Advanced

Leaf Area Index of Scandinavian Forests Methods Using in situ and Remotely Sensed Data

Eriksson, Helena LU (2007)
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

Skogen utgör en viktig del av kolbalansen mellan mark och luft och har en potential att reducera koncentrationen av koldioxid i atmosfären. Mängden bladyta i en skog ger en indikation på skogens förmåga att binda koldioxid till marken. Den här avhandlingen utforskar möjligheterna att erhålla information om skogars mängd av bladyta med hjälp av den information som registreras från satellitsensorer.



Under det senaste årtiondet har vi blivit alltmer vana vid att höra om avvikelser i vädret runt om på jorden, ofta med katastrofala effekter som följd. Orsakerna till dessa fenomen är den förhöjda växthuseffekten och människans utsläpp av de så kallade växthusgaserna. Koldioxid är den... (More)
Popular Abstract in Swedish

Skogen utgör en viktig del av kolbalansen mellan mark och luft och har en potential att reducera koncentrationen av koldioxid i atmosfären. Mängden bladyta i en skog ger en indikation på skogens förmåga att binda koldioxid till marken. Den här avhandlingen utforskar möjligheterna att erhålla information om skogars mängd av bladyta med hjälp av den information som registreras från satellitsensorer.



Under det senaste årtiondet har vi blivit alltmer vana vid att höra om avvikelser i vädret runt om på jorden, ofta med katastrofala effekter som följd. Orsakerna till dessa fenomen är den förhöjda växthuseffekten och människans utsläpp av de så kallade växthusgaserna. Koldioxid är den växthusgas som fått mest uppmärksamhet, eftersom det är den växthusgas som förekommer i högst koncentrationer i atmosfären, bortsett från vattenånga som faktiskt också är en växthusgas. För att kunna utvärdera effekterna av en ökad koldioxidhalt, är det viktigt att känna till på vilka sätt gasen tas upp av komponenter i mark och hav. Även om det har forskats mycket och länge om vart kolet tar vägen, är många biologiska processer fortfarande inte fullt utredda. Ett exempel på det är att koncentrationen av koldioxid enligt forskarnas beräkningar egentligen borde vara högre än de värden som uppmätts, om man jämför med den mängd som tillförts systemet. Mycket tyder på att skogar på höga nordliga breddgrader absorberar mer koldioxid än vad man tidigare trott.



Växternas tillväxt beror av deras förmåga att omvandla koldioxid, som de hämtar från atmosfären, till kolhydrater. För detta behöver växterna även tillgång till vatten och energi. Energin hämtas från solen med hjälp av särskilda pigment som finns i bladet. Genom så kallade klyvöppningar på bladets yta kan koldioxid, vattenånga och syre passera mellan de producerande cellerna i bladet och atmosfären utanför. Klyvöppningarna är mikroskopiskt små och förekommer främst på bladets undersida. De reglerar bladcellernas utbyte med luften utanför genom att ändra sin storlek. De kan också stängas helt, för att förhindra allt utbyte med omgivningen. Eftersom det är bladen som förser sin planta med solenergi och koldioxid, har bladens yta en nyckelfunktion när det gäller hur mycket koldioxid en skog har kapacitet att binda. Särskilt intresseranta är de metoder som möjliggör en uppskattning av bladytan med hjälp av den information som satellitsensorer kan registrera, eftersom dessa har möjlighet att överblicka stora områden på mycket kort tid. Den tid och arbetskraft som skulle kunna sparas om man kunde erhålla information om skogens bladyta med hjälp av satelliter är enorm.



Satellitsensorerna registrerar den del av den inkommande solenergin som jorden reflekterar. När man vill undersöka hur mycket blad som finns på jordytan med hjälp av satellitdata, drar man nytta av bladens unika strålningsegenskaper jämfört med andra komponenter på jorden. Den fotosyntetiserande vegetationen absorberar mest energi från de synliga våglängderna, framförallt från det blå och röda ljuset. I det nära infraröda ljuset absorberas däremot ingen energi. Istället reflekteras en del tillbaka till atmosfären, medan resten passerar ner genom bladet, antingen ned till den underliggande marken eller till underliggande blad, om vegetationstäcket har flera lager. De våglängder som främst används för att uppskatta vegetationens egenskaper är från det röda och nära infraröda ljuset, eftersom det röda ljuset ger information om skogens fotosyntes och det nära infraröda ljuset ger information om vegetationstäckets densitet. Andra föremål, såsom exempelvis jord, sten eller sand, absorberar inte synligt ljus i något speciell utsträckning, istället absorberas mer energi ju kortare våglängden är.



