Hybrid modeling of aboveground biomass carbon using disturbance history over large areas of boreal forest in eastern Canada

Le feu joue un rôle important dans la succession de la forêt boréale du nord-est de l’Amérique et le temps depuis le dernier feu (TDF) devrait être utile pour prédire la distribution spatiale du carbone. Les deux premiers objectifs de cette thèse sont: (1) la spatialisation du TDF pour une vaste région de forêt boréale de l'est du Canada (217,000 km2) et (2) la prédiction du carbone de la biomasse aérienne (CBA) à l’aide du TDF à une échelle liée aux perturbations par le feu. Un modèle non paramétrique a d’abord été développé pour prédire le TDF à partir d’historiques de feu, des données d'inventaire et climatiques à une échelle de 2 km2. Cette échelle correspond à la superficie minimale d’un feu pour être inclus dans la base de données canadienne des grands feux. Nous avons trouvé un ajustement substantiel à l’échelle de la région d’étude et à celle de paysages régionaux, mais la précision est restée faible à l’échelle de cellules individuelles de 2 km2. Une modélisation hiérarchique a ensuite été développée pour spatialiser le CBA des placettes d’inventaire à la même échelle de 2 km2. Les proportions des classes de densité du couvert étaient les variables les plus importantes pour prédire le CBA. Le CBA co-variait également avec la vitesse de récupération du couvert au travers de laquelle le TDF intervient indirectement. Finalement, nous avons comparé des estimations de CBA obtenues par télédétection satellitaire avec celles obtenues précédemment. Les résultats indiquent que les proportions des classes de densité du couvert et des types de dépôts ainsi que le TDF pourraient servir comme variables auxiliaires pour augmenter substantiellement la précision des estimés de CBA par télédétection. Les résultats de cette étude ont montré: 1) l'importance d’allonger la profondeur temporelle des historiques de feu pour donner une meilleure perspective des changements actuels du régime de feu; 2) l'importance d'intégrer l’information sur la reprise du couvert après feu aux courbes de rendement de CBA dans les modèles de bilan de carbone; et 3) l'importance de l'historique des feux et de la récupération de la végétation pour améliorer la précision de la cartographie de la biomasse à partir de la télédétection.Fire is as a main succession driver in northeastern American boreal forests and time since last fire (TSLF) is seen as a useful covariate to infer the spatial variation of carbon. The first two objectives of this thesis are: (1) to elaborate a TSLF map over an extensive region in boreal forests of eastern Canada (217,000 km2) and (2) to predict aboveground carbon biomass (ABC) as a function of TSLF at a scale related to fire disturbances. A non-parametric model was first developed to predict TSLF using historical records of fire, forest inventory data and climate data at a 2-km2 scale. Two kilometer square is the minimum size for fires to be considered important enough and included in the Canadian large fire database. Overall, we found a substantial agreement at the scale of both the study area and landscape units, but the accuracy remained fairly low at the scale of individual 2-km2 cells. A hierarchical modeling approach is then presented for scaling-up ABC from inventory plots to the same 2 km2 scale. The proportions of cover density classes were the most important variables to predict ABC. ABC was also related to the speed of post-fire canopy recovery through which TSLF acts indirectly upon ABC. Finally, we compared remote sensing based aboveground biomass estimates with our inventory based estimates to provide insights on improving their accuracy. The results indicated again that abundances of canopy cover density classes of surficial deposits, and TSLF may serve as ancillary variables for improving substantially the accuracy of remotely sensed biomass estimates. The study results have shown: 1) the importance of lengthening the historical records of fire records to provide a better perspective of the actual changes of fire regime; 2) the importance of incorporating post-fire canopy recovery information together with ABC yield curves in carbon budget models at a spatial scale related to fire disturbances; 3) the importance of adding disturbance history and vegetation recovery trends with remote sensing reflectance data to improve accuracy for biomass mapping

Puistute takseertunnuste hindamine aerolidari mõõtmisandmete põhjal hemiboreaalsetes metsades

