Automated proximal sensing for estimation of the bidirectional reflectance distribution function in a Mediterranean tree-grass ecosystem

Premio Extraordinario de Doctorado de la UAH en el año académico 2015-2016Los sistemas automáticos de proximal sensing permiten adquirir información espectral de las cubiertas terrestres elevada frecuencia temporal, que puede relacionarse con observaciones remotas o de otros tipos de sensores como los sistemas de eddy covariance. Si bien inicialmente los sistemas automáticos empleaban sensores multi-banda, en los últimos años se ha incrementado el uso de sensores hiperespectrales. Si bien estos sensores ofrecen información redundante y de alta resolución espectral, las mediciones están sujetas a múltiples fuentes de incertidumbre; tanto instrumentales (dependencias de la temperatura o el nivel de señal) como direccionales (dependencia de la geometría de observación e iluminación). Las dependencias instrumentales pueden ser minimizadas, por ejemplo, controlando la temperatura del instrumento o el nivel de señal registrado. En otros casos, es necesario parametrizar y emplear modelos para corregir los datos. En la presente tesis doctoral los capítulos 1 al 3 presentan la caracterización completa de un espectrómetro de campo instalado en un sistema automático. Los capítulos 1 y 2 analizan las fuentes de no linealidad en este instrumento, una de las cuales no había sido anteriormente descrita en este tipo de instrumentos. El tercer capítulo muestra el conjunto completo de modelos de corrección de los efectos instrumentales y la cadena de procesado correspondiente. Por otro lado, los sistemas automáticos se enfrentan a efectos direccionales ya que adquieren mediciones continuamente durante el ciclo solar diario y bajo cualquier condición de iluminación. Esto maximiza los rangos de los ángulos de iluminación y también de la fracción difusa de la irradiancia. Esta variabilidad de condiciones de iluminación, combinada con una variación de los ángulos de observación permite obtener la información necesaria para caracterizar las respuestas direccionales de la cubierta observada. Algunos sistemas automáticos multi-angulares ya han sido empleados para realizar esta caracterización mediante la estimación de la Función de Distribución de Reflectividad Bidireccional (BRDF) en ecosistemas homogéneos. Sin embargo, esto no se ha conseguido aún en áreas heterogéneas, como es el caso de los ecosistemas tree-grass o de sabana. Así mismo, los trabajos previos no han considerado los efectos de la radiación difusa en el estudio del BRDF. En el capítulo 4 proponemos una metodología que permite desmezclar y caracterizar simultáneamente la función de distribución de reflectividad hemisférica-direccional de las dos cubiertas de vegetación presentes en el ecosistema, pasto y arbolado. También se analizan los efectos de las diferentes características del método. Finalