A sensor view model to investigate the influence of tree crowns on effective urban thermal anisotropy

A sensor view model is modified to include trees using a gap probability approach to estimate foliage view factors and an energy budget model for leaf surface temperatures (SUMVEG). The model is found to compare well with airborne thermal infrared (TIR) surface temperature measurements. SUMVEG is used to investigate the influence of trees on thermal anisotropy for narrow field-of-view TIR remote sensors over treed residential urban surfaces. Tests on regularly-spaced arrays of cubes on March 28 and June 21 at latitudes of 47.6°N and 25.8°N show that trees both decrease and increase anisotropy as a function of tree crown and building plan fractions. In compact geometries, anisotropy tends to decrease with tree crown plan fraction, with the opposite in open geometries, though trees taller than building height cause anisotropy to increase for all building plan fractions. These results help better understand and potentially correct urban thermal anisotropy

Improving estimation of gross primary productivity of terrestrial ecosystems

The MOderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) provides an unprecedented opportunity to monitor and quantify seasonal changes of vegetation and phenology. MODIS has the potential to improve the estimation, which is based on the algorithms for the NOAA Advanced Very High Resolution Radiometer (AVHRR), of biophysical/biochemical variables of vegetation. My doctoral study improves estimation of gross primary productivity (GPP) through two aspects: first, my study improved the detection of vegetation phenology by distinguishing MODIS contaminated observations and contamination-free observations, and secondly, I inverted the fraction of absorbed photosynthetically active radiation (PAR) by chlorophyll using radiative transfer models and daily MODIS data. My dissertation has five aspects: (1) to develop a procedure to distinguish atmospherically contaminated observations, snow contaminated observations and contamination-free observations; (2) to monitor vegetation phenology using reflectance of the seven MODIS spectral bands for land and relative vegetation indices; (3) to clarify the concepts of fractions of PAR absorbed by canopy, leaf and chlorophyll; (4) to explore the potential of estimating the fractions of PAR absorbed at different scales; and (5) to check if vegetation seasonal MODIS spectral variations during plant growing season are only due to vegetation\u27s anisotropic nature. A procedure to extract contamination-free daily MODIS observations is proposed and developed. It has been employed for the Harvard Forest site, the Howland Forest site, the Walker Branch Watershed Forest site, the km67 Forest site in tropic, a soybean site in Nebraska, the Xilingol grassland site in China, the Bartlett Experimental Forest site, and two broadleaf deciduous forest sites in Missouri. The extracted MODIS signals (reflectance and vegetation indices) provide rich information for interpretation. The richness of information from the results goes beyond the widely used normalized difference vegetation index (NDVI) and leaf area index (LAI). The more precise phenology information can be used for seasonal GPP estimation. The concepts of fractions of PAR absorbed by canopy, leaf and chlorophyll are described. I extracted fraction of PAR absorbed by chlorophyll for the Harvard Forest site, the Bartlett Experimental Forest site and the two deciduous broadleaf forest sites in Missouri using a coupled canopy-leaf radiative transfer model and daily MODIS data. Metropolis algorithm is used to invert the variables in the radiative transfer model. It provides posterior distributions for individual variables. Some of the inverted variables have been partly evaluated though validation for all variables is extremely expensive. Using the values of inverted variables of the two forest sites in Missouri, I calculated reflectance for the seven MODIS spectral ranges with real MODIS viewing geometries through whole growing season. I found that there should be other factors, except vegetation\u27s anisotropic nature, due to seasonal MODIS spectral variations of the forests during the plant growing season. My study suggests that in addition to measurements of canopy-level variables (e.g., LAI), field measurements of leaf-level variables (e.g., chlorophyll, other pigments, leaf dry matter, and leaf water content) will be useful for both remote sensing and ecological research

Spectrodirectional sensors for monitoring the American tropical dry forest succession