A Thesis for applying for the degree of Doctor of Philosophy in Forestry.Forest management and planning requires up-to-date data, which commonly is acquired using field experts and ground measurements. Nowadays, more and more of data about forest stands is measured using remotely sensing methods. Most common methods include aerial photography and laser scanning from airplanes, also spectral measurements from satellites or even drone images and applications. This doctoral thesis focuses on developing applications and methods for utilising the airborne laser scanning (ALS) data that is freely available for the whole Estonia. The ALS measurements are carried out by the Estonian Land Board on a routine basis twice a year – in spring and summer. The first variable that was studied in this thesis was forest height. Based on the thesis, the most reliable method for forest height assessment was using the ALS point-cloud 80th height percentile (HP80). The small circular plot (radius of 15…30 m) and stand based studies showed high correlations with the field-measured forest heights and with great confidence it can be said, that ALS-based forest height estimations are close or even with higher accuracy, than field inspected. The second studied variable was standing wood volume. The ALS-based methods and models that were developed throughout this thesis used the idea, that standing wood volume is based on forest height and density. For this the HP80 and a threshold-based point count ratio was used (canopy cover - CC). ALS-based CC (CCALS) estimates were studied and compared with digital hemispherical photo based measurements. The results showed similar errors as were shown in other similar studies, with around 10-15% root mean square error (RMSE). The strongest correlation was shown using all echoes above a 1.3 metre threshold. Combining the CCALS and HP80 showed standing wood volume estimates with a similar error as we would receive from field measurements (<20%). The freely available multitemporal ALS data showed promising results for forest height growth monitoring and detecting small-scale disturbances. CCALS was shown to have strong predictive value, when compared with a four year difference in thinned and unthinned stands. The nation-wide ALS data can also be combined with forest height predictions from satellites, providing a faster update compared to the ALS data. Promising results were shown using the interferometric synthetic aperture radar (InSAR). Stand species maps generated using self-learning algorithms and satellite based spectral data can be used for developing species specific models of standing wood volume prediction. By combining these different datasets we can construct a nation-wide forest resource to help make better decisions for forest management and targeting fieldwork.Metsades majandamisotsuste langetamiseks ja metsamajanduslike tööde planeerimiseks on metsaomanikel vaja andmeid. Harjumuspäraselt on andmete kogumiseks tehtud metsas maapealseid mõõtmisi. Viimastel aastakümnetel on metsade inventeerimiseks üha enam aga kasutatud mittekontaktseid mõõtmisi - lennukitelt tehtavad aerofotosid, laserskaneerimist, satelliitidelt tehtavaid kiirgusmõõtmisi või viimastel aastatel ka droonidelt tehtud pilte. Antud doktoritöö on võtnud fookusesse aerolaserskaneerimise (ALS) andmete põhjal Eesti metsadesse sobilike rakenduste väljatöötamise. ALS mõõtmisi teeb Eesti Maa-amet rutiinsete lendude käigus kaks korda aastas, nii kevadel kui ka suvel. Aastast 2008 alustatud mõõtmiste tulemusel on Eesti üks väheseid riike maailmas, kus on vabalt kasutada mitmekordselt kogu riiki kattev ALS andmestik. Doktoritöö tulemusel töötati välja metsa kõrguse hindamiseks sobilikud meetodid, kasutades selleks punktipilvede kõrgusprotsentiile. Tugevamaid seoseid metsas proovitükkidel mõõdetud kõrgustega näitas punktipilve 80-protsentiil (HP80) ja uuringute põhjal võib väita, et metsa kõrguse määramine suvistelt aerolidari andmetelt on ligilähedane täpsustele, mida saadakse metsas kohapeal mõõtes. Teine oluline tunnus, mida metsade majandamise planeerimisel silmas peetakse, on kasvava metsa tagavara. Teadustöö põhjal töötati välja mudelite kujud ja metoodika, mille abil prognoositud tagavara oli sarnase veapiiriga, mis on lubatud metsas hinnanguid tegevatele taksaatoritele (<20%). Väljatöötatud ALS-põhine mudeli kuju järgib loogikat, et metsa tagavara on otseselt seotud mõõdetud kõrguse ja metsa tihedusega. Tihenduse hindamiseks aerolidari andmetelt kasutatakse nivoopõhist punktide suhtearvu ehk nn katvushinnangut (CCALS). Katvushinnangu täpsuse valideerimiseks ja tihedas metsas sobiva prognoosimeetodi väljatöötamiseks tehti välimõõtmisi kasutades poolsfäärikaameraid. Poolsfääripiltide põhjal tehtud valideerimise tulemused andsid sarnaseid veahinnanguid, mida on ka varasemates teadusuuringutes esitletud (RMSE = 10…15%). Kahe sarnasest fenoloogilisest perioodist ALS andmestiku lahutamisel uuriti ka muutuste tuvastamise võimalikkust. Uuringud andsid paljulubavaid tulemusi metsade kõrguskasvu hindamiseks ja CCALS osutus ka oluliseks tunnuseks väiksemate häiringute, nagu näiteks harvendusraie, tuvastamiseks. Kogu riiki katva ALS andmestiku kombineerimisel erinevate satelliitandmetega või näiteks spektraalsete mõõtmiste põhjal tehtud puistu liigiliste koosseisu kaartidega on võimalik antud töös välja pakutud meetodite abil anda igal aastal kogu Eesti metsaressursside ülevaade. Samuti on võimalik koostada vaid kaugseirevahendeid ja proovitükkidel lähendatud mudeleid kasutades eraldiste põhised takseerkirjeldused, mida siis taksaatorid saavad näiteks kasutada oma välitööde kavandamisel.  Publication of this thesis is supported by the Estonian University of Life Sciences

