Evaluation of MODIS LAI/FPAR product Collection 6. Part 2: Validation and intercomparison

The aim of this paper is to assess the latest version of the MODIS LAI/FPAR product (MOD15A2H), namely Collection 6 (C6). We comprehensively evaluate this product through three approaches: validation with field measurements, intercomparison with other LAI/FPAR products and comparison with climate variables. Comparisons between ground measurements and C6, as well as C5 LAI/FPAR indicate: (1) MODIS LAI is closer to true LAI than effective LAI; (2) the C6 product is considerably better than C5 with RMSE decreasing from 0.80 down to 0.66; (3) both C5 and C6 products overestimate FPAR over sparsely-vegetated areas. Intercomparisons with three existing global LAI/FPAR products (GLASS, CYCLOPES and GEOV1) are carried out at site, continental and global scales. MODIS and GLASS (CYCLOPES and GEOV1) agree better with each other. This is expected because the surface reflectances, from which these products were derived, were obtained from the same instrument. Considering all biome types, the RMSE of LAI (FPAR) derived from any two products ranges between 0.36 (0.05) and 0.56 (0.09). Temporal comparisons over seven sites for the 2001–2004 period indicate that all products properly capture the seasonality in different biomes, except evergreen broadleaf forests, where infrequent observations due to cloud contamination induce unrealistic variations. Thirteen years of C6 LAI, temperature and precipitation time series data are used to assess the degree of correspondence between their variations. The statistically-significant associations between C6 LAI and climate variables indicate that C6 LAI has the potential to provide reliable biophysical information about the land surface when diagnosing climate-driven vegetation responses.Help from MODIS and VIIRS Science team members is gratefully acknowledged. This work is supported by the MODIS program of NASA and partially funded by the National Basic Research Program of China (Grant No. 2013CB733402) and the key program of NSFC (Grant No. 41331171). Kai Yan gives thanks for the scholarship from the China Scholarship Council. (MODIS program of NASA; 2013CB733402 - National Basic Research Program of China; 41331171 - NSFC; China Scholarship Council

Evaluation of the MODIS LAI product using independent lidar-derived LAI: A case study in mixed conifer forest

This study presents an alternative assessment of the MODIS LAI product for a 58,000 ha evergreen needleleaf forest located in the western Rocky Mountain range in northern Idaho by using lidar data to model (R2=0.86, RMSE=0.76) and map LAI at higher resolution across a large number of MODIS pixels in their entirety. Moderate resolution (30 m) lidar-based LAI estimates were aggregated to the resolution of the 1-km MODIS LAI product and compared to temporally-coincident MODIS retrievals. Differences in the MODIS and lidar-derived values of LAI were grouped and analyzed by several different factors, including MODIS retrieval algorithm, sun/sensor geometry, and sub-pixel heterogeneity in both vegetation and terrain characteristics. Of particular interest is the disparity in the results when MODIS LAI was analyzed according to algorithm retrieval class. We observed relatively good agreement between lidar-derived and MODIS LAI values for pixels retrieved with the main RT algorithm without saturation for LAI LAI≤4. Moreover, for the entire range of LAI values, considerable overestimation of LAI (relative to lidar-derived LAI) occurred when either the main RT with saturation or back-up algorithm retrievals were used to populate the composite product regardless of sub-pixel vegetation structural complexity or sun/sensor geometry. These results are significant because algorithm retrievals based on the main radiative transfer algorithm with or without saturation are characterized as suitable for validation and subsequent ecosystem modeling, yet the magnitude of difference appears to be specific to retrieval quality class and vegetation structural characteristics

Methodology comparison for canopy structure parameters extraction from digital hemispherical photography in boreal forests

The retrieval of canopy architectural parameters using off-the-shelf digital cameras with fish-eye lens is investigated. The technique used takes advantage of the sensor’s linear response to light of these cameras to improve the estimation of gap fraction using: (1) the digital numbers of mixed sky-canopy pixels to estimate the within-pixel gap fraction; and (2) this process is done considering the variation in view zenith angle to take into account the sky radiance distribution and the canopy multiple scattering effects. The foliage element clumping index is retrieved over a wide range of view zenith angles using: (1) the accumulated gap size distribution theory developed for the TRAC by Chen and Cihlar (1995a); (2) the Lang and Xiang (1986) finite-length averaging method; and (3) a method combining the gap size distribution and the Lang and Xiang finite-length methods. Using data from Canadian and Russian boreal forests, comparisons of gap fraction, clumping index and plant area index measured with the tracing radiation and architecture of canopies (TRAC) and digital hemispherical photography are presented. Evaluation of the LAI estimated from digital hemispherical photography with allometric LAI of two boreal forest stands suggest that that the clumping index combined method may be more accurate

Estimation of gap fraction and clumping index with Terrestrial and Airborne Laser Scanner data

El dosel forestal es una zona de intercambio de flujos y energía entre la superficie de la tierra y la atmósfera. Su estructura está representada por la organización espacial de todos los elementos vegetales que se encuentran sobre la superficie. La estructura del dosel condiciona una serie de variables microclimáticas en el interior de este espacio, las que influyen en la disponibilidad de los recursos y el comportamiento de las especies que cohabitan en él. Existe una serie de variables que permiten describir la estructura del dosel. Entre las más importantes se encuentran el índice de área foliar, cuyo cálculo y corrección depende de otros parámetros como la fracción de huecos (gap fraction, GF) y el índice de agrupamiento foliar (clumping index, CI). En este documento se estudian y desarrollan métodos para la estimación de GF y CI a partir de escáneres láser terrestres y aerotransportados (Terrestrial (TLS) and Airborne (ALS) Laser Scanners). Para lograr esto, se llevaron a cabo mediciones con TLS en Las Majadas del Tiétar (Cáceres, España) en el año 2009 y con ALS en Jasper Ridge (California, EE.UU.) en el 2007. En el caso de la estimación de GF a partir TLS, se desarrolló un nuevo método que calculaba la proporción entre píxeles vacíos y su totalidad a partir de imágenes angulares, una vez que se conocía su resolución. La validación del método fue realizada mediante simulaciones de datos con diversas resoluciones angulares y patrones de huecos en el dosel. El método se comparó también con los resultados de GF a partir de fotografías hemisféricas (hemispherical photography, HP), una vez que los datos TLS se reproyectaron para simular HP (TLS-SHP). La estimación del CI se llevó a cabo aplicando la teoría de la distribución del tamaño de los huecos de Chen y Cihlar (1995) sobre las TLS-SHP, que se contrastó con los valores de CI de las HP. En la zona de Jasper Ridge las estimaciones de GF se realizaron empleando métricas basadas en la ley de transmisividad de Beer-Lambert que miden el porcentaje de retornos láser que llegan al suelo, considerando parcelas circulares de datos ALS con diferentes tamaños de radio, para compararlas con la GF estimado de las HP. Del mismo modo, se probó también con la relación entre las intensidades de los retornos del suelo y las de todos ellos al interior de las parcelas. El CI se estimó a partir de métricas ALS derivadas de la altura de la vegetación y se relacionaron con el CI de las HP. Además, se adaptó con el mismo propósito el índice de segregación espacial de Pielou (1962), que se aplicó sobre imágenes de GF generadas para parcelas de datos ALS con distintos tamaños de radio y que fueron comparadas con el CI generado desde las HP. Para los experimentos llevados a cabo con los datos TLS, la GF fue sobreestimada en un 14% respecto a las HP, siendo las correlaciones estadísticamente significativas. El algoritmo desarrollado es operativo siempre y cuando el ruido en los datos angulares sea inferior al 6% de la resolución angular. Por encima de este umbral el método presentó un alto error, especialmente en los datos simulados con una estructura de huecos agrupados (cluster). El CI se subestimó en 27% respecto a los valores obtenidos por las HP. Los principales problemas vienen dados por la diferencia en la distribución del tamaño de los huecos registrados por las HP y las TLS-SHP. Por otra parte, la GF derivada de los datos ALS subestimó en un 3% y sobrestimó en un 43% comparado con las HP, para las parcelas de bosque y matorral, respectivamente. La GF obtenida presentó una clara dependencia del radio de los datos ALS considerados, que varió según el tipo de vegetación. Respecto a las estimaciones del CI, las métricas ALS de las alturas de la vegetación no mostraron buenos resultados. Esta circunstancia es contraria a estudios previos, lo que parece indicar que estas relaciones empíricas sólo funcionarían para el tipo de vegetación y sitio para el que fueron desarrolladas. Sin embargo, la modificación del algoritmo de Pielou subestimó el CI en sólo 6% y 4% para las parcelas de bosques y matorrales, respectivamente. Las posibles causas de estas diferencias radican en las distintas perspectivas y resolución espacial que poseen los datos ALS y HP

Estimation of gap fraction and clumping index with Terrestrial and Airborne Laser Scanner data

