Land Surface Temperature (LST) estimated from Landsat images: applications in burnt areas and tree-grass woodlands (dehesas)

A lo largo de los últimos 40 años, las diferentes misiones del proyecto Landsat han proporcionado una gran cantidad de información espectral sobre la superficie terrestre. Las imágenes obtenidas por estos satélites se caracterizan por una resolución espacial de tipo medio, bandas espectrales situadas en diferentes regiones del espectro electromagnético (ópticas y térmicas) y una amplia cobertura terrestre. Si bien las bandas del óptico han sido utilizadas con éxito en numerosas aplicaciones, el uso del térmico ha sido mucho más limitado, a pesar de la gran importancia que representa el parámetro de la temperatura de superficie para numerosas aplicaciones ambientales, especialmente para aquellas relacionadas con la modelización de los flujos de energía en el sistema suelo-vegetación-atmósfera y con el cambio global. En este contexto, el objetivo principal de la presente investigación es explorar el potencial de la temperatura de superficie terrestre (siglas en inglés - LST), derivada de imágenes Landsat, en el estudio de ecosistemas heterogéneos, concretamente (i) áreas afectadas por los incendios forestales y (ii) ecosistemas de dehesa,formaciones constituidas por los árboles dispersos y pastizal/cultivos. En primer lugar, en el marco del proyecto BIOSPEC “Linking spectral information at different spatial scales with biophysical parameters of Mediterranean vegetation in the context of Global Change” (http://www.lineas.cchs.csic.es/biospec) se comparan las diferentes metodologías disponibles para la estimación de la LST a partir de la banda térmica de Landsat. Los mejores resultados, en condiciones atmosféricas caracterizadas por niveles medios de contenido de vapor, se obtuvieron usando el método mono-banda (en inglés - SingleChannel) (Jiménez-Muñoz et al., 2009), con un error de estimación <1º K. En el siguiente paso de la investigación la información sobre la distribución de LST derivada del sensor Thematic Mapper se utilizó en el análisis de la severidad del fuego en una zona forestal de Las Hurdes(Extremadura, España), y en el estudio de los efectos ocasionados por los diferentes tratamientos post-incendio en una zona quemada, esta vez localizada en los Montes de Zuera (Zaragoza, España). En relación con la severidad del fuego analizada en diferentes fechas post-incendio, se han detectado diferencias estadísticamente significativas entre los valores de LST correspondientes a las categorías de severidad establecidas a partir del índice espectral ΔNBR (Key y Benson, 2006).Los niveles de LST más elevados se observaron en las zonas donde la severidad del fuego fue mayor, debido a la menor emisividad de los productos de combustión y los cambios en el balance de energía relacionados con la ausencia de vegetación. En cuanto a las consecuencias de los tratamientos de madera quemada en la regeneración vegetal, se han observado diferencias estadísticamente significativas entre las áreas intervenidas y no intervenidas. En este sentido, en las áreas no intervenidas se registraron valores de LST ~1 K más bajos y niveles de recubrimiento vegetal ~10% más altos que en las intervenidas. En otro ámbito de aplicación, los datos de LST obtenidos mediante imágenes de Landsat-5 TM (período 2009-2011), se utilizaron en el análisis de los patrones espacio-temporales de la LST y su relación con el grado de ocupación de la fracción arbórea en ecosistemas de dehesa. Se ha detectado una relación negativa entre la LST y la cobertura arbórea, con diferencias a nivel estacional debido al dinamismo del ciclo fenológico del pastizal

Can Landsat-Derived Variables Related to Energy Balance Improve Understanding of Burn Severity From Current Operational Techniques?

Producción CientíficaForest managers rely on accurate burn severity estimates to evaluate post-fire damage and to establish revegetation policies. Burn severity estimates based on reflective data acquired from sensors onboard satellites are increasingly complementing field-based ones. However, fire not only induces changes in reflected and emitted radiation measured by the sensor, but also on energy balance. Evapotranspiration (ET), land surface temperature (LST) and land surface albedo (LSA) are greatly affected by wildfires. In this study, we examine the usefulness of these elements of energy balance as indicators of burn severity and compare the accuracy of burn severity estimates based on them to the accuracy of widely used approaches based on spectral indexes. We studied a mega-fire (more than 450 km2 burned) in Central Portugal, which occurred from 17 to 24 June 2017. The official burn severity map acted as a ground reference. Variations induced by fire during the first year following the fire event were evaluated through changes in ET, LST and LSA derived from Landsat data and related to burn severity. Fisher’s least significant difference test (ANOVA) revealed that ET and LST images could discriminate three burn severity levels with statistical significance (uni-temporal and multi-temporal approaches). Burn severity was estimated from ET, LST and LSA using thresholding. Accuracy of ET and LST based on burn severity estimates was adequate (κ = 0.63 and 0.57, respectively), similar to the accuracy of the estimate based on dNBR (κ = 0.66). We conclude that Landsat-derived surface energy balance variables, in particular ET and LST, in addition to acting as useful indicators of burn severity for mega-fires in Mediterranean ecosystems, may provide critical information about how energy balance changes due to fireMinisterio de Economía, Industria y Competitividad (project AGL2017-86075-C2-1-R)Junta de Castilla y León (project LE001P17

