The ecological variations in thermal infrared emissivity of vegetation

The author has identified the following significant results. Through a series of contrasts, the statistical significance of differences in emissivity was determined for vegegation in dry and humid deserts, montane and deciduous rain forests, and the temperate region. No significant differences were found between the two types of desert vegetation or among the types of nondesert vegetation. However, the rain forest vegetation was significantly different from that of the temperate region. On a community-wide level, there is some physiological adaptation in plants to their radiational environment

Senegalese land surface change analysis and biophysical parameter estimation using NOAA AVHRR spectral data

Surface biophysical estimates were derived from analysis of NOAA Advanced Very High Spectral Resolution (AVHRR) spectral data of the Senegalese area of west Africa. The parameters derived were of solar albedo, spectral visible and near-infrared band reflectance, spectral vegetative index, and ground temperature. Wet and dry linked AVHRR scenes from 1981 through 1985 in Senegal were analyzed for a semi-wet southerly site near Tambacounda and a predominantly dry northerly site near Podor. Related problems were studied to convert satellite derived radiance to biophysical estimates of the land surface. Problems studied were associated with sensor miscalibration, atmospheric and aerosol spatial variability, surface anisotropy of reflected radiation, narrow satellite band reflectance to broad solar band conversion, and ground emissivity correction. The middle-infrared reflectance was approximated with a visible AVHRR reflectance for improving solar albedo estimates. In addition, the spectral composition of solar irradiance (direct and diffuse radiation) between major spectral regions (i.e., ultraviolet, visible, near-infrared, and middle-infrared) was found to be insensitive to changes in the clear sky atmospheric optical depth in the narrow band to solar band conversion procedure. Solar albedo derived estimates for both sites were not found to change markedly with significant antecedent precipitation events or correspondingly from increases in green leaf vegetation density. The bright soil/substrate contributed to a high albedo for the dry related scenes, whereas the high internal leaf reflectance in green vegetation canopies in the near-infrared contributed to high solar albedo for the wet related scenes. The relationship between solar albedo and ground temperature was poor, indicating the solar albedo has little control of the ground temperature. The normalized difference vegetation index (NDVI) and the derived visible reflectance were more sensitive to antecedent rainfall amounts and green vegetation changes than were near-infrared changes. The information in the NDVI related to green leaf density changes primarily was from the visible reflectance. The contribution of the near-infrared reflectance to explaining green vegetation is largely reduced when there is a bright substrate

Evaluation of HCMM data for assessing soil moisture and water table depth

Soil moisture in the 0-cm to 4-cm layer could be estimated with 1-mm soil temperatures throughout the growing season of a rainfed barley crop in eastern South Dakota. Empirical equations were developed to reduce the effect of canopy cover when radiometrically estimating the soil temperature. Corrective equations were applied to an aircraft simulation of HCMM data for a diversity of crop types and land cover conditions to estimate the soil moisture. The average difference between observed and measured soil moisture was 1.6% of field capacity. Shallow alluvial aquifers were located with HCMM predawn data. After correcting the data for vegetation differences, equations were developed for predicting water table depths within the aquifer. A finite difference code simulating soil moisture and soil temperature shows that soils with different moisture profiles differed in soil temperatures in a well defined functional manner. A significant surface thermal anomaly was found to be associated with shallow water tables

Evaluation of HCMM data for assessing soil moisture and water table depth

Data were analyzed for variations in eastern South Dakota. Soil moisture in the 0-4 cm layer could be estimated with 1-mm soil temperatures throughout the growing season of a rainfed barley crop (% cover ranging from 30% to 90%) with an r squared = 0.81. Empirical equations were developed to reduce the effect of canopy cover when radiometrically estimating the 1-mm soil temperature, r squared = 0.88. The corrective equations were applied to an aircraft simulation of HCMM data for a diversity of crop types and land cover conditions to estimate the 0-4 cm soil moisture. The average difference between observed and measured soil moisture was 1.6% of field capacity. HCMM data were used to estimate the soil moisture for four dates with an r squared = 0.55 after correction for crop conditions. Location of shallow alluvial aquifers could be accomplished with HCMM predawn data. After correction of HCMM day data for vegetation differences, equations were developed for predicting water table depths within the aquifer (r=0.8)

