Characterizing Dryland Ecosystems Using Remote Sensing and Dynamic Global Vegetation Modeling

Drylands include all terrestrial regions where the production of crops, forage, wood and other ecosystem services are limited by water. These ecosystems cover approximately 40% of the earth terrestrial surface and accommodate more than 2 billion people (Millennium Ecosystem Assessment, 2005). Moreover, the interannual variability of the global carbon budget is strongly regulated by vegetation dynamics in drylands. Understanding the dynamics of such ecosystems is significant for assessing the potential for and impacts of natural or anthropogenic disturbances and mitigation planning, and a necessary step toward enhancing the economic and social well-being of dryland communities in a sustainable manner (Global Drylands: A UN system-wide response, 2011). In this research, a combination of remote sensing, field data collection, and ecosystem modeling were used to establish an integrated framework for semi-arid ecosystems dynamics monitoring. Foliar nitrogen (N) plays an important role in vegetation processes such as photosynthesis and there is wide interest in retrieving this variable from hyperspectral remote sensing data. In this study, I used the theory of canopy spectral invariants (AKA p-theory) to understand the role of canopy structure and soil in the retrieval of foliar N from hyperspectral data and machine learning techniques. The results of this study showed the inconsistencies among different machine learning techniques used for estimating N. Using p-theory, I demonstrated that soil can contribute up to 95% to the total radiation budget of the canopy. I suggested an alternative approach to study photosynthesis is the use of dynamic global vegetation models (DGVMs). Gross primary production (GPP) is the apparent ecosystem scale photosynthesis that can be estimated using DGVMs. In this study, I performed a thorough sensitivity analysis and calibrated the Ecosystem Demography (EDv2.2) model along an elevation gradient in a dryland study area. I investigated the GPP capacity and activity by comparing the EDv2.2 GPP with flux towers and remote sensing products. The overall results showed that EDv2.2 performed well in capturing GPP capacity and its long term trend at lower elevation sites within the study area; whereas the model performed worse at higher elevations likely due to the change in vegetation community. I discussed that adding more heterogeneity and modifying ecosystem processes such as phenology and plant hydraulics in ED.v2.2 will improve its application to higher elevation ecosystems where there is more vegetation production. And finally, I developed an integrated hyperspectral-lidar framework for regional mapping of xeric and mesic vegetation in the study area. I showed that by considering spectral shape and magnitude, canopy structure and landscape features (riparian zone), we can develop a straightforward algorithm for vegetation mapping in drylands. This framework is simple, easy to interpret and consistent with our ecological understanding of vegetation distribution in drylands over large areas. Collectively, the results I present in this dissertation demonstrate the potential for advanced remote sensing and modeling to help us better understand ecosystem processes in drylands

Remote sensing methods for biodiversity monitoring with emphasis on vegetation height estimation and habitat classification

Biodiversity is a principal factor for ecosystem stability and functioning, and the need for its protection has been identified as imperative globally. Remote sensing can contribute to timely and accurate monitoring of various elements related to biodiversity, but knowledge gap with user communities hinders its widespread operational use. This study advances biodiversity monitoring through earth observation data by initially identifying, reviewing, and proposing state-of-the-art remote sensing methods which can be used for the extraction of a number of widely adopted indicators of global biodiversity assessment. Then, a cost and resource effective approach is proposed for vegetation height estimation, using satellite imagery from very high resolution passive sensors. A number of texture features are extracted, based on local variance, entropy, and local binary patterns, and processed through several data processing, dimensionality reduction, and classification techniques. The approach manages to discriminate six vegetation height categories, useful for ecological studies, with accuracies over 90%. Thus, it offers an effective approach for landscape analysis, and habitat and land use monitoring, extending previous approaches as far as the range of height and vegetation species, synergies of multi-date imagery, data processing, and resource economy are regarded. Finally, two approaches are introduced to advance the state of the art in habitat classification using remote sensing data and pre-existing land cover information. The first proposes a methodology to express land cover information as numerical features and a supervised classification framework, automating the previous labour- and time-consuming rule-based approach used as reference. The second advances the state of the art incorporating Dempster–Shafer evidential theory and fuzzy sets, and proves successful in handling uncertainties from missing data or vague rules and offering wide user defined parameterization potential. Both approaches outperform the reference study in classification accuracy, proving promising for biodiversity monitoring, ecosystem preservation, and sustainability management tasks.Open Acces

