Linking Canopy Reflectance and Plant Functioning through Radiative Transfer Models

Von den Tropen bis zur Tundra hat sich die Pflanzenwelt durch Anpassungen an lokale Umwelteinflüsse diversifiziert. Diese Anpassungen sind in der Funktionsweise der Pflanzen manifestiert, welche unter anderem Wachstum, Fortpflanzung, Konkurrenzfähigkeit oder Ausdauer beinhalten. Pflanzenfunktionen haben nicht nur direkten Einfluss auf die Artenzusammensetzung, sondern auch auf großräumige Prozesse wie Bio- und Atmossphäreninteraktionen oder Stoffkreisläufe. Folglich wurden viele Forschungsanstrengungen unternommen um Pflanzenfunktionen weiter zu verstehen und zu erfassen, z.B. darauf abzielend generalisierende Modelle von Pflanzenfunktionen zu entwickeln oder individuelle Pflanzenmerkmale als Indikatoren für Pflanzenfunktion zu identifizieren. Trotz der wissenschaftlichen Fortschritte fehlt ein vollständiges Bild der Funktionsvielfalt der Pflanzenwelt, sowohl in geographischer als auch funktioneller Hinsicht. Dies ist im Wesentlichen auf die Komplexität und die logistischen Einschränkungen bei der Messung von Pflanzenfunktionen im Feld zurückzuführen. Um dieses Bild zu vervollständigen wird insbesondere optischen Erdbeobachtungsdaten ein hohes Potenzial zugeschrieben. Optische Erdbeobachtungssensoren erfassen das vom Kronendach reflektierte Sonnenlicht. Letzteres wird durch verschiedene biochemische und strukturelle Pflanzenmerkmale (im Folgenden optische Merkmale) beeinträchtigt (z.B. Blattchlorophyllgehalt oder Blattwinkel). Das Abfangen und Absorbieren von Sonnenlicht ist die Grundlage des pflanzeneigenen Metabolismus und folglich liegt es Nahe, dass diese optischen Merkmale direkt mit Pflanzenfunktionen zusammenhängen. Der Zusammenhang dieser optische Merkmale mit Pflanzenfunktionen wurde jedoch noch nicht systematisch untersucht, und ebenso ist der Zusammenhang zwischen Pflanzenfunktion und Kronendachreflektion noch nicht vollständig untersucht. Die physikalischen Interaktionen von Licht und optischen Pflanzenmerkmalen sind bereits hinreichend verstanden und in Strahlungstransfermodellen (RTM) für Vegetationskronendächer formuliert. RTM können als prozessbasierte Modelle betrachtet werden, die die Reflektion des Kronendachs in Abhängigkeit von optische Merkmalen, dem Bodenhintergrund und der Sonnen-Sensorgeometrie modellieren. Das Ziel und die Innovation dieser Dissertation war die kausalen Zusammenhänge zwischen Kronendachreflektion und Pflanzenfunktion mittels RTM zu verstehen und zu nutzen. Es wurde gezeigt, dass für die Fernerkundung von Pflanzenfunktionen die Kopplung von Kronendachreflektion und Pflanzenfunktionen durch RTM mehrere Potentiale bietet: Erstens, ermöglichen RTM die Kartierung von Pflanzenmerkmalen. Innerhalb einer Fallstudie wurde gezeigt, dass eine Inversion von RTM mit hyperspektralen Daten eine Kartierung von