Interactions among land cover, disturbance, and productivity across Arctic-Boreal ecosystems of Northwestern North America from remote sensing

Arctic and Boreal ecosystems are experiencing accelerated carbon cycling that coincides with trends in the normalized difference vegetation index (NDVI), a widely used remotely sensed proxy for vegetation productivity. Meanwhile, a variety of processes are extensively altering Arctic-Boreal land cover, complicating the relationship between NDVI and productivity. Because high-quality information on land cover is lacking, understanding of relationships among Arctic-Boreal greenness trends, productivity, and land cover change is lacking. Multidecadal time series of moderate resolution (30 m) reflectance data from Landsat and high resolution (<4 m) imagery were used to map annual cover and quantify changes in land cover over the study domain of NASA’s Arctic-Boreal Vulnerability Experiment. Results identify two primary modes of ecosystem transformation that are consistent with increased high latitude productivity: (1) in the Boreal biome, simultaneous decreases in Evergreen Forest area and increases in Deciduous Forest area caused by fire and harvest; and (2) climate change-induced expansion of Arctic Shrub and Herbaceous vegetation. Land cover change imposes first-order control on the sign and magnitude of NDVI trends. Over a quarter of NDVI trends were associated with land cover change. Relative to locations with stable land cover, areas of land cover change were twice as likely to exhibit statistically significant trends in Landsat-derived NDVI. The highest magnitude trends were concentrated in areas of forest disturbance and regrowth and shrub expansion, while undisturbed land showed subtler, but widespread, greening trends. Based on Orbiting Carbon Observatory-2 data, sun-induced fluorescence, a proxy for productivity, reflected relationships among land cover, disturbance age, and productivity that were not fully captured in NDVI data. In contrast with NDVI, time series of aboveground biomass provide physically-based measures of productivity in forests. Using Landsat-based land cover and reflectance and ICESat lidar data, aboveground biomass was mapped annually across the study domain. Most forests showed increasing biomass, with wildfires imposing substantial interannual variability and harvest imposing steady biomass losses. This dissertation provides new information on how disturbances are driving land cover and productivity change across Arctic-Boreal northwestern North America and reveals insights regarding the interpretation of remote sensing observations in these biomes