Preliminary assessment of soil moisture over vegetation

Modeling of surface energy fluxes was combined with in-situ measurement of surface parameters, specifically the surface sensible heat flux and the substrate soil moisture. A vegetation component was incorporated in the atmospheric/substrate model and subsequently showed that fluxes over vegetation can be very much different than those over bare soil for a given surface-air temperature difference. The temperature signatures measured by a satellite or airborne radiometer should be interpreted in conjunction with surface measurements of modeled parameters. Paradoxically, analyses of the large-scale distribution of soil moisture availability shows that there is a very high correlation between antecedent precipitation and inferred surface moisture availability, even when no specific vegetation parameterization is used in the boundary layer model. Preparatory work was begun in streamlining the present boundary layer model, developing better algorithms for relating surface temperatures to substrate moisture, preparing for participation in the French HAPEX experiment, and analyzing aircraft microwave and radiometric surface temperature data for the 1983 French Beauce experiments

Soil Moisture Workshop

The Soil Moisture Workshop was held at the United States Department of Agriculture National Agricultural Library in Beltsville, Maryland on January 17-19, 1978. The objectives of the Workshop were to evaluate the state of the art of remote sensing of soil moisture; examine the needs of potential users; and make recommendations concerning the future of soil moisture research and development. To accomplish these objectives, small working groups were organized in advance of the Workshop to prepare position papers. These papers served as the basis for this report

Satellite imagery evaluation of soil moisture variability in north-east part of Ganges Basin, India

Soil moisture variability across four river systems in Ganges Basin, from the Tista and Kosi Rivers in the east to the Gandak and Ghaghra-Rapti Rivers in the west, was assessed using Landsat TM Band 6 imagery dating from 1999-2003. The Band 6 thermal channel of Landsat is sensitive to soil temperature variability resulting from differences in moisture content and as such is a proxy for soil moisture variability in this environment. In order to take advantage of this relationship we analyzed the imagery focusing on the range of thermal values across the fans. This range calculation separates seasonally dry and perennially wet soils on the basis of variability in their moisture content throughout the year. Soils that have a high range (high variability) show significant drying after the monsoon, while those that exhibit a low range indicate either constant wet or dry conditions and/or vegetation that does not vary seasonally. Ground based assessments of soil characteristics on the Tista and Kosi fans support this image analysis. Our work, supported by literature, indicates that the Tista DFS (Distributive Fluvial System) and the Ghaghra-Rapti interfluve, where river is currently incised and detached from its floodplain, show an increase in soil moisture content downstream. However, the Kosi and Gandak DFSs, which have higher rate of subsidence and are not incised under current climatic conditions, show no trend in soil moisture distribution. This study indicates that degree of incision and water table depth are important controls for soil moisture distribution across the DFSs in this area

Analysis of Hot Springs in Yellowstone National Park Using ASTER and AVIRIS Remote Sensing

Data from the Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER) and the Airborne Visible/IR Image Spectrometer (AVIRIS) were used to characterize hot spring deposits in the Lower, Midway, and Upper Geyser Basins of Yellowstone National Park from the visible/near infrared (VNIR) to thermal infrared (TIR) wavelengths. Field observations of these basins provided the critical ground truth for comparison to the remote sensing results. Fourteen study sites were selected based on diversity in size, deposit type, and thermal activity. Field work included detailed site surveys such as land cover analysis, photography, Global Positioning System (GPS) data collection, radiometric analysis, and VNIR spectroscopy. Samples of hot spring deposits, geyser deposits, and soil were also collected. Analysis of ASTER provided broad scale characteristics of the hot springs and their deposits, including the identification of thermal anomalies. AVIRIS high spectral resolution short-wave infrared (SWIR) spectroscopy provided the ability to detect hydrothermally altered minerals as well as a calibration for the multispectral SWIR ASTER data. From the image analysis, differences in these basins were identified including the extent of thermal alteration, the location and abundance of alteration minerals, and a comparison of active, near-extinct, and extinct geysers. The activity level of each region was determined using a combination of the VNIR-SWIR-TIR spectral differences as well as the presence of elevated temperatures, detected by the TIR subsystem of ASTER. The results of this study can be applied to the exploration of extinct mineralized hydrothermal deposits on both Earth and Mars

