Investigating the impact of ground reflectance on satellite estimates of forest leaf area index

Abstract

Ground reflectance of forests has been suggested as a main source weakening the strength of relationships using satellite reflectance to predict forest leaf area index (LAI), a key input variable in models of carbon balance and global circulation. In this project a radiative transfer model was used to simulate the influence of ground reflectance in forest canopy reflectance in twenty forest stands in Scania (Southern Sweden). Data needed to run the model were retrieved from measurements in the stands (14 deciduous and 6 coniferous) that were of varying tree density, canopy structure and ground cover. The variation in forest reflectance due to the influence of ground reflectance was found to be significantly negatively related to forest reflectance for the coniferous stands. However, no such relationship was found for the deciduous stands. When the influence on LAI predicted from satellite reflectance was estimated it was found that the variation in ground reflectance had a huge impact on predicted LAI, especially for lower LAI. Significant negative relationships were also found between canopy LAI estimates and modelled LAI of the ground vegetation for all the forest stands (r2=0.49). The relationships were stronger when deciduous and coniferous stands were separated. The results point towards that ground reflectance has a major impact on forest canopy reflectance, and seriously decreases the accuracy of LAI predicted by empirical relationships of satellite reflectance. Correction of the satellite reflectance for ground reflectance is suggested in order to achieve more reliable LAI estimates for sub-boreal forests.

Abstract (Swedish)

Bladyteindex för skog är ett mått på mängden blad i skogen. Bladyteindexet används i klimatmodeller för att uppskatta viktiga biologiska processer för skogen som fotosyntes, evapotranspiration och kolutbyte med atmosfären. Dessa modeller behöver bladyteindexdata över stora skogsarealer, som rimligtvis inte kan mätas för hand. Man har upptäckt samband mellan satellitdata i form av skogars reflektans (andel reflekterat ljus per andel infallande ljus) enligt vissa våglängdskombinationer (vegetationsindex) och bladyteindex uppmätt från marken. Dessa samband kan användas till att beräkna bladyteindex från satellitdata vilket skulle tillfredställa behovet av bladyteindexdata över stora skogsarealer. Sambanden är troligtvis inte tillräckligt starka till följd av diverse felkällor och skulle kunna ge missvisande värden på bladyteindex om de användes. En möjligtvis stor felkälla antas vara det reflekterade ljuset från marken i skogen (markreflektans). Markreflktansen läggs till reflektansen från trädkronorna och verkar på så vis som en störande faktor i sambanden mellan vegetationsindex och bladyteindex. Denna studie har som mål att uppskatta värden på markreflektans för lövskog och barrskog, samt att uppskatta markreflektansens påverkan på bladyteindex beräknat från samband mellan olika vegetationsindex och bladyteindex uppmätt i skogen. För att göra detta använde jag mig av en matematisk modell av skogen som simulerar dess reflektans och uppmätta parametrar till modellen från 14 lövskogs- och 6 barrskogsbestånd i Skåne. I modellen finns en delmodell som simulerar markreflektans. Genom att i modellen variera markreflektansens inverkan på skogens reflektans utifrån dess naturliga variation uppmätt i skogen kunde skillnaden i skogens totala reflektans till följd av variationen i markreflektans beräknas. Jag fann två negativa statistiskt säkerställda samband mellan markreflektans och vetetationsindex vilka indikerar att andelen markreflektans i ett vegetationsindex ökar ju mindre vegetation som finns i trädkronorna. Detta innebär att markreflektans gör bladyteindexvärden som beräknas utifrån sambanden osäkra, och att osäkerheten ökar ju lägre värdet på bladyteindex är. Således är markreflektansens påverkan på bladyteindex uppskattat från satellitdata stor. Man bör därför vara försiktig när man använder bladyteindex framtaget på detta sätt i klimatmodellerna. För att kunna använda satellitdata till att beräkna bladyteindex föreslås vidare att satellitdatan korrigeras för markreflektansens påverkan och att dessa korrigerade satellitdata används till att upprätta nya samband till bladyteindex för skog som förhoppningsvis är starkare.

• author: Persson, Per
• supervisor: Lars Eklundh
• organization: Dept of Physical Geography and Ecosystem Science
• year: 2007
• type: H1 - Master's Degree (One Year)
• subject: Earth and Environmental Sciences
• keywords: physical geography, bladyteindex, LAI, markreflektans, ground reflectance, geography, naturgeografi, geografi
• publication/series: Lunds universitets Naturgeografiska institution - Seminarieuppsatser
• report number: 133
• language: English
• id: 1952245
• date added to LUP: 2011-05-12 15:29:57
• date last changed: 2011-12-14 09:53:21