Metabolic scaling theory and remote sensing to model large-scale patterns of forest biophysical properties

Advanced understanding of the global carbon budget requires large-scale and long-term information on forest carbon pools and fluxes. In situ and remote sensing measurements have greatly enhanced monitoring of forest carbon dynamics, but incomplete data coverage in space and time results in significant uncertainties in carbon accounting. Although theoretical and mechanistic models have enabled continental-scale and global mapping, robust predictions of forest carbon dynamics are difficult without initialization, adjustment, and parameterization using observations. Therefore, this dissertation is focused on a synergistic combination of lidar measurements and modeling that incorporates biophysical principles underlying forest growth. First, spaceborne lidar data from the Geoscience Laser Altimeter System (GLAS) were analyzed for monitoring and modeling of forest heights over the U.S. Mainland. Results showed the best GLAS metric representing the within-footprint heights to be dependent on topography. Insufficient data sampling by the GLAS sensor was problematic for spatially-complete carbon quantification. A modeling approach, called Allometric Scaling and Resource Limitations (ASRL), successfully alleviated this problem. The metabolic scaling theory and water-energy balance equations embedded within the model also provided a generalized mechanistic understanding of valid relationships between forest structure and geo-predictors including topographic and climatic variables. Second, the ASRL model was refined and applied to predict large-scale patterns of forest structure. This research successfully expanded model applicability by including eco-regional and forest-type variations, and disturbance history. Baseline maps (circa 2005; 1-km2 grids) of forest heights and aboveground biomass were generated over the U.S. Mainland. The Pacific Northwest/California forests were simulated as the most favorable region for hosting large trees, consistent with observations. Through sensitivity and uncertainty analyses, this research found that the refined ASRL model showed promise for prognostic applications, in contrast to conventional black-box approaches. The model predicted temporal evolution of forest carbon stocks during the 21st century. The results demonstrate the effects of CO2 fertilization and climate feedbacks across water- and energy-limited environments. This dissertation documents the complex mechanisms determining forest structure, given availability of local resources. These mechanisms can be used to monitor and forecast forest carbon pools in combination with satellite observations to advance our understanding of the global carbon cycle

SATELLITE MICROWAVE MEASUREMENT OF LAND SURFACE PHENOLOGY: CLARIFYING VEGETATION PHENOLOGY RESPONSE TO CLIMATIC DRIVERS AND EXTREME EVENTS

The seasonality of terrestrial vegetation controls feedbacks to the climate system including land-atmosphere water, energy and carbon (CO2) exchanges with cascading effects on regional-to-global weather and circulation patterns. Proper characterization of vegetation phenology is necessary to understand and quantify changes in the earthÆs ecosystems and biogeochemical cycles and is a key component in tracking ecological species response to climate change. The response of both functional and structural vegetation phenology to climatic drivers on a global scale is still poorly understood however, which has hindered the development of robust vegetation phenology models. In this dissertation I use satellite microwave vegetation optical depth (VOD) in conjunction with an array of satellite measures, Global Positioning System (GPS) reflectometry, field observations and flux tower data to 1) clarify vegetation phenology response to water, temperature and solar irradiance constraints, 2) demonstrate the asynchrony between changes in vegetation water content and biomass and changes in greenness and leaf area in relation to land cover type and climate constraints, 3) provide enhanced assessment of seasonal recovery of vegetation biomass following wildfire and 4) present a method to more accurately model tropical vegetation phenology. This research will establish VOD as a useful and informative parameter for regional-to-global vegetation phenology modeling, more accurately define the drivers of both structural and functional vegetation phenology, and help minimize errors in phenology simulations within earth system models. This dissertation also includes the development of Gross Primary Productivity (GPP) and Net Primary Productivity (NPP) vegetation health climate indicators as part of a NASA funded project entitled Development and Testing of Potential Indicators for the National Climate Assessment; Translating EOS datasets into National Ecosystem Biophysical Indicators