Using middle-infrared reflectance for burned area detection

Tese de doutoramento, Ciências Geofísicas e da Geoinformação (Meteorologia), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2011A strategy is presented that allows deriving a new index for burned area discrimination over the Amazon and Cerrado regions of Brazil. The index is based on information from the near-infrared (NIR) and middle-infrared (MIR) channels of the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS). A thorough review is undertaken of existing methods for retrieving MIR reflectance and an assessment is performed, using simulated and real data, about the added value obtained when using the radiative transfer equation (RTE) instead of the simplified algorithm (KR94) developed by Kaufman and Remer (1994), the most used in the context of burned area studies. It is shown that use of KR94 in tropical environments to retrieve vegetation reflectance may lead to errors that are at least of the same order of magnitude of the reflectance to be retrieved and considerably higher for large values of land surface temperature (LST) and solar zenith angle (SZA). Use of the RTE approach leads to better estimates in virtually all cases, with the exception of high values of LST and SZA, where results from KR94 are also not usable. A transformation is finally defined on the MIR/NIR reflectance space aiming to enhance the spectral information such that vegetated and burned surfaces may be effectively discriminated. The transformation is based on the difference between MIR and NIR in conjunction with the distance from a convergence point in the MIR/NIR space, representative of a totally burnt surface. The transformation allows defining a system of coordinates, one coordinate having a small scatter for pixels associated to vegetation, burned surfaces and soils containing organic matter and the other coordinate covering a wide range of values, from green and dry/stressed vegetation to burned surfaces. The new set of coordinates opens interesting perspectives to applications like drought monitoring and burned area discrimination using remote-sensed information.O coberto vegetal da superfície da Terra tem vindo a sofrer mudanças, por vezes drásticas, que conduzem a alterações tanto na rugosidade da superfície terrestre como no seu albedo, afectando directamente as trocas de calor sensível e latente e de dióxido de carbono entre a superfície terrestre e a atmosfera (Sellers et al., 1996). Neste contexto, as queimadas assumem um papel de extremo relevo (Nobre et al., 1991; O’Brien, 1996; Xue, 1996) na medida em que constituem uma das mais importantes fontes de alteração do coberto vegetal, resultando na destruição de florestas e de recursos naturais, libertando carbono da superfície continental para a atmosfera (Sellers et al., 1995) e perturbando as interacções biosfera-atmosfera (Levine et al., 1995; Scholes, 1995) através de mudanças na rugosidade do solo, na área foliar e noutros parâmetros biofísicos associados ao coberto vegetal. Ora, neste particular, a Amazónia Brasileira constitui um exemplo notável de mudanças no uso da terra e do coberto vegetal nas últimas décadas, como resultado da desflorestação induzida pelo homem bem como por causas naturais (Gedney e Valdes, 2000; Houghton, 2000; Houghton et al., 2000; Lucas et al., 2000), estimando-se que as regiões tropicais sejam responsáveis por cerca de 32% da emissão global de carbono para a atmosfera (Andreae, 1991). Neste contexto, a disponibilidade de informações pormenorizadas e actualizadas sobre as distribuições espacial e temporal de queimadas e de áreas ardidas em regiões tropicais afigura-se crucial, não só para uma melhor gestão dos recursos naturais, mas também para estudos da química da atmosfera e de mudanças climáticas (Zhan et al., 2002). A detecção remota constitui, neste âmbito, uma ferramenta indispensável