Measurement of top-of-canopy spectral reflectance of forests for developing vegetation radiative transfer models

Date

2011-07-19

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Publisher

Abstract

Taimestik mõjutab kogu ökosüsteemi ja kliimat. Selle uurimine ja jälgimine on seetõtu olnud läbi aegade kaugseire üks olulisemaid valdkondi. Kaugseiresatelliitide levik 20. sajandi teisest poolest alates on oluliselt laiendanud kaugseire võimalusi. Et mõõdetud andmetest mingit sisulist infot eraldada, on vaja aru saada, kuidas mõõdetav signaal moodustub ja mis seda mõjutab. Taimkatte kiirguslevimudelid hõlmavadki endas seda teadmiste baasi. Nad võimaldavad arvutada, kuidas metsale langev päikesekiirgus neeldub ja hajub olenevalt taimkatte struktuurist ja optilistest omadustest. Mudelite arendamiseks on vaja mõõtmistulemusi reaalsest elust, et neid saaks võrrelda modelleeritud andmetega ning erinevuse korral mudelit parandada. Samuti saab atmosfäärialuste mõõtmiste abil kontrollida ja vajadusel parandada satelliidipildi atmosfäärikorrektsiooni ja satelliidisensori kalibratsioonikoefitsiente. Käesoleva töö eesmärgiks oli välja töötada ning valmistada sobilik aparatuur metsade atmosfäärialuse spektraalse peegelduskoefitsiendi mõõtmiseks ja reaalsete mõõtmiste läbiviimine. Töö käigus on valminud spektromeetrite seeria UAVSpec. Alates 2006. aastast on igal suvel Eesti Maaülikooli Järvselja Katse- ja Õppemetskonnas mõõdetud mehitatud helikopterilt metsade spektraalset heledust. Algusest peale on silmas peetud võimalust kasutada UAVSpec spektromeetrite kandurina mehitamata lennuvahendit, mistõttu on spektromeetrid disainitud täisautonoomsed ning piisavalt väiksed ja kerged. Spektromeetrite olulisemad omadused parametriseeriti laborimõõtmiste põhjal ning koostati algoritmid registreeritud signaalide radiomeetriliseks korrektsiooniks. Taimkatte kiirguslevimudelid vajavad väga suurt hulka sisendparameetreid, mida tavapärase metsa takseerimise käigus ei mõõdeta. Seetõttu koostati mahukas andmekogum kolme 1-hektarilise puistu kohta. Tartu Observatooriumis väljatöötatud metsa peegeldusmudeliga FRT simuleeriti nende puistute peegeldusspektreid ning võrreldi neid mõõtmistulemustega. Pakuti välja põhjalik protsessikirjeldus atmosfäärialuste tugimõõtmiste toel satelliidipiltide töötlemiseks ja satelliitsensorite kalibratsiooniks.
Vegetation influences the whole ecosystem and climate. Its research and monitoring has therefore always been one of the most important fields of remote sensing. The spread of Earth observation satellites at the second half of the 20th century has dramatically expanded the possibilities for remote sensing. To extract some useful information from the measured data, it is necessary to understand how the measured signal is formed and what affects it. Radiative transfer models represent our perception of photon transport in vegetation canopies. They can simulate how the incident solar radiation is absorbed and scattered by forests, depending on the vegetation structure and optical properties. Ground truth data is needed for developing the models. By comparing the measured and modelled data, it is possible to validate and improve the model. Top-of-canopy reflectance measurements can also be used for validating the atmospheric correction of satellite images and for vicarious calibration of satellite sensors. The aim of this study was designing an autonomous spectrometer system suitable for measuring the top-of-canopy reflectance of forests from a lightweight carrier, such as an unmanned aerial vehicle (UAV). In the course of this study the UAVSpec-series spectrometer systems have been designed and built. Since 2006 the top-of-canopy spectral directional reflectance of forest stands has been measured every summer in the Järvselja Training and Experimental Forestry District of the Estonian University of Life Sciences. Dark signal temperature dependence and instrument function of the spectrometers were determined in the laboratory. In order to guarantee the metrological quality of spectroscopic measurements, these parameters are taken into account in the data processing workflow. Vegetation radiative transfer models need many input parameters which are not measured during ordinary forest inventories. Therefore, an exhaustive dataset was compiled for three 1-hectare stands in Järvselja. The forest reflectance model FRT developed at the Tartu Observatory was used for modelling the reflectance of these stands and the results were compared with the measured data. A detailed workflow description was proposed for processing satellite imagery and calibrating satellite sensors.

Description

Väitekirja elektrooniline versioon ei sisalda publikatsioone.

Keywords

taimkate, metsad, kiirguslevi, spektraalanalüüs, peegeldumine, kaugseire, vegetation, forests, radiation propagation, spectrum analysis, reflection, remote sensing

Citation