optischen Merkmalen erlaubt, für die keine Felddaten zur Modellkalibrierung benötigt werden. Die kartierten Merkmale zeigten eine hohe Übereinstimmung mit Merkmalsausprägungen aus unabhängigen Datenbanken und spiegelten die im Feld gemessenen ökologischen Gradienten wider. Dies deutet darauf hin, dass RTM-Inversion als äußerst übertragbare Methode betrachtet werden kann, um räumliche Karten von Pflanzenmerkmalen zu erstellen, die als Proxies für Pflanzenfunktionen dienen können. Allerdings erfordert die Implementierung von RTM Inversionen fundierte Kenntnisse über die Prinzipien der Strahlentransfermodellierung und der zu untersuchenden Vegetationscharakteristiken. Zweitens, ermöglichen RTM die Untersuchung von Zusammenhängen zwischen Pflanzenfunktion und der Kronendachreflektion. In der vorliegenden Thesis wurden simulierte Kronendachspektren aus einem RTM verwendet, um den Beitrag der optischen Merkmale zu den spektralen Unterschieden zwischen Pflanzenfunktionstypen zu erfassen. Die Ergebnisse zeigten die dominanten Pflanzenmerkmale und die entsprechenden spektralen Charakteristiken die für eine fernerkundliche Unterscheidung der Pflanzenfunktion von großer Relevanz sind. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass RTM-basierte Simulationen Einschränkungen von Fallstudien kompensieren und Kenntnisse über die Zusammenhänge von Pflanzenfunktionen, Pflanzeneigenschaften und Kronendachtreflektion erweitern können. Diese Kenntnisse bilden die Grundlage für die Entwicklung und Verbesserung von Sensoren und Algorithmen zur Fernerkundung von Pflanzenfunktionen. Drittens, erweitern RTM und die darin enthaltenen optischen Merkmale unsere Möglichkeiten Unterschiede in der Pflanzenfunktion zu verstehen und zu quantifizieren. Mit Hilfe von in-situ gemessenen Merkmalsausprägungen konnte gezeigt werden, dass die in RTM enthaltenen optischen Merkmale kausal mit primären Pflanzenfunktionen zusammenhängen. Dies wiederum bedeutet, dass die Reflexion des Kronendachs unmittelbar mit den primären Funktionen der Pflanze zusammenhängt (‘Reflektion folgt Funktion’). Darüber hinaus wurde festgestellt, dass optische Merkmale vergleichbare oder sogar höhere Korrelationen mit den verwendeten pflanzlichen Funktionsgradienten aufweisen als die in der Pflanzenökologie üblich verwendeten Merkmale. Entsprechend bieten RTM sowohl eine alternative Perspektive als auch ein Set von Pflanzenmerkmalen mit denen Unterschiede der Pflanzenfunktion charakterisiert und quantifiziert werden können. Diese Merkmale können somit als wertvolle Ergänzung oder Alternative zu den in der Pflanzenökologie üblichen Merkmalen dienen. Zusammengefasst zeigt diese Thesis, dass RTM unsere Möglichkeiten erweiterten können die funktionelle Vielfalt der globalen Vegetationsbedeckung weiter zu verstehen und zu erfassen und führt zukunftsrelevante Forschungspotentiale auf

