensor were acquired over a wheat crop in southern Alberta. The ability to obtain reliable LAI estimates from CHRIS data was investigated using a preexisting relationship between LAI and the modified transformed vegetation index (MTVI2). The performance of the recently develop MTVI2 in estimating LAI was compared to that of the more commonly used normalized difference vegetation index (NDVI). Both narrow and broad bands simulated from the CHRIS data were used in calculating the NDVI. All vegetation indices provided good relationships with LAI (R² = 0.70–0.90). The errors in the estimated LAI values varied with vegetation index and were dependent on growth stage. The MTVI2 performed better than the NDVI at full canopy closure. Confirming previous reports in the literature, the NDVI tended to saturate at LAI values of 37–4, which resulted in an underestimation of LAI at full canopy closure. There was no benefit to using narrow spectral bands in the NDVI. Estimation of LAI using the MTVI2 was underestimated late in the season during the seed-filling period.

L'indice de surface foliaire (LAI) est une variable importante des modèles de croissance des cultures. L'extraction de cartes fiables de LAI à partir d'images satellite pourrait fournir une façon d'extrapoler spatialement ces modèles. Au cours des saisons de croissance de 2004 et 2005, des données hyperspectrales ont été acquises à l'aide du capteur CHRIS (« Compact High Resolution Imaging Spectrometer ») au-dessus d'un champ de blé dans le sud de l'Alberta. La capacité d'obtenir des estimations fiables de LAI à partir des données de CHRIS a été examinée à l'aide d'une relation pré-existante entre le LAI et l'indice MTVI2 (« modified transformed vegetation index »). La performance de l'indice MTVI2, développé récemment pour l'estimation de LAI, a été comparée à celle de l'indice plus couramment utilisé, le NDVI. Les bandes étroite et large simulées à partir des données de CHRIS ont été utilisées pour le calcul du NDVI. Tous les indices de végétation ont donné de bonnes relations avec le LAI (R² = 0,70 à 0,90). Les erreurs dans les valeurs estimées de LAI variaient en fonction de l'indice de végétation et celles-ci dépendaient du stade de croissance. L'indice MTVI2 a affiché une meilleure performance que le NDVI à une fermeture complète du couvert. Confirmant des rapports précédents dans la littérature, le NDVI tendait à saturer à des valeurs de LAI de 3–4 résultant en une sous-estimation de LAI à une fermeture complète du couvert. Il n'y a pas eu d'avantages à utiliser des bandes spectrales étroites dans le NDVI. L'estimation de LAI à l'aide de MTVI2 a été sous-estimée tard dans la saison, durant la phase de remplissage des graines. [Traduit par la Rédaction]