El dosel forestal es una zona de intercambio de flujos y energía entre la superficie de la tierra y la atmósfera. Su estructura está representada por la organización espacial de todos los elementos vegetales que se encuentran sobre la superficie. La estructura del dosel condiciona una serie de variables microclimáticas en el interior de este espacio, las que influyen en la disponibilidad de los recursos y el comportamiento de las especies que cohabitan en él. Existe una serie de variables que permiten describir la estructura del dosel. Entre las más importantes se encuentran el índice de área foliar, cuyo cálculo y corrección depende de otros parámetros como la fracción de huecos (gap fraction, GF) y el índice de agrupamiento foliar (clumping index, CI). En este documento se estudian y desarrollan métodos para la estimación de GF y CI a partir de escáneres láser terrestres y aerotransportados (Terrestrial (TLS) and Airborne (ALS) Laser Scanners). Para lograr esto, se llevaron a cabo mediciones con TLS en Las Majadas del Tiétar (Cáceres, España) en el año 2009 y con ALS en Jasper Ridge (California, EE.UU.) en el 2007. En el caso de la estimación de GF a partir TLS, se desarrolló un nuevo método que calculaba la proporción entre píxeles vacíos y su totalidad a partir de imágenes angulares, una vez que se conocía su resolución. La validación del método fue realizada mediante simulaciones de datos con diversas resoluciones angulares y patrones de huecos en el dosel. El método se comparó también con los resultados de GF a partir de fotografías hemisféricas (hemispherical photography, HP), una vez que los datos TLS se reproyectaron para simular HP (TLS-SHP). La estimación del CI se llevó a cabo aplicando la teoría de la distribución del tamaño de los huecos de Chen y Cihlar (1995) sobre las TLS-SHP, que se contrastó con los valores de CI de las HP. En la zona de Jasper Ridge las estimaciones de GF se realizaron empleando métricas basadas en la ley de transmisividad de Beer-Lambert que miden el porcentaje de retornos láser que llegan al suelo, considerando parcelas circulares de datos ALS con diferentes tamaños de radio, para compararlas con la GF estimado de las HP. Del mismo modo, se probó también con la relación entre las intensidades de los retornos del suelo y las de todos ellos al interior de las parcelas. El CI se estimó a partir de métricas ALS derivadas de la altura de la vegetación y se relacionaron con el CI de las HP. Además, se adaptó con el mismo propósito el índice de segregación espacial de Pielou (1962), que se aplicó sobre imágenes de GF generadas para parcelas de datos ALS con distintos tamaños de radio y que fueron comparadas con el CI generado desde las HP. Para los experimentos llevados a cabo con los datos TLS, la GF fue sobreestimada en un 14% respecto a las HP, siendo las correlaciones estadísticamente significativas. El algoritmo desarrollado es operativo siempre y cuando el ruido en los datos angulares sea inferior al 6% de la resolución angular. Por encima de este umbral el método presentó un alto error, especialmente en los datos simulados con una estructura de huecos agrupados (cluster). El CI se subestimó en 27% respecto a los valores obtenidos por las HP. Los principales problemas vienen dados por la diferencia en la distribución del tamaño de los huecos registrados por las HP y las TLS-SHP. Por otra parte, la GF derivada de los datos ALS subestimó en un 3% y sobrestimó en un 43% comparado con las HP, para las parcelas de bosque y matorral, respectivamente. La GF obtenida presentó una clara dependencia del radio de los datos ALS considerados, que varió según el tipo de vegetación. Respecto a las estimaciones del CI, las métricas ALS de las alturas de la vegetación no mostraron buenos resultados. Esta circunstancia es contraria a estudios previos, lo que parece indicar que estas relaciones empíricas sólo funcionarían para el tipo de vegetación y sitio para el que fueron desarrolladas. Sin embargo, la modificación del algoritmo de Pielou subestimó el CI en sólo 6% y 4% para las parcelas de bosques y matorrales, respectivamente. Las posibles causas de estas diferencias radican en las distintas perspectivas y resolución espacial que poseen los datos ALS y HP

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)

Retrieving leaf area index from multi-angular airborne data

This work is aimed to demonstrate the feasibility of a methodology for retrieving bio-geophysical variables whilst at the same time fully accounting for additional information on directional anisotropy. A model-based approach has been developed to deconvolve the angular reflectance into single landcovers reflectances, attempting to solve the inconsistencies of 1D models and linear mixture approaches. The model combines the geometric optics of large scale canopy structure with principles of radiative transfer for volume scattering within individual crowns. The reliability of the model approach to retrieve LAI has been demonstrated using data from DAISEX- 99 campaign at Barrax, Spain. Airborne data include POLDER and HyMap data in which various field plots were observed under varying viewing/illumination angles. Nearly simultaneously, a comprehensive field data set was acquired on specific crop plots. The inversions provided accurate LAI values, revealing the model potential to combine spectral and directional information to increase the likely accuracy of the retrievals. In addition, the sensitivity of retrievals with the angular and spectral subset of observations was analysed, showing a high consistency between results. This study has contributed to assess the uncertainties with products derived from satellite data like SEVIRI/MSG