Burn severity metrics in fire-prone pine ecosystems along a climatic gradient using Landsat imagery

P. 205-217Multispectral imagery is a widely used source of information to address post-fire ecosystem management. The aim of this study is to evaluate the ability of remotely sensed indices derived from Landsat 8 OLI/TIRS to assess initial burn severity (overall, on vegetation and on soil) in fire-prone pine forests along the Mediterranean-Transition-Oceanic climatic gradient in the Mediterranean Basin. We selected four large wildfires which affected pine forests in a climatic gradient within the Iberian Peninsula. In each wildfire we established CBI plots to obtain field values of three burn severity metrics: site, vegetation and soil burn severity. The ability of 13 spectral indices to match these three field burn severity metrics was compared and their transferability along the climatic gradient assessed using linear regression models. Specifically, we analysed the performance of 12 indices previously used for burn severity assessments (8 reflective, 2 thermal, 2 mixed) and a new reflective index (dNBR-EVI). The results showed that Landsat spectral indices have a greater ability to determine site and vegetation burn severity than soil burn severity. We found large differences in indices performances among the three different climatic regions, since most indices performed better in the Mediterranean and Transition regions than in the Oceanic one. In general, the dNBR-EVI showed the best fit to site, vegetation and soil burn severity in the three regions, demonstrating broad transferability along the entire climatic gradient.S

Burn severity mapping from Landsat MESMA fraction images and Land Surface Temperature

14 p.Forest fires are incidents of great importance in Mediterranean environments. Landsat data have proven to be suitable for evaluating post-fire vegetation damage and determining different levels of burn severity, which is crucial for planning post-fire rehabilitation. This study assessed the utility of combined Multiple Endmember Spectral Mixture Analysis (MESMA) fraction images and Land Surface Temperature (LST) to accurately map burn severity. We studied a large convection- dominated wildfire, which occurred on 19–21 September 2012 in Spain, in a zone dominated by Pinus pinaster Ait. Burn severity degree (low, moderate, and high) was measured 2–3 months after fire in 111 field plots using the Composite Burn Index (CBI). Four fraction images were generated using MESMA from the reflective bands of a post-fire Landsat 7 Enhanced Thematic Mapper (ETM +) image: 1.-char, 2.-green vegetation (GV), 3.-non-photosynthetic vegetation and soil (NPVS) and 4.-shade. The thermal band was converted to LST using a single channel algorithm. Next, Multinomial Logistic Regression (MLR) was used to obtain the probability of each burn severity level from MESMA fraction images and LST. Finally, a burn severity map was generated from the probability images and independently validated using an error matrix, producer and user accuracies per class, and κ statistic. MLR identified the char fraction image and LST as the only significant explanatory variables when burn severity acted as the response variable. Two burn severity degrees (low-moderate and high) were finally considered to build the final burn severity map. In this way, we reached a higher accuracy (κ = 0.79) than using the original three burn severity levels (κ = 0.66). Our study demonstrates the validity of combining fraction images and LST from Landsat data to map burn severity accurately in Mediterranean countriesS

Post-Fire Management Impact on Natural Forest Regeneration through Altered Microsite Conditions