na medida em que permite uma monitorização em tempo quase real, a qual se revela especialmente útil em áreas extensas e/ou de difícil acesso afectadas pelo fogo (Pereira et al., 1997). Diversos instrumentos, tais como o Land Remote Sensing Satellite/Thematic Mapper (LANDSAT/TM) e o National Oceanic and Atmospheric Administration/Advanced Very High Resolution Radiometer (NOAA/AVHRR) têm vindo a ser extensivamente utilizados na gestão dos fogos florestais, em particular aos níveis da detecção de focos de incêndio e da monitorização de áreas queimadas. Mais recentemente, o instrumento VEGETATION a bordo do Satellite Pour l'Observation de la Terre (SPOT) tem vindo a ser utilizado com sucesso na monitorização de fogos. Finalmente, são de referir os sensores da série Along Track Scanning Radiometer (ATSR) para os quais têm vindo a ser desenvolvidos algoritmos de identificação de focos de incêndio, e ainda o sensor Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) que tem vindo a demonstrar capacidades óptimas no que respeita à observação global de fogos, plumas e áreas queimadas. Neste contexto, os métodos actuais de detecção de áreas ardidas através da detecção remota têm vindo a dar prioridade à utilização das regiões do vermelho (0.64 μm) e infravermelho-próximo (0.84 μm) do espectro eletromagnético. No entanto, tanto a região do vermelho quanto a do infravermelho-próximo apresentam a desvantagem de serem sensíveis à presença de aerossóis na atmosfera (Fraser e Kaufman, 1985; Holben et. al., 1986). Desta forma, em regiões tropicais como a Amazónia, onde existem grandes camadas de fumo devido à queima de biomassa, a utlização destas duas regiões do espectro eletromagnético torna-se insatisfatória para a detecção de áreas ardidas. Por outro lado, a região do infravermelho médio (3.7 – 3.9 μm) tem a vantagem de não ser sensível à presença da maior parte dos aerossóis, exceptuando a poeira (Kaufman e Remer, 1994) mostrando-se, ao mesmo tempo, sensível a mudanças na vegetação devido à absorção de água líquida. Com efeito, estudos acerca dos efeitos do vapor de água na atenuação do espectro eletromagnético demonstraram que a região do infravermelho médio é uma das únicas regiões com relativamente pouca atenuação (Kerber e Schut, 1986). Acresce que a região do infravermelho médio apresenta uma baixa variação da irradiância solar (Lean, 1991), tendo-se ainda que a influência das incertezas da emissividade na estimativa da temperatura da superfície é pequena quando comparada com outras regiões térmicas tais como as de 10.5 e 11.5 μm (Salysbury e D’Aria, 1994). A utilização da radiância medida através de satélites na região do infravermelho médio é, no entanto, dificultada pelo facto de esta ser afectada tanto pelo fluxo térmico quanto pelo fluxo solar, contendo, desta forma, duas componentes, uma emitida e outra reflectida, tendo-se que a componente reflectiva contém os fluxos térmico e solar reflectidos pela atmosfera e pela superfície enquanto que as emissões térmicas são oriundas da atmosfera e da superfície. Ora, a componente solar reflectida é de especial interesse para a detecção de áreas ardidas pelo que se torna necessário isolá-la do sinal total medido pelo sensor. Devido à ambiguidade deste sinal, a distinção dos efeitos da reflectância e da temperatura torna-se uma tarefa muito complexa, verificando-se que os métodos em que se não assume nenhuma simplificação, levando-se, portanto, em consideração todos os constituintes do sinal do infravermelho médio se tornam complexos e difíceis de serem aplicados na prática, na medida em que requerem dados auxiliares (e.g. perfis atmosféricos) e ferramentas computacionais (e.g. modelos de tranferência radiativa). Kaufman e Remer (1994) desenvolveram um método simples para estimar a reflectância do infravermelho médio o qual assenta em diversas hipóteses simplificadoras. Apesar do objectivo