The global tree carrying capacity (keynote)

editorial reviewe

Caractérisation spatio-temporelle de la dynamique des trouées et de la réponse de la forêt boréale à l'aide de données lidar multi-temporelles

La forêt boréale est un écosystème hétérogène et dynamique façonné par les perturbations naturelles comme les feux, les épidémies d'insectes, le vent et la régénération. La dynamique des trouées joue un rôle important dans la dynamique forestière parce qu'elle influence le recrutement de nouveaux individus au sein de la canopée et la croissance de la végétation avoisinante par une augmentation des ressources. Bien que l'importance des trouées en forêt boréale fut reconnue, les connaissances nécessaires à la compréhension des relations entre le régime de trouées et la dynamique forestière, en particulier sur la croissance, sont souvent manquantes. Il est difficile d'observer et de mesurer extensivement la dynamique des trouées ou les changements de la canopée simultanément dans le temps et l'espace avec des données terrain ou des images bidimensionnelles (photos aériennes,...) et ce particulièrement dans des systèmes complexes comme les forêts ouvertes ou morcelées. De plus, la plupart des recherches furent menées en s'appuyant sur seulement quelques trouées représentatives bien que les interactions entre les trouées et la structure forestière furent rarement étudiées de manière conjointe. Le lidar est un système qui balaye la surface terrestre avec des faisceaux laser permettant d'obtenir une image dense de points en trois dimensions montrant les aspects structuraux de la végétation et de la topographie sous-jacente d'une grande superficie. Nous avons formulé l'hypothèse que lorsque les retours lidar de tirs quasi-verticaux sont denses et précis, ils permettent une interprétation de la géométrie des trouées et la comparaison de celles-ci dans le temps, ce qui nous informe à propos de leur influence sur la dynamique forestière. De plus, les mesures linéaires prises à différents moments dans le temps permettraient de donner une estimation fiable de la croissance. Ainsi, l'objectif de cette recherche doctorale était de développer des méthodes et d'accroître nos connaissances sur le régime de trouées et sa dynamique, et de déterminer comment la forêt boréale mixte répond à ces perturbations en termes de croissance et de mortalité à l'échelle locale. Un autre objectif était aussi de comprendre le rôle à court terme des ouvertures de la canopée dans un peuplement et la dynamique successionelle. Ces processus écologiques furent étudiés en reconstituant la hauteur de la surface de la canopée de la forêt boréale par l'utilisation de données lidar prises. en 1998, 2003 (et 2007), mais sans spécifications d'études similaires. L'aire d'étude de 6 km² dans la Forêt d'Enseignement et de Recherche du Lac Duparquet, Québec, Canada, était suffisamment grande pour capter la variabilité de la structure de la canopée et de la réponse de la forêt à travers une gamme de peuplements à différents stades de développement. Les recherches menées lors de cette étude ont révélé que les données lidar multi-temporelles peuvent être utilisées a priori dans toute étude de télédétection des changements, dont l'optimisation de la résolution des matrices et le choix de l'interpolation des algorithmes sont essentiels (pour les surfaces végétales et terrestres) afin d'obtenir des limites précises des trouées. Nous avons trouvé qu'une technique basée sur la croissance de régions appliquée à une surface lidar peut être utilisée pour délimiter les trouées avec une géométrie précise et pour éliminer les espaces entre les arbres représentant de fausses trouées. La comparaison de trouées avec leur délimitation Iidar le long de transects linéaires de 980 mètres montre une forte correspondance de 96,5%. Le lidar a été utilisé avec succès pour délimiter des trouées simples (un seul arbre) ou multiples (plus de 5 m²). En utilisant la combinaison de séries temporelles de trouées dérivées du lidar, nous avons développé des méthodes afin de délimiter les divers types d'évènements de dynamique des trouées: l'occurrence aléatoire de trouées, l'expansion