Programa de Doctorado en Diversidad y Función de Ecosistemas MediterráneosEl bosque tropical seco es un "hot-spot" a nivel mundial no solo por la biodiversidad que engloba, si no por su fragilidad y por estar altamente amenazado por el impacto humano, al ser un ecosistema que provee de diversos servicios ambientales, dadas las características climáticas y ambientales que lo definen. En comparación con el bosque tropical húmedo, al bosque tropical seco se le ha prestado mucha menos atención en el ámbito científico y legislativo. Es por ello que es prioritario el estudio de este ecosistema a escala de paisaje, para desarrollar estrategias de gestión y conservación. El bosque tropical seco se ha deforestado durante siglos para ser sustituido por zonas de pastos para ganado, con fines agrícolas o para extraer maderas preciosas. A partir de los informes presentados por el Club de Roma en 1968 acerca del desarrollo económico en curso y los efectos sobre la sociedad y el medio ambiente (presentados en la Cumbre de Estocolmo en 1978), y en el informe Bruntland de la ONU en 1987, que desembocaron en la Cumbre de la Tierra de Rio de Janeiro en 1992 y en Johannesburgo en 2002, la presión internacional acerca del estado del medio ambiente y de la necesidad de preservarlo, llevaron a los gobiernos de muchos países a dictar legislación referente a la protección del medio ambiente dentro de sus territorios nacionales. Gracias a ello, en el caso del bosque tropical seco, se protegieron ciertas zonas dedicadas a la conservación del ecosistema, comenzando así un proceso de regeneración del bosque, o en términos ecológicos, de sucesión ecológica. Diversos estudios apuntan la necesidad de tener en cuenta el estado de desarrollo del bosque a la hora de estimar los servicios ambientales que pueden proporcionar, y de cara a la gestión de estos espacios. Por eso es necesario determinar la extensión y localización precisa del bosque tropical seco, especificando el estado de sucesión ecológica en el que se encuentra. La teledetección se erige como una herramienta de alta utilidad para estudios a escala paisaje, especialmente en ecosistemas que no sean de acceso fácil, como el bosque tropical seco. Además, es una herramienta que proporciona un monitoreo continuo a escala temporal y espacial a bajo coste. Hasta el momento los satélites en órbita eran capaces de identificar elementos de la superficie de la tierra, y en el caso de la vegetación, distinguen diferentes ecosistemas e incluso rasgos fenológicos de la vegetación. Sin embargo, no son capaces de proporcionar información acerca de procesos ecológicos al detalle, como el estado de sucesión ecológica en el que se encuentra el bosque tropical seco. Los satélites de nueva generación, como Chris Proba, apuestan por tecnologías hasta el momento poco exploradas, como sensores hiperespectrales y observación del objeto en estudio desde varios ángulos de observación. En esta tesis, queremos estudiar la capacidad de Chris Proba para indagar más en profundidad en procesos ecológicos como la sucesión ecológica, o la productividad de pastos tropicales. En una primera aproximación al estudio de las imágenes Chris Proba, se han analizado los valores de reflectancia de imágenes adquiridas para México, Nicaragua y Brasil (cubriendo todo el eje latitudinal de distribución del bosque tropical seco en el continente americano). Se han utilizado imágenes de la época seca y la época de lluvias con cinco ángulos de observación diferentes (-55º, -36º, 0º, +36º, +55º). Las áreas de trabajo corresponden con tres estadios sucesionales dentro del bosque tropical seco secundario (temprano, intermedio y maduro), que fueron caracterizados a partir de su estructura y composición florística. Las técnicas estadísticas empleadas incluyen un análisis de las firmas espectrales para cada ángulo de observación, estadio sucesional y estación del año y análisis de la varianza para cada una de las 18 bandas espectrales del sensor. Además se realizó un análisis multidimensional con las 18 bandas que ofrece este satélite y estudios estadísticos de separación espectral de los estados sucesionales del bosque tropical seco. Los resultados apuntan a que Chris Proba es capaz de distinguir los tres estadios sucesionales del bosque tropical seco en los tres puntos del continente americano estudiados en función de sus características espectrodireccionales, especialmente durante la época seca. Una vez demostrada la potencialidad de Chris Proba para la discriminación de estados sucesionales del bosque tropical seco (capítulo 