High severity stand-replacing wildfires can deeply affect forest ecosystems whose composition includes plant species lacking fire-related traits and specific adaptations. Land managers and policymakers need to be aware of the importance of properly managing these ecosystems, adopting post-disturbance interventions designed to reach management goals, and restoring the required ecosystem services. Recent research frequently found that post-fire salvage logging negatively affects natural regeneration dynamics, thereby altering successional pathways due to a detrimental interaction with the preceding disturbance. In this study, we compared the effects of salvage logging and other post-disturbance interventions (adopting different deadwood management strategies) to test their impact on microclimatic conditions, which potentially affect tree regeneration establishment and survival. After one of the largest and most severe wildfires in the Western Alps that affected stand-replacing behavior (100% tree mortality), a mountain forest dominated by Pinus sylvestris L., three post-fire interventions were adopted (SL-Salvage Logging, logging of all snags; CR-Cut and Release, cutting snags and releasing all deadwood on the ground; NI-No Intervention, all snags left standing). The differences among interventions concerning microclimatic conditions (albedo, surface roughness, solar radiation, soil moisture, soil temperature) were analyzed at different spatial scales (site, microsite). The management interventions influenced the presence and density of safe sites for regeneration. Salvage logging contributed to the harsh post-fire microsite environment by increasing soil temperature and reducing soil moisture. The presence of deadwood, instead, played a facilitative role in ameliorating microclimatic conditions for seedlings. The CR intervention had the highest soil moisture and the lowest soil temperature, which could be crucial for seedling survival in the first post-fire years. Due to its negative impact on microclimatic conditions affecting the availability of preferential microsites for regeneration recruitment, salvage logging should not be considered as the only intervention to be applied in post-fire environments. In the absence of threats or hazards requiring specific management actions (e.g., public safety, physical hazards for facilities), in the investigated ecosystems, no intervention, leaving all deadwood on site, could result in better microclimatic conditions for seedling establishment. A preferred strategy to speed-up natural processes and further increase safe sites for regeneration could be felling standing dead trees whilst releasing deadwood (at least partially) on the ground

Mapping intra- and inter-annual dynamics in wetlands with multispectral, thermal and SAR time series