de trouées et la fermeture de trouées, tant par la croissance latérale que la régénération. La technique proposée pour identifier les hauteurs variées arbre/gaulis sur une image lidar d'un Modèle de Hauteur de Couvert (MHC) a montré près de 75 % de correspondance avec les localisations photogrammétriques. Les taux de croissance libre suggérés basés sur les donnés lidar brutes après l'élimination des sources possibles d'erreur furent utilisés subséquemment pour des techniques statistiques afin de quantifier les réponses de croissance en hauteur qui ont été trouvées afin de faire varier la localisation spatiale en respect de la bordure de la trouée. À partir de la combinaison de donnés de plusieurs groupes d'espèces (de conifères et décidues) interprétée à partir d'images à haute résolution avec des données structurales lidar nous avons estimé les patrons de croissance en hauteur des différents groupes arbres/gaulis pour plusieurs contextes de voisinage. Les résultats on montré que la forêt boréale mixte autour du lac Duparquet est un système hautement dynamique, où la perturbation de la canopée joue un rôle important même pour une courte période de temps. La nouvelle estimation du taux de formation des trouées était de 0,6 %, ce qui correspond à une rotation de 182 ans pour cette forêt. Les résultats ont montré aussi que les arbres en périphérie des trouées étaient plus vulnérables à la mortalité que ceux à l'intérieur du couvert, résultant en un élargissement de la trouée. Nos résultats confirment que tant la croissance latérale que la croissance en hauteur de la régénération contribuent à la fermeture de la canopée à un taux annuel de 1,2 %. Des évidences ont aussi montré que les trouées de conifères et de feuillus ont des croissances latérales (moyenne de 22 cm/an) et verticales similaires sans tenir compte de leur localisation et leur hauteur initiale. La croissance en hauteur de tous les gaulis était fortement positive selon le type d'évènement et la superficie de la trouée. Les résultats suggèrent que la croissance des gaulis de conifères et de feuillus atteint son taux de croissance maximal à des distances respectives se situant entre 0,5 et 2 m et 1,5 et 4 m à partir de la bordure d'une trouée et pour des ouvertures de moins de 800 m² et 250 m² respectivement. Les effets des trouées sur la croissance en hauteur d'une forêt intacte se faisaient sentir à des distance allant jusqu'à à 30 m et 20 m des trouées, respectivement pour les feuillus et les conifères. Des analyses fines de l'ouverture de la canopée montrent que les peuplements à différents stades de développement sont hautement dynamiques et ne peuvent systématiquement suivre les mêmes patrons successionels. Globalement, la forêt est presqu'à l'équilibre compositionnel avec une faible augmentation de feuillus, principalement dû à la régénération de type infilling plutôt qu'une transition successionelle de conifères tolérants à l'ombre. Les trouées sont importantes pour le maintien des feuillus puisque le remplacement en sous-couvert est vital pour certains résineux. L'étude à démontré également que la dernière épidémie de tordeuse des bourgeons de l'épinette qui s'est terminée il y a 16 ans continue d'affecter de vieux peuplements résineux qui présentent toujours un haut taux de mortalité. Les résultats obtenus démontrent que lidar est un excellent outil pour acquérir des détails rapidement sur les dynamiques spatialement extensives et à court terme des trouées de structures complexes en forêt boréale. Les évidences de cette recherche peuvent servir tant à l'écologie, la sylviculture, l'aménagement forestier et aux spécialistes lidar. Ces idées ajoutent une nouvelle dimension à notre compréhension du rôle des petites perturbations et auront une implication directe pour les aménagistes forestiers en quête d'un aménagement forestier écologique et du maintien des forêts mixtes. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Perturbation naturelle, Dynamique forestière, Dynamique des trouées, Croissances latérales, Régénération, Succession, Lidar à retours discrets, Grande superficie, Localisation des arbres individuels, Croissance en hauteur