Radiative transfer modelling reveals why canopy reflectance follows function

Optical remote sensing is potentially highly informative to track Earth’s plant functional diversity. Yet, causal explanations of how and why plant functioning is expressed in canopy reflectance remain limited. Variation in canopy reflectance can be described by radiative transfer models (here PROSAIL) that incorporate plant traits affecting light transmission in canopies. To establish causal links between canopy reflectance and plant functioning, we investigate how two plant functional schemes, i.e. the Leaf Economic Spectrum (LES) and CSR plant strategies, are related to traits with relevance to reflectance. These traits indeed related to both functional schemes, whereas only traits describing leaf properties correlated with the LES. In contrast, traits related to canopy structure showed no correlation to the LES, but to CSR strategies, as the latter integrates both plant economics and size traits, rather than solely leaf economics. Multiple optically relevant traits featured comparable or higher correspondence to the CSR space than those traits originally used to allocate CSR scores. This evidences that plant functions and strategies are directly expressed in reflectance and entails that canopy ‘reflectance follows function’. This opens up new possibilities to understand differences in plant functioning and to harness optical remote sensing data for monitoring Earth´s functional diversity

The retrieval of plant functional traits from canopy spectra through RTM-inversions and statistical models are both critically affected by plant phenology

Plant functional traits play a key role in the assessment of ecosystem processes and properties. Optical remote sensing is ascribed a high potential in capturing those traits and their spatiotemporal patterns. In vegetation remote sensing, reflectance-based retrieval methods are either statistical (relying on empirical observations) or physically-based (based on inversions of a radiative transfer model, RTM). Both trait retrieval approaches remain poorly investigated regarding phenology. However, within the phenology of a plant, its leaf constituents, canopy structure, and the presence of phenology-related organs (i.e., flowers or inflorescence) vary considerably – and so does its reflectance. We, therefore, addressed the question of how plant phenology affects the predictive performance of both statistical and RTM-based methods and how this effect differs between traits. For a complete growing season, we weekly measured traits of 45 herbaceous plant species together with hyperspectral canopy reflectance (ASD FieldSpec III). Plants were grown in an experimental setup. The investigated traits comprised Leaf Area Index (LAI) and the leaf traits chlorophyll, anthocyanins, carotenoids, equivalent water thickness, and leaf mass per area. We compared the predictive performances of PLSR models and three variants of PROSAIL inversions based on (1) all observations and based on (2) a phenological subset where flowering plants were excluded and only those observations most suitable for modeling were kept. Our results show that both statistical and RTM-based trait retrievals were largely affected by phenology. For carotenoids for example, R$^{2}$ decreased from 0.58 at non-flowering canopies to 0.25 at 100% flowering canopies. Temporal trends were diverse. LAI and equivalent water thickness were best estimated earlier in the growing season; chlorophyll and carotenoids towards senescence. PLSR models showed generally higher bias than the PROSAIL-based retrieval approaches. Lookup-table inversion of PROSAIL in combination with a continuous wavelet transformation of reflectance showed highest accuracies. We found RTM-based retrieval not to be as accurate and transferable as previously indicated. Our results suggest that phenology is essential for accurate retrieval of plant functional traits and varies depending on the studied species and functional traits, respectively

PILOT STUDY ON THE RETRIEVAL OF DBH AND DIAMETER DISTRIBUTION OF DECIDUOUS FOREST STANDS USING CAST SHADOWS IN UAV-BASED ORTHOMOSAICS

One fundamental metric to characterize trees and forest stands is the diameter at breast height (DBH). However, the vertical geometry of tree stems hampers a direct measurement by means of orthographic aerial imagery. Nevertheless, the DBH in deciduous forest stands could be measured from UAV-based imagery using the width of a stem´s cast shadow projected on the ground. Here, we compare in-situ measured DBH of 100 trees with the DBH visually interpreted from cast-shadows derived in UAV-based aerial imagery. Then, based on simulated datasets, we determine suitable DBH sampling sizes for a robust and efficient retrieval of stand diameter distributions. The UAV-based DBH estimation resulted in an r2 of 0.74, RMSE of 7.61 cm, NRMSE of 12.8 % and approximately unbiased results. According to our simulations it can be assumed that a sample size of 25–50 individual DBH measurements per forest stand allows estimating reliable diameter distributions. The presented pilot study gives a first insight on the potential of such an approach for operational assessments of diameter distribution in deciduous forest stands and might be particularly interesting for stands in difficult terrain situations. The presented approach can be extended to estimate the basal area, timber stock or biomass

Explaining Sentinel 2-based dNBR and RdNBR variability with reference data from the bird’s eye (UAS) perspective

Characterizing the spatial variability of the severity of wildfires is important to assess ecological and economic consequences and to coordinate mitigation strategies. Vegetation indices such as the differenced Normalized Burn Ratio (dNBR) have become a standard tool to assess burn or fire severity across larger areas and are being used operationally. Despite the frequent application of dNBR-like vegetation indices, it is not yet fully understood which variables exactly drive the variability in dNBR observed by multispectral satellites. One reason for this is the lack of high quality prefire information about vegetation structure and composition. Consequently, the influence of prefire vegetation composition and other potentially influential variables such as cast shadows has hardly been examined. Here, we use very high resolution Unmanned Aerial System (UAS) orthoimages collected briefly before and after the large wildfires in Central Chile in the fire season 2016/2017 to derive variables related to the pre- and postfire landscape composition and structure. The variables are used as predictors in Generalized Additive Models (GAM) to explain the spatial variability in dNBR and RdNBR pixel values as observed by Sentinel-2. Our models explain more than 80% and 75% of the variability in dNBR and RdNBR values, respectively, using a sparse set of five predictors. The results suggest that in our study area the largest fraction of variability in Sentinel-2 based dNBR and RdNBR values can be explained by variables related to the fraction of consumed canopy cover while the vegetation composition before the fire does not have a large influence on dNBR and RdNBR. Our results further suggest that cast-shadows of snags and standing dead trees with remaining crown structure have a notable influence on the dNBR signal which may have been underestimated so far. We conclude that spatially continuous, very high spatial resolution data from UAS can be a valuable data source for an improved understanding of the exact meaning of common vegetation index products, operationally used for monitoring the environment

How are spectrally relevant plant traits distributed across plant functional gradients?

Various plant traits that affect the spectral properties of plant canopies can be retrieved using optical earth observation data and thus enable to map plant functional properties (Kattenborn 2017). From a remote sensing perspective, the mechanistic response of these optically relevant plant traits is already quite well understood and formulated in process-based models, i.e. canopy radiative transfer models (RTMs). The latter model the reflectance of plant properties using the sun and observer (sensor) orientation and defined plant traits. However, the relationship of these traits towards plant functioning was not systematically assessed. Thus, the present study examines how spectrally relevant traits (those implemented in PROSAIL) are related to two established plant functional schemes, i.e. the leaf economic spectrum (LES) and CSR plant strategies. The trait expressions were measured in-situ in 42 cultivated herbaceous plants. As expected these plant traits indeed relate to the assessed gradients of plant functioning (LES and CSR). As expected traits related to leaf properties (e.g. pigments and dry matter content) show clear correspondence to the LES. Traits related to the canopy structure show no or very little correspondence to the LES but clearly relate to CSR plant strategies which reflect plant functioning at the level of plant individuals or communities. Multiple trait expressions such as LAI, canopy foliage mass (LMA * LAI), faPAR and fAPAR integrated over a growing season feature comparable or even higher correlations to the CSR space than traits that were originally used to allocate CSR scores (e.g. LMA or LDMC). Our results therefore highlight that spectrally relevant plant traits are a valuable alternative or addition to traits traditionally used in trait-based ecology. These traits might not only enrich the suite of potential indicators to characterize plant functional gradients using EO data; they also allow to establish physical and therefore explicit relationships which advance our theoretical understanding as well as the operationalization of such knowledge into mapping and monitoring approaches. References 1. Kattenborn, T., Fassnacht, F. E., Pierce, S., Lopatin, J., Grime, J. P., Schmidtlein, S. 2017. Linking plant strategies and plant traits derived by radiative transfer modelling. Journal of Vegetation Science, 28(4)

Deep learning and citizen science enable automated plant trait predictions from photographs

Plant functional traits (‘traits’) are essential for assessing biodiversity and ecosystem processes, but cumbersome to measure. To facilitate trait measurements, we test if traits can be predicted through visible morphological features by coupling heterogeneous photographs from citizen science (iNaturalist) with trait observations (TRY database) through Convolutional Neural Networks (CNN). Our results show that image features suffice to predict several traits representing the main axes of plant functioning. The accuracy is enhanced when using CNN ensembles and incorporating prior knowledge on trait plasticity and climate. Our results suggest that these models generalise across growth forms, taxa and biomes around the globe. We highlight the applicability of this approach by producing global trait maps that reflect known macroecological patterns. These findings demonstrate the potential of Big Data derived from professional and citizen science in concert with CNN as powerful tools for an efficient and automated assessment of Earth’s plant functional diversity