Object-based mapping of temperate marine habitats from multi-resolution remote sensing data

PhD ThesisHabitat maps are needed to inform marine spatial planning but current methods of field survey and data interpretation are time-consuming and subjective. Object-based image analysis (OBIA) and remote sensing could deliver objective, cost-effective solutions informed by ecological knowledge. OBIA enables development of automated workflows to segment imagery, creating ecologically meaningful objects which are then classified based on spectral or geometric properties, relationships to other objects and contextual data. Successfully applied to terrestrial and tropical marine habitats for over a decade, turbidity and lack of suitable remotely sensed data had limited OBIA’s use in temperate seas to date. This thesis evaluates the potential of OBIA and remote sensing to inform designation, management and monitoring of temperate Marine Protected Areas (MPAs) through four studies conducted in English North Sea MPAs. An initial study developed OBIA workflows to produce circalittoral habitat maps from acoustic data using sequential threshold-based and nearest neighbour classifications. These methods produced accurate substratum maps over large areas but could not reliably predict distribution of species communities from purely physical data under largely homogeneous environmental conditions. OBIA methods were then tested in an intertidal MPA with fine-scale habitat heterogeneity using high resolution imagery collected by unmanned aerial vehicle. Topographic models were created from the imagery using photogrammetry. Validation of these models through comparison with ground truth measurements showed high vertical accuracy and the ability to detect decimetre-scale features. The topographic and spectral layers were interpreted simultaneously using OBIA, producing habitat maps at two thematic scales. Classifier comparison showed that Random Forests Abstract ii outperformed the nearest neighbour approach, while a knowledge-based rule set produced accurate results but requires further research to improve reproducibility. The final study applied OBIA methods to aerial and LiDAR time-series, demonstrating that despite considerable variability in the data, pre- and post-classification change detection methods had sufficient accuracy to monitor deviation from a background level of natural environmental fluctuation. This thesis demonstrates the potential of OBIA and remote sensing for large-scale rapid assessment, detailed surveillance and change detection, providing insight to inform choice of classifier, sampling protocol and thematic scale which should aid wider adoption of these methods in temperate MPAs.Natural Environment Research Council and Natural Englan

Compilation of thesis abstracts, September 2009

NPS Class of September 2009This quarter’s Compilation of Abstracts summarizes cutting-edge, security-related research conducted by NPS students and presented as theses, dissertations, and capstone reports. Each expands knowledge in its field.http://archive.org/details/compilationofsis109452751

Forest attributes mapping with SAR data in the romanian South-Eastern Carpathians requirements and outcomes

Esta tesis doctoral se centra en la estimación de variables forestales en la zona Sureste de los Cárpatos Rumanos a partir de imágenes de radar de apertura sintética. La investigación abarca parte del preprocesado de las imágenes, métodos de generación de mosaicos y la extracción de la cobertura de bosque, sus subtipos o su biomasa. La tesis se desarrolló en el Instituto Nacional de Investigación y Desarrollo Forestal Marín Dracea (INCDS) y la Universidad de Alcalá (UAH) gracias a varios proyectos: el proyecto EO-ROFORMON del INCDS (Prototyping an Earth-Observation based monitoring and forecasting system for the Romanian forests), y el proyecto EMAFOR de la UAH (Synthetic Aperture Radar (SAR) enabled Analysis Ready Data (ARD) cubes for efficient monitoring of agricultural and forested landscapes). El proyecto EO-ROFORMON fue financiado por la Autoridad Nacional para la Investigación Científica de Rumania y el Fondo Europeo de Desarrollo Regional. El proyecto EMAFOR fue financiado por la Comunidad Autónoma de Madrid (España). El objetivo de esta tesis es el desarrollo de algoritmos para la extracción de variables forestales de uso general como la cobertura, el tipo o la biomasa del bosque a partir de imagen de radar de apertura sintética. Para alcanzar dicho propósito se analizaron posibles fuentes de sesgo sistemático que podrían aparecer en zonas de montaña (ej., normalización topográfica, generación de mosaicos), y se aplicaron técnicas de aprendizaje de máquina para tareas de clasificación y regresión. La tesis contiene ocho secciones: una introducción, cinco publicaciones en revistas o actas de congresos indexados, una pendiente de publicación (quinto capítulo) y las conclusiones. La introducción contextualiza la importancia del bosque, cómo se recoge la información sobre su estado (ej., inventario forestal) y las iniciativas o marcos legislativos que requieren dicha información. A continuación, se describe cómo la teledetección puede complementar la información de inventario forestal, detallando el contexto histórico de las distintas tecnologías, su funcionamiento, y cómo pueden ser aplicadas para la extracción de información forestal. Por último, se describe la problemática y el monitoreo del bosque en Rumanía, detallando el objetivo de la tesis y su estructura. El primer capítulo analiza la influencia del modelo digital de elevaciones (MDE) en la calidad de la normalización topográfica, analizando tres MDE globales (SRTM, AW3D y TanDEM-X DEM) y uno nacional (PNOA-LiDAR). Los experimentos se basan en la comparación entre órbitas, con un MDE de referencia, y la variación del acierto en la clasificación dependiendo del MDE empleado para la normalización. Los resultados muestran una menor diferencia ente órbitas al utilizar un MDE con una mejor resolución (ej. TanDEM-X, PNOA-LIDAR), especialmente en el caso de zonas con fuertes pendientes o formas del terreno complejas, como pueden ser los valles. En zonas de alta montaña las imágenes de radar de apertura sintética (SAR) sufren frecuentes distorsiones. Estas distorsiones dependen de la geometría de adquisición, por lo que es posible combinar imágenes adquiridas desde varias órbitas para que la cobertura sea lo más completa posible. El segundo capítulo evalúa dos metodologías para la clasificación de usos del suelo utilizando datos de Sentinel-1 adquiridos desde varias órbitas. El primer método crea clasificaciones por órbita y las combina, mientras que el segundo genera un mosaico con datos de múltiples órbitas y lo clasifica. El acierto obtenido mediante combinación de clasificaciones es ligeramente mayor, mientras que la clasificación de mosaicos tiene importantes omisiones de las zonas boscosas debido a problemas en la normalización topográfica y a los efectos direccionales. El tercer capítulo se enfoca en separar la cobertura forestal de otras coberturas del suelo (urbano, vegetación baja, agua) analizando la utilidad de las variables basadas en la coherencia interferométrica. En él se realizan tres clasificaciones de máquina vector-soporte basadas en un conjunto concreto de variables. El primer conjunto contiene las estadísticas anuales de la retrodispersión (media y desviación típica anual), el segundo añade la coherencia a largo plazo (separación temporal mayor a un año), el tercero incluye las estadísticas de la coherencia a corto plazo (mínima separación temporal). Utilizar variables basadas en la coherencia aumenta el acierto de la clasificación hasta un 5% y reduce los errores de omisión de la cobertura forestal. El cuarto capítulo evalúa la posibilidad de detectar talas selectivas utilizando datos de Sentinel-1 y Sentinel-2. Sus resultados muestran que la detección resulta muy difícil debido a la saturación de los sensores y la confusión introducida por el efecto de la fenología. El quinto capítulo se centra en la clasificación de tipos de bosque basado en una serie temporal de datos Sentinel-1. Se basa en la creación de un conjunto de modelos que describen la relación entre la retrodispersión y el ángulo local de incidencia para un determinado tipo de bosque y fecha concreta. Para cada píxel se calcula el residuo respecto al modelo de cada uno de los tipos de bosque, acumulando dichos residuos a lo largo de la serie temporal. Hecho esto, cada píxel es asignado al tipo de bosque que acumula un menor residuo. Los resultados son prometedores, mostrando que frondosas y coníferas tienen un comportamiento distintivo, y que es posible separar ambos tipos de bosque con un alto grado de acierto. El sexto capítulo está dedicado a la estimación de biomasa utilizando datos Sentinel-1, ALOS PALSAR y regresión Random Forest. Se obtiene un error similar para ambos sensores a pesar de utilizar una banda diferente (band-C vs. -L), con poca reducción en el error cuando ambas bandas se utilizan conjuntamente. Sin embargo, el ajuste de un estimador adaptado a las condiciones locales de Rumanía sí ofreció una reducción de del error al ser comparado con las estimaciones globales de biomasa

The global tree carrying capacity (keynote)

editorial reviewe