Optical remote sensing for biomass estimation in the tropics: the case study of Uganda

This study investigates the capabilities and limitations of freely available optical satellite data at medium resolution to estimate aboveground biomass density of vegetation at national scales in the tropics, and compares this approach with existing methodologies to understand and quantify the sources of variability in the estimations. Uganda was chosen as a case-study because it presents a reliable national biomass reference dataset. As a result of this thesis, aboveground woody biomass for the year circa-2000 was mapped at national scale in Uganda at 30-m spatial resolution on the basis of Landsat ETM+ images, a national land cover dataset and field data using an object-oriented approach. A regression tree-based model (Random Forest) produced good results (cross-validated R² 0.81, RMSE 13 Mg/ha) when trained with a sufficient number of field plots representative of the vegetation variability. This study demonstrated that in certain contexts Landsat data can effectively spatialize field biomass measurements and produce accurate and detailed estimates of biomass distribution at national scale. This approach tended to provide conservative biomass estimates and its limitations were mainly related to the saturation of the optical signal at high biomass density and to the cloud cover. When compared with the Uganda national biomass dataset, the map produced in this study presented higher agreement than other five regional/global biomass maps. The comparative analysis showed strong disagreement between the products, with estimates of total biomass of Uganda ranging from 343 to 2201 Tg and different spatial distribution patterns. Maps based on biome-average biomass values, such as the Intergovernmental Panel on Climate Change default values, and global land cover datasets strongly overestimated biomass stocks, while maps based on satellite data provided conservative estimates. The comparison of the maps predictions with field data confirmed the above findings

Improved detection of abrupt change in vegetation reveals dominant fractional woody cover decline in Eastern Africa

While cropland expansion and demand for woodfuel exert increasing pressure on woody vegetation in East Africa, climate change is inducing woody cover gain. It is however unclear if these contrasting patterns have led to net fractional woody cover loss or gain. Here we used non-parametric fractional woody cover (WC) predictions and breakpoint detection algorithms driven by satellite observations (Landsat and MODIS) and airborne laser scanning to unveil the net fractional WC change during 2001-2019 over Ethiopia and Kenya. Our results show that total WC loss was 4-times higher than total gain, leading to net loss. The contribution of abrupt WC loss (59%) was higher than gradual losses (41%). We estimated an annual WC loss rate of up to 5% locally, with cropland expansion contributing to 57% of the total loss in the region. Major hotspots of WC loss and degradation corridors were identified inside as well as surrounding protected areas, in agricultural lands located close to agropastoral and pastoral livelihood zones, and near highly populated areas. As the dominant vegetation type in the region, Acacia-Commiphora bushlands and thickets ecosystem was the most threatened, accounting 69% of the total WC loss, followed by montane forest (12%). Although highly outweighed by loss, relatively more gain was observed in woody savanna than in other ecosystems. These results reveal the marked impact of human activities on woody vegetation and highlight the importance of protecting endangered ecosystems from increased human activities for mitigating impacts on climate and supporting sustainable ecosystem service provision in East Africa.Peer reviewe

Remote Sensing of Biophysical Parameters

Vegetation plays an essential role in the study of the environment through plant respiration and photosynthesis. Therefore, the assessment of the current vegetation status is critical to modeling terrestrial ecosystems and energy cycles. Canopy structure (LAI, fCover, plant height, biomass, leaf angle distribution) and biochemical parameters (leaf pigmentation and water content) have been employed to assess vegetation status and its dynamics at scales ranging from kilometric to decametric spatial resolutions thanks to methods based on remote sensing (RS) data.Optical RS retrieval methods are based on the radiative transfer processes of sunlight in vegetation, determining the amount of radiation that is measured by passive sensors in the visible and infrared channels. The increased availability of active RS (radar and LiDAR) data has fostered their use in many applications for the analysis of land surface properties and processes, thanks to their insensitivity to weather conditions and the ability to exploit rich structural and texture information. Optical and radar data fusion and multi-sensor integration approaches are pressing topics, which could fully exploit the information conveyed by both the optical and microwave parts of the electromagnetic spectrum.This Special Issue reprint reviews the state of the art in biophysical parameters retrieval and its usage in a wide variety of applications (e.g., ecology, carbon cycle, agriculture, forestry and food security)