Kartierung der intra- und interannuellen Dynamik von Feuchtgebieten mit multispektralen, thermischen und SAR-Zeitreihen Die Analyse der aktuellen räumlichen Verbreitung und der zeitlichen Entwicklung von Feuchtgebieten stellt eine äußerst komplexe Aufgabe dar, welche durch die Saisonalität, die schwierige Zugänglichkeit und die besonderen Eigenschaften als Ökoton bedingt ist. Erdbeobachtungssysteme sind somit das am besten geeignete Werkzeug, um zeitliche und räumliche Muster von Feuchtgebieten auf globaler Ebene zu beobachten (saisonale Veränderungen und Langzeit-Trends) und um den Einfluss der menschlichen Aktivitäten auf ihre physischen und biologischen Eigenschaften zu untersuchen. Zur Kartierung von raum-zeitlichen Mustern wurden Zeitreihen von Radar- (Sentinel-1), Multispektral- (Sentinel-2) und Thermal-Satellitendaten (MODIS) in fünf Untersuchungsgebieten, mit für Feuchtgebiete unterschiedlichen typischen Charakteristika, untersucht. In Kapitel 1 werden die Problematik in Bezug auf die Definition von Feuchtgebieten erläutert und allgemeine Degradations-Trends beschrieben. Die Kapitel 2 und 3 behandeln einen Algorithmus, der Veränderungen mithilfe von SAR-Zeitreihen feststellt, sowie die Vorteile des Cloud-Computings für das operationelle Monitoring saisonaler Muster und die Erkennung kurzfristig auftretender Veränderungen. In den Kapiteln 4 und 5 werden die zwei Hauptursachen für den Verlust von Feuchtgebieten betrachtet: der Staudammbau und die Ausdehnung landwirtschaftlicher Flächen. In Kapitel 4 werden dichte Zeitreihen multispektraler (Sentinel-2) und SAR-Daten (Sentinel-1) verwendet, um die Feuchtgebiete Albaniens – eines Landes in dem konträre Pläne zum Ausbau seines Wasserkraftpotentials und dem Schutz intakter Flussökosysteme zu Spannungen führen – landesweit zu kartieren. Die synergetischen Vorteile, die sich durch die Fusionierung von multispektralen und SAR-Daten für die Klassifikation ergeben, werden dabei herausgestellt. Kapitel 5 veranschaulicht, dass die Kilombero-Überschwemmungsebene in Tansania ein großes und bedeutendes Feuchtgebiet ist, das in den vergangenen Jahren infolge der weitgehend unkontrollierten Ausbreitung landwirtschaftlicher Flächen in seiner Ausdehnung und seiner Ökologie stark beeinträchtigt wurde. Um die Auswirkungen der Landnutzungsänderungen des Feuchtgebietes während der vergangenen 18 Jahre zu analysieren, wurden eine Zeitreihe (2000 bis 2017) thermaler Daten (MODIS) analysiert. Die drei für die Zeitreihenanalyse angewandten Modelle zeigen, wie landwirtschaftliche Praktiken die Landoberflächentemperatur in den landwirtschaftlich genutzten Gebieten sowie in den angrenzenden natürlichen Feuchtgebieten erhöht haben.Due to wetlands’ seasonality, their difficult access and ecotone character, determining their actual extension and trends over time is a complex task. Earth Observation systems are the most appropriate tool to monitor their spatio-temporal patterns (seasonal changes and long term trends) at global scales, and to study the effects that human activities have in their physical and biological properties. In this work I use time series of radar (Sentinel-1), multispectral (Sentinel-2) and thermal (MODIS) imagery to map the spatio-temporal patterns in 5 wetlands of different characteristics. First, I introduce in chapter 1 the problematic of wetlands’ definitions and their degradation trends. I continue with a brief introduction on remote sensing, time series analysis, and their applications on wetlands’ research and management. In chapters 2 and 3 I implement an algorithm for change detection of time series of Sentinel-1 images and demonstrate the advantages of cloud computation for operational monitoring. In chapters 4 and 5 I address two of the main causes of wetland degradation: dam building and agricultural expansion. In chapter 4 I use dense time series of Sentinel-1 and Sentinel-2 images map all the wetlands of Albania; a country struggling between developing its large hydropower potential or preserving its intact and valuable river ecosystems. I evaluate the synergic advantages of fusing multispectral and radar imagery in combination with knowledge-based rules to produce classification of higher thematic and spatial resolutions. In chapter 5 I present how the Kilombero Floodplain, in Tanzania, has been degraded during the last years due to uncontrolled farmland expansion. I use a time series of thermal imagery (MODIS) from 2000 until 2017 to analyze the effect of land use changes on the wetland. I compare three models for time series analysis and reveal how farming practices have increased the surface temperature of the farmed area, as well as in adjacent natural wetlands.Mapeo de las dinámicas inter- e intra-anuales en humedales con series temporales de imágenes multiespectrales, termales y de radar Debido a la estacionalidad de los humedales, su difícil acceso y sus características de ecotono, determinar su actual extensión y sus tendencias a lo largo del tiempo es una tarea compleja. Los sistemas de observación terrestres son la herramienta más apropiada para monitorear sus patrones espacio-temporales (estacionalidad y tendencias a largo plazo) a escalas globales, y para estudiar los efectos que las actividades humanas causan en sus propiedades físicas y biológicas. En esta tesis uso series temporales de imágenes radar (Sentinel-1), multiespectrales (Sentinel-2) y termales (MODIS) para mapear los patrones espacio-temporales de 5 humedales de diferentes características. En el capítulo 1 describo los retos que derivan de las diferentes definiciones que existen de los humedales. También presento las tendencias globales de degradación que la mayoría de los humedales continúan experimentando en los últimos años. Continúo con una breve introducción de los sistemas de teledetección remota, análisis de series temporales, y sus aplicaciones a la investigación y gestión de los humedales. En los capítulos 2 y 3 implemento un algoritmo de detección de cambios para series temporales de imágenes radar, y muestro las ventajas de usar sistemas de computación en la nube para monitorear cambios en la cobertura del suelo a corto plazo. En los capítulos 4 y 5 trato con dos de las causas más comunes de degradación de humedales: la construcción de presas y la expansión de la agricultura. En el capítulo 4 uso series temporales de imágenes multiespectrales (Sentinel-2) y radar (Sentinel-1) para mapear todos los humedales Albania; un país que se debate entre desarrollar su potencial hidroenergético o preservar sus valiosos e intactos ecosistemas de rivera. Mediante la fusión de imágenes radar y multiespectrales y el uso de reglas de decisión genero un mapa de suficiente resolución espacial y temática para que pueda ser usado por sectores interesados y gestores. En el capítulo 5 presento como las llanuras inundables de Kilombero, en Tanzania, han sido degradadas durante los últimos años debido a la expansión incontrolada de la agricultura. Usando series temporales de imágenes termales (MODIS) desde 2000 hasta 2017 y mapas de cambios de usos del suelo, determino los efectos que estos cambios han tenido en el humedal. Comparo 3 modelos diferentes de análisis de series temporales y muestro cómo la expansión de la agricultura ha incrementado la temperatura superficial terrestre, no solo de la zona cultivada, sino también de zonas adyacentes aún naturales

Remote Sensing of Savannas and Woodlands

Savannas and woodlands are one of the most challenging targets for remote sensing. This book provides a current snapshot of the geographical focus and application of the latest sensors and sensor combinations in savannas and woodlands. It includes feature articles on terrestrial laser scanning and on the application of remote sensing to characterization of vegetation dynamics in the Mato Grosso, Cerrado and Caatinga of Brazil. It also contains studies focussed on savannas in Europe, North America, Africa and Australia. It should be important reading for environmental practitioners and scientists globally who are concerned with the sustainability of the global savanna and woodland biome