Snow cover dynamics and plant phenology documentation using digital camera images and their relation with CO2-fluxes at Stordalen mire, northern Sweden

Abstract

This report investigates the utilization of digital camera images (DCIs), sensitive in the visible part of the spectrum, for documentation of seasonal and inter-annual variations in snow cover and plant phenology. The DCIs used were transformed to orthographic images (ortho-image) from ordinary oblique DCIs taken between January 2001 and December 2003 at a sub- arctic mire (Stordalen) in northern Sweden. Snow depletion- and ablation curves and a greenness index (GI) together with climatic parameters were produced to examine the relationship with Net Ecosystem Exchange (NEE) measured with eddy covariance technique (EC).
The snow cover length ranged between 183 and 190-days/ year and showed effect on the flux as the driving force on the length of the seasons. The accumulated temperatures during shoulder seasons (spring and fall), especially the fall, are closely correlated to the accumulated carbon fluxes. The length of the summer season is correlated to the accumulated fluxes for the same period. Inter-annual comparisons points out the mire as an increasing carbon (CO2) sink over the analysed years. The accumulated temperature at Stordalen decreases and becomes warmer during the years of investigation. The creation of a GI was proved functional but a large variation reduces the applicability for vegetation analysis.
The method applied on the data was successful but developing the method would improve the results. By raising the camera, the tilt angel is enlarged and the area of focus improved. This action would make the images usable for a larger area of the mire. If the camera is modified, removing the infrared (IR) filter or installing a new camera with a spectral resolution bridging the IR spectra and preferable with possibilities to save images as raw data (without algorithms and filters and without normalisation for incoming light) would improve the vegetation monitoring.
In spite of this, it is possible to conclude that the mire acts as a larger sinks during long summer seasons. But in the same time, shorter winter seasons produce larger effluxes from the mire. Thus, the shoulder seasons are of high importance for the whole year carbon (CO2) budget. This work exclude fluxes from CH4, VOC, and lateral fluxes e.g. DOC from the analysis, as these fluxes generally are important in wetlands carbon budgets, they would if included probably change the (mire) ecosystem from a net sink to a net source.

Abstract (Swedish)

Populärvetenskaplig sammanfattning: Jordens klimat är ett aktuellt forskningsämne. För att komma fram till resultat som är globalt applicerbara bedrivs forskning för att öka förståelsen och kunskapen om återkopplingsmekanismer mellan klimat och vegetation på många platser runt om i värden och i olika klimatzoner.
Sedan början av 1900-talet har det pågått forskningsstudier (av ekosystemprocesser) i Abisko, norra Sverige och dess omgivning. Den gedigna mängd information som samlats här ger goda möjligheter att komma fram till hur ekosystem reagerar på yttre påverkan och interna förändringar över en lång tidsperiod. Fältarbetet som ligger till grund för min undersökning har gjorts på Stordalsmyren cirka 10 km öster om Abisko. Det är en subarktisk myr med en mosaik av torra förhöjningar och fuktiga sänkor. Under senare år har studierna på Stordalen utvecklats och intensifierats. Sedan några år tillbaka sker kontinuerliga mätningar av koldioxid (CO2) och visuella förändringar registreras dagligen med hjälp av en digitalkamera.
Syftet med arbetet har varit att undersöka möjligheten att använda bilder från en digitalkamera för att ta fram information om olika faktorers påverkan av ekosystemets kolbalans. Kamerasystemet består av en digital övervakningskamera som automatiskt fotograferar myren en gång per dag klockan 12.00. Bilderna hämtas in och bearbetats i ett program som transformerar de central projicerade bilderna till ortogonal projicerade (Ortho-images), vilket möjliggör avståndsmätningar. Ur bilderna har ett delområde valts ut och klassats som antingen vegetation eller snö. Av denna information har kurvor för snö-avsmältning och ackumulation tagits fram.
För att utvinna mesta möjliga information ur bilderna och göra dem jämförbara har försök gjorts att skapa ett grönhetsindex (GI) som visar utvecklingen hos vegetationen under året. Då kameran registrerar bilderna i tre separata våglängdsband, rött, grönt och blått beräknades avvikelsen av grönt från blått och rött. Kameran är utrustad med ett filter som utelämnar infraröd (IR) strålning, information från IR området hade egentligen varit att föredra då vegetationssignalen är förstärkt i IR regionen av spektrat. Snötäckets tjocklek och varaktighet under vintern påverkar inte utbytet av CO2 mellan atmosfären och biosfären nämnvärt. Det som har störst inverkan på CO2-utbytet är våren och höstens längd som varierar mellan åren beroende på hur länge snön ligger. Den finns ett starkt samband mellan den ackumulerade CO2-fluxen och temperaturen under hösten. Även under våren finns ett samband men det är inte lika tydligt som under hösten. Den sammanlagda CO2-fluxen under sommaren har ett starkt samband med längden på sommaren. Jämför man åren ser man att ”varma” år tar myren upp (assimilerar) mer CO2 än vad den avger (respirerar). Med kortare vintrar avges mer CO2, detta kan ha implikationer på kolbalansen framdeles med ett ändrat klimat.
Då syftet med kameran när den sattes upp inte var fjärranalytiskt är kameran och placeringen av den ej optimalt för just detta ändamål. Vid fortsatt användning av kameran för vegetationsstudier rekommenderas att kameran flyttas i höjdled samt att den utrustas med en IR-känslig sensor för att bättre möjliggöra mer ingående studier av vegetationen.

• author: Svensson, Susanne
• supervisor: Torben Christensen; Torbjörn Johansson
• organization: Dept of Physical Geography and Ecosystem Science
• alternative title: Dokumentation av snödynamik och plantfenologi och dess relation till CO2-fluxer med hjälp av digitalkamerabilder och fluxtorn på Stordalsmyren i norra Sverige
• year: 2005
• type: H1 - Master's Degree (One Year)
• subject: Earth and Environmental Sciences
• keywords: naturgeografi, climatology, cartography, carbon flux, climate monitoring, physical geography, snowmelt, pedology, geomorphology, geomorfologi, marklära, kartografi, klimatologi
• publication/series: Lunds universitets Naturgeografiska institution - Seminarieuppsatser
• report number: 113
• language: English
• id: 1333239
• date added to LUP: 2005-09-29 00:00:00
• date last changed: 2011-12-13 15:46:10