primário que levou ao desenvolvimento do método ser a identificação de áreas cobertas por vegetação densa e escura em regiões temperadas, este método tem sido lagarmente utilizado nos estudos acerca da discriminação de áreas queimadas, algumas das vezes em regiões tropicais (Roy et al., 1999; Barbosa et al., 1999; Pereira, 1999). Na literatura não existe, no entanto, nenhum estudo acerca da exactidão e precisão deste método quando aplicado com o objectivo de detectar áreas ardidas, em especial em regiões tropicais. Neste sentido, no presente trabalho procedeu-se a um estudo de viabilidade do método proposto por Kaufman e Remer (1994) em simultâneo com a análise da equação de tranferência radiativa na região do infravermelho médio, tendo sido realizados testes de sensibilidade dos algoritmos em relação aos erros nos perfis atmosféricos, ruído do sensor e erros nas estimativas da temperatura da superfície. Para tal recorreu-se ao modelo de transferência radiativa Moderate Spectral Resolution Atmospheric Transmittance and Radiance Code (MODTRAN), dando-se especial atenção ao caso do sensor MODIS. Os resultados demonstraram que a utilização do método proposto por Kaufman e Remer (1994) em regiões tropicais para a estimativa da reflectância no infravermelho médio, leva a erros que são pelo menos da mesma ordem de magnitude do parâmetro estimado e, em alguns casos, muito maior, quando ocorre a combinação de altas temperaturas da superfície terrestre com baixos ângulos zenitais solares. A utilização da equação de transferência radiativa mostrouse uma boa alternativa, desde que estejam disponíveis dados acerca da temperatura da superfíce terrestre assim como dos perfis atmosféricos. Entretanto, nas regiões onde ocorrem altos valores de temperatura da superfície terrestre e baixos ângulos zenitais solares, quaisquer dos dois métodos se mostra pouco utilizável, já que nesta região a estimativa da reflectância constitui um problema mal-posto. Em paralelo, utilizaram-se informações sobre aerossóis de queimada para efectuar simulações do MODTRAN que permitiram avaliar a reposta do canal do infravermelho-médio à este tipo de perturbação do sinal, muito comum na Amazónia Brasileira. A fim de tornar o estudo o mais realístico possível, procedeu-se à coleta de material resultante de queimadas na região Amazónica, mais especificamente em Alta Floresta, Mato Grosso, Brasil. Estes resultado foram então integrados nos estudos em questão, possibilitando a caracterização espectral das áreas ardidas. Com base nos resultados obtido definiu-se uma tranformação no espaço do infravermelho próximo e médio com o objetivo de maximizar a informação espectral de forma a que as superfícies vegetadas pudessem ser efectivamente discriminadas e as áreas ardidas identificadas. A tranformação baseia-se na diferença entre a reflectância nos infravermelhos próximo e médio, em conjunto com a distância a um ponto de convergência no espaço espectral dos infravermelhos próximo e médio, ponto esse representativo de uma área completamente ardida. A tranformação permitiu a definição de um novo sistema de coordenadas, o qual provou ser bastante útil no que diz respeito á identificação de áreas ardidas. Este novo espaço de coordenadas constitui uma inovação na área dos estudos de queimadas, já que permite ao mesmo tempo definir dois tipos de índices, o primeiro dos quais identifica superfícies que contém ou não biomassa e o segundo identifica, de entre as superfícies que contêm biomassa, a quantidade de água presente, podendo variar de vegetação verde (abundância de água) até áreas ardidas (ausência de água). Além de distiguir áreas ardidas, os índices desenvolvidos podem ainda ser aplicados em outros casos como, por exemplo, estudos de estresse hídrico e secas.DSA/INPE; Portuguese Foundation of Science and Technology (Fundação para a Ciência e Tecnologia / FCT)(SFRH/BD/21650/2005