För att kunna utveckla och utvärdera satellitbaserade metoder, krävs en god kännedom om skogens verkliga bladyteindex. Därför inleddes detta arbete med att utforska de fältmetoder som finns för att uppskatta bladyteindex. Skogens bladyteindex kan uppskattas både med hjälp av direkta metoder, där blad samlas in och mäts, och indirekta metoder, antingen baserat på etablerade förhållanden mellan mängden blad och trädets storlek, eller genom optiska instrument som registrerar ljusgenomsläppligheten under trädkronorna. För större arealer är de direkta metoderna inte genomförbara eftersom de är så arbets- och tidskrävande. De optiska metoderna är mer effektiva, men behäftade med en del svårigheter, vilka måste kompenseras för. En faktor som gör att skogens bladyteindex ofta underskattas, är att bladen inte är jämt fördelade inom lövtäcket, utan aggregerade runt de grenar som de sitter på. En annan faktor, som istället bidrar till att överskatta skogens bladyteindex, är att de optiska instrumenten inte bara registrerar mängden löv, utan även mängden grenar och trädstammar. I barrskogar tillkommer dessutom ännu en faktor; barrens rundade form, samt aggregering runt skotten. I det här arbetet utvärderades flera alternativ för att fastställa skogens bladyteindex, samt de korrigeringsmetoder som finns för att kompensera för ovanstående faktorer. En viktig indiktation var att aggregeringen av blad i skogen och grenarnas påverkan på de optiska metoderna, verkar ta ut varandra i de skogar som studerats här, dvs typiska skandinaviska löv och barrskogskogar. Däremot behövs fortfarande en korrigering för barrens aggregering.



Ett hinder när det gäller att uppskatta information om skogens bladyteindex från satellitdata, är att satellitsensorn inte bara registrerar skogens reflektans, utan även den strålning som reflekterats av den underliggande marken. Om den underliggande marken dessutom har en undervegetation med liknande spektrala egenskaper som skogens, är det svårt att skilja mellan den del av reflektansen som härrör från skogen och den del som kommer från undervegetationen. I detta arbete användes en strålningsmodell för att studera undervegetationens betydelse för den totala reflektansen från en skog. Modellen simulerar reflektansen från ett skogsbestånd, givet en rad inparametrar med information relaterad till skogens och och den underliggande markens egenskaper, både på bladnivå och och vad gäller strukturella egenskaper. Modellen tar också hänsyn till ingående och utgående strålningsvinklar, proportionen av direkt och diffus strålning, samt atmosfärens egenskaper. En viktig slutsats var att undervegetationen kan ha en avgörande betydelse för den totala reflektansen från ett skogsbestånd, och att reflektansen för ett skogsbestånd kan variera upp till ±18% i det röda, och upp till ±10% i det nära infraröda våglängdsbandet, beroende på de variationer av undervegetationens utbredning. Särskilt stor är undervegetationens inverkan hos de skogsbesånd som inte är så täta. Ett omvänt linjärt samband mellan mängden undervegetation och mängden skog kunde etableras.



En vanlig metod att erhålla information om skogars egenskpaer med hjälp av satellidata, är att skapa empiriska samband mellan fältuppskattat bladyteindex och så kallade vegetations index, där reflektansen från olika våglängdsband kombinerats. I det här arbetet relaterades fältuppskattat bladyteindex till flera olika vegetationsindex, baserade på våglängdsband från både det röda, nära infraröda och mellan infraröda våglängdsbanden. Det finns indikationer på att bättre samband uppnås om satellitbaserade vegetationsindex istället relateras till så kallad effektiv bladyta, vilket innebär att ingen av de korrigeringsmetoder som är förknippade med den optiska fältuppskattningen av bladyteindex, tillämpas.



I det här arbetet fastställdes de vegetationsindex som visade sig mest lämpade för våra skogar. De samband som kunde etableras visade att de bästa sambanden erhålls om skogen indelas i barr och lövskog, eftersom reflektansen från barrskogar skiljer sig så markant från reflektansen hos lövskog, särskilt i den nära infraröda våglängdsområdet. Det kunde också konstateras att vissa vegetationsindex gav starkare korrelationer till effektivt bladyteindex, medan andra vegetationsindex korrelerade bättre till ett korrigerat bladyteindex. Flera vegetationsindex där det mellan infraröda våglängdsområdet har en framträdande roll, visade sig korrelera bättre till ett korrigerat bladyteindex än till ett effektivt. Några av dessa fungerade också bra även när barr och lövskog behandlades tillsammans, vilket är särskilt intressant för de skogsytor som består av en blandning av barr och lövskog. (Less)
Abstract
This thesis deals with methods of obtaining the leaf area index (LAI) from remotely sensed satellite data. Initially, in situ estimation methods were investigated, since the accuracy of the remotely sensed estimates is dependent on the quality of these estimates. The results of the present studies indicate that some methods commonly used as a reference for more complicated methods could result in overestimated LAI values. Furthermore, it was concluded that estimates of the LAI from optical methods could be simplified when applied to forests of similar character to those studied here (Swedish mixed, deciduous and coniferous forests).



The remotely sensed data were related to the in situ estimates based on an empirical... (More)
This thesis deals with methods of obtaining the leaf area index (LAI) from remotely sensed satellite data. Initially, in situ estimation methods were investigated, since the accuracy of the remotely sensed estimates is dependent on the quality of these estimates. The results of the present studies indicate that some methods commonly used as a reference for more complicated methods could result in overestimated LAI values. Furthermore, it was concluded that estimates of the LAI from optical methods could be simplified when applied to forests of similar character to those studied here (Swedish mixed, deciduous and coniferous forests).



The remotely sensed data were related to the in situ estimates based on an empirical approach. One drawback of this approach is that the understorey vegetation could be a disturbing factor. Therefore, the understorey LAI was estimated in situ and the possible effect of understorey vegetation on the spectral signal from the forest canopy was analysed. A radiative transfer model was employed to simulate the spectral signal from canopies, given detailed information on the forest characteristics. Model results confirmed that the effect of the understorey vegetation could be substantial, particularly for less dense stands (LAI ? 3). Strong relationships were found between the understorey and overstorey vegetation, indicating that the understorey LAI could be determined from information on the overstorey vegetation.



Strong empirical relationships were established between the remotely sensed satellite data and the in situ estimates, suggesting that the LAI of the forests could be predicted using the empirical approach. Various attempts were made to develop a method that could take the influence of the understorey vegetation into consideration. The results indicate that the remote sensing data may not be sufficiently sensitive to fully reflect the complex effects of the understorey vegetation on the reflectance from a forest. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
opponent
  • Professor Baret, Frederic, INRA
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
Geologi, fysisk geografi, Physical geography, geomorphology, Geology, physical geography, leaf aggregation, specific leaf area (SLA)., Växtekologi, Plant ecology, Leaf area index (LAI), canopy reflectance models, spectral vegetation indices, remote sensing, pedology, cartography, climatology, Fysisk geografi, geomorfologi, marklära, kartografi, klimatologi
pages
151 pages
publisher
Department of Physical Geography and Ecosystem Science, Lund University
defense location
Pangea, Geocentrum II, Sölvegatan 12, Lund
defense date
2007-06-11 10:15
external identifiers
  • scopus:34249739243
ISSN
0346-6787
ISBN
978-91-85793-02-0
language
English
LU publication?
yes
id
45951028-edc0-423e-97d5-ceccb8e78535 (old id 548823)
date added to LUP
2007-09-04 11:09:25
date last changed
2017-01-01 07:17:41
@phdthesis{45951028-edc0-423e-97d5-ceccb8e78535,
  abstract     = {This thesis deals with methods of obtaining the leaf area index (LAI) from remotely sensed satellite data. Initially, in situ estimation methods were investigated, since the accuracy of the remotely sensed estimates is dependent on the quality of these estimates. The results of the present studies indicate that some methods commonly used as a reference for more complicated methods could result in overestimated LAI values. Furthermore, it was concluded that estimates of the LAI from optical methods could be simplified when applied to forests of similar character to those studied here (Swedish mixed, deciduous and coniferous forests).<br/><br>
<br/><br>
The remotely sensed data were related to the in situ estimates based on an empirical approach. One drawback of this approach is that the understorey vegetation could be a disturbing factor. Therefore, the understorey LAI was estimated in situ and the possible effect of understorey vegetation on the spectral signal from the forest canopy was analysed. A radiative transfer model was employed to simulate the spectral signal from canopies, given detailed information on the forest characteristics. Model results confirmed that the effect of the understorey vegetation could be substantial, particularly for less dense stands (LAI ? 3). Strong relationships were found between the understorey and overstorey vegetation, indicating that the understorey LAI could be determined from information on the overstorey vegetation.<br/><br>
<br/><br>
Strong empirical relationships were established between the remotely sensed satellite data and the in situ estimates, suggesting that the LAI of the forests could be predicted using the empirical approach. Various attempts were made to develop a method that could take the influence of the understorey vegetation into consideration. The results indicate that the remote sensing data may not be sufficiently sensitive to fully reflect the complex effects of the understorey vegetation on the reflectance from a forest.},
  author       = {Eriksson, Helena},
  isbn         = {978-91-85793-02-0},
  issn         = {0346-6787},
  keyword      = {Geologi,fysisk geografi,Physical geography,geomorphology,Geology,physical geography,leaf aggregation,specific leaf area (SLA).,Växtekologi,Plant ecology,Leaf area index (LAI),canopy reflectance models,spectral vegetation indices,remote sensing,pedology,cartography,climatology,Fysisk geografi,geomorfologi,marklära,kartografi,klimatologi},
  language     = {eng},
  pages        = {151},
  publisher    = {Department of Physical Geography and Ecosystem Science, Lund University},
  school       = {Lund University},
  title        = {Leaf Area Index of Scandinavian Forests Methods Using in situ and Remotely Sensed Data},
  year         = {2007},
}