2), se hace necesaria la elaboración de mapas de distribución de dichos estados sucesionales, que supondrá una herramienta real para la gestión de este tipo de espacio. Para el desarrollo del capítulo 2, se han utilizado imágenes del bosque tropical seco brasileño, por el alto conocimiento de campo que se tiene del área. Para la generación de mapas de clasificación, se han empleado modelos estadísticos no paramétricos, que se adaptan mejor a las características de la ecología del bosque tropical, que no se definen por una distribución normal de datos. Se han utilizado árboles decisiones como método estadístico. Se han analizado diversas combinaciones de variables a introducir en el modelo estadístico (nº de ángulos de observación y nº de estaciones del año) para dilucidar cuál es la mejor opción en la creación de un mapa de clasificación de estados sucesionales del bosque tropical seco, en función de los resultados de precisión de los mapas resultantes. Una vez habiendo explorado las técnicas apropiadas para generar un mapa de estados sucesionales de bosque tropical seco en área planas, nos enfrentamos al reto de elaborar un mapa de similares características en México, donde existe la dificultad añadida de la topografía del área. En el mundo de la teledetección, no se ha logrado una corrección radiométrica de los valores de reflectancia de píxeles afectados por sombras que crea el relieve con una precisión adecuada. Sin embargo, es del todo necesario tener mapas de los estados sucesionales del bosque tropical seco para la gestión del mismo, por lo que la limitación de la topografía debe ser superada, y éste es el interés de nuestro estudio. Para Chris Proba, además, se debe considerar el efecto del ángulo de observación en la iluminación de la superficie terrestre. Una vez las imágenes Chris Proba fueron corregidas atmosféricamente y ortorectificadas, se aplicó un algoritmo que utiliza el coseno del ángulo de incidencia solar para rectificar el efecto de las sombras generadas por el terreno. Se realizaron mapas de clasificación usando las imágenes Chris Proba antes y después de aplicar dicho algoritmo para cuantificar el error producido por las sombras en la identificación de los estados sucesionales del bosque tropical seco. La presente tesis presenta por primera vez mapas de sucesión del bosque tropical seco americano, una herramienta indispensable para la gestión de este ecosistema amenazado. Se abre una línea de trabajo en la monitorización de este fenómeno ecológico, puesto que una vez determinada la técnica más apropiada para realizar mapas de clasificación de los estados de sucesión del bosque seco, se podrán realizar mapas cada cierto tiempo para monitorizar y estudiar el progreso de la regeneración del bosque seco y la tasa se crecimiento del bosque. Tras los experimentos conducidos en la presente tesis, se ha llegado a la conclusión de que son necesarias técnicas más complejas de teledetección para monitorear y cartografiar fenómenos fenológicos, como la sucesión ecológica del bosque tropical seco. Queda demostrado que los sensores multiespectrales son insuficientes para la identificación de estados sucesionales del bosque tropical seco, mientras que los sensores hiperespectrales sí lo logran. Además, la observación multiangular que ofrecen pocos satélites (como Chris Proba), aportan nueva información acerca de la estructura del bosque tropical seco, que ayuda a la discriminación de estados de sucesión. Los resultados de esta tesis animan a continuar en estas líneas de trabajo (hiperespectrabilidad y multiangularidad), de cara al diseño de satélites y planificación de misiones espaciales en el futuro.Universidad Pablo de Olavide. Departamento de Geografía, Historia y Filosofí

Analyse de l'évapotranspiration et du bilan d'énergie de surface d'une forêt boréale humide aux échelles locales et régionales

La forêt boréale recouvre 30% de la surface du Canada et 14% de la surface émergée de la terre. Les changements climatiques vont fortement l’affecter, et ces écosystèmes vont significativement impacter la climatologie et l’hydrologie mondiale avec des échanges importants d’eau, d’énergie et de carbone entre le sol et l’atmosphère. Il est maintenant crucial de bien comprendre le bilan d’énergie de surface sur ce biome pour efficacement prévoir son comportement et son évolution dans un climat changeant. Beaucoup d’études ont analysé le bilan d’énergie de la forêt boréale, mais des lacunes importantes subsistent : il y a peu d’études en terrain non plat, ou dans des zones recevant d’importantes précipitations, ou encore avec des mesures à des échelles spatiales variées, et encore moins des combinaisons de ces trois possibilités. Le principal but de cette thèse est d’attaquer ces lacunes de front en offrant l’analyse du bilan d’énergie et de l’évapotranspiration d’une forêt boréale humide couvrant une topographie prononcée, et ce à plusieurs échelles spatiales (point : ~m²; locale : ~ha; régionale : ~km²). Les résultats sont principalement basés sur une campagne de mesures ayant cours à la forêt Montmorency de l’Université Laval, à 80 km au nord de Québec, Canada. La forêt est une sapinière à bouleau blanc avec des arbres à divers degrés de maturité. Là, deux tours à flux mesurant tous les termes du bilan d’énergie sont installés depuis l’automne 2015. Trois objectifs spécifiques sont associés à trois échelles spatiales de mesure ou de modélisation dans un gradient allant de l’échelle ponctuelle vers l’échelle régionale. Dans un premier objectif, l’hétérogénéité spatiale du couvert forestier est caractérisée par des mesures de rayonnement solaire sous-canopée. Ensuite, l’évaluation de la densité de végétation permet de paramétrer un schéma de surface pour obtenir la variabilité de l’évapotranspiration et de ses composantes. Les résultats montrent que même si la transmission du rayonnement est très variable de point en point (entre 7% et 69% sur toute la saison), une moyenne spatiale à l’échelle locale représente bien la zone. Les résultats de modélisation indiquent qu’une forêt plus dense cause légèrement plus d’évapotranspiration totale, car elle évapore plus de précipitations interceptées et transpire plus. Une forêt plus dense évapore toutefois moins d’eau au sol, ce qui peut mener à une humidité du sol accrue dans des conditions de sécheresse momentanée.Dans le deuxième objectif, l’impact de fortes précipitations sur le bilan d’énergie à l’échelle locale et l’évapotranspiration en forêt boréale est évalué. Pour ce faire, le site principal de la forêt Montmorency est d’abord comparé avec 13 sites en forêt boréale dans le monde sur la base du bilan d’énergie et de l’évapotranspiration. La forêt Montmorency est le site qui reçoit le plus de précipitations avec ~1600 mm a⁻¹. Pour tous les sites, la précipitation reçue est liée à l’évapotranspiration annuelle, et c’est aussi le site principal qui a la plus forte évapotranspiration, avec ~550 mm a⁻¹. Grâce à des mesures précises des débits sortants du bassin versant de 3.5 km² contenant les sites de mesure, le bilan hydrique est clairement établi : l’eau excédentaire provenant des précipitations est principalement évacuée par des débits sortants dans les cours d’eau du bassin versant, à une hauteur de ~1050 mm a⁻¹. Pour le troisième objectif, la méthode de la scintillométrie à deux longueurs d’onde est testée sur le site d’étude et ses mesures du bilan d’énergie à l’échelle régionale sont comparées à celles à l’échelle locale. Les scintillomètres sont installés à travers une vallée où est également présente une des deux tours à flux. Les faisceaux électromagnétiques parcourent 1347 m à une hauteur variant entre 5 et 100 m et une hauteur efficace de 88 m. Les résultats montrent que les deux montages expérimentaux ont une faible concordance au niveau des paramètres de structure météorologiques, mais une concordance plus qu’acceptable au niveau des flux turbulents. Pour ces derniers, la corrélation entre les scintillomètres et la tour à flux est optimale lorsque les faisceaux électromagnétiques sont entièrement inclus dans la couche de surface atmosphérique. Cependant, comme la hauteur des faisceaux est hautement variable, ceux-ci se retrouvent la plupart du temps en partie dans la couche de surface atmosphérique, ce qui mène à une corrélation tout de même acceptable dans ces circonstances. Néanmoins, les mesures des scintillomètres sont souvent de qualité douteuse lors des périodes nocturnes et lorsque l’atmosphère est stable. En bref, la forêt boréale étudiée exhibe un bilan d’énergie et une évapotranspiration significativement différents d’autres sites dans des biomes semblables recensés dans la littérature. Cette thèse apporte des précisions importantes sur ce type d’environnement. De plus, la thèse offre des outils méthodologiques rigoureux pour évaluer le bilan d’énergie à diverses échelles spatiales et élabore sur le passage entre ces échelles, une contribution à ne pas négliger pour les modélisateurs hydrologiques et du climat au Canada et dans le monde.For the third objective, the two-wavelength scintillometry method is evaluated at the study site and its regional energy balance measurements are compared to those at the local scale. The scintillometers are installed across a valley where one of the two flux towers is localized. The scintillometers’ electromagnetic beams travel 1347 m at a height varying between 5 and 100 m and an effective height of 88 m. The results show that the two experimental systems have a low agreement in terms of the meteorological structure parameters, but a more than acceptable agreement for the turbulent fluxes. For the latter, the correlation between scintillometers and flux tower is optimal when the electromagnetic beams are entirely included in the atmospheric surface layer. However, since the beam height is highly variable, they are more often than not partially present in the atmospheric surface layer anyway, which leads to a correlation that is still acceptable in these circumstances. However, measurements of scintillometers are often unrealistic during nocturnal periods and when the atmosphere is stable. In short, the studied boreal forest exhibits an energy balance and evapotranspiration significantly different from other sites in similar biomes referenced in the literature. This thesis provides important details on this type of environment. In addition, the thesis offers rigorous methodological tools to assess the energy balance at various spatial scales and elaborates on the possibility of upscaling and/or downscaling results, a contribution not to be overlooked for hydrological and climate modelers in Canada and around the world.The boreal forest covers 30% of Canada's surface and 14% of the earth's land surface. Climate change will severely affect it, and these ecosystems will in turn impact climate and global hydrology with significant exchanges of water, energy and carbon between the soil and the atmosphere. It is now crucial to understand the surface energy balance of this biome to effectively predict its behavior and evolution in a changing climate. Many studies have analyzed the energy balance of the boreal forest, but significant gaps remain: there are little studies in non-flat terrain, or in areas receiving significant rainfall, or with measurements at various spatial scales, let alone combinations of these three possibilities. The main aim of this thesis is to fill these gaps with a rigorous analysis of the energy balance and evapotranspiration of a boreal forest covering a pronounced topography, and this at several spatial scales (point: ~m², local: ~ha, regional: ~km²). The results are mainly based on a measurement campaign taking place at the Montmorency Forest of Université Laval, 80 km north of Québec, Canada. The forest is a balsam fir – white birch forest with trees of varying degrees of maturity. There, two flux towers are measuring all the energy balance terms since autumn 2015. Three specific objectives are associated with three spatial scales of measurement or modeling in a gradient from the point scale to the regional scale. In a first objective, the spatial heterogeneity of the forest cover is characterized by sub-canopy solar radiation measurements. Then, the vegetation density evaluation makes it possible to parameterize a land-surface scheme to obtain the variability of the evapotranspiration and its components. The results show that even though the transmission of radiation is highly variable from point to point (seasonal average between 7% and 69%), a spatial average at the local scale represents the area quite well. Modeling results indicate that a denser forest causes slightly more total evapotranspiration because it evaporates more intercepted precipitation and generates more transpiration. A denser forest, however, evaporates less water on the ground, which can lead to increased soil moisture under conditions of momentary drought. In the second objective, the impact of heavy rainfall on the local energy balance and evapotranspiration in the boreal forest is evaluated. To do this, the main site of Montmorency Forest is first compared with 13 boreal forest sites around the world on the basis of energy balance and evapotranspiration. The Montmorency Forest is the site receiving the most rainfall with ~1600 mm y⁻¹. For all sites, the precipitation received is positively related to annual evapotranspiration, which means the main site has the highest evapotranspiration rates, with ~550 mm y⁻¹. With accurate measurements of the outflow from the 3.5 km² watershed containing the Montmorency Forest measurement sites, the water balance is clearly established: excess water from precipitation is mainly discharged through outflows of the watershed, to an extent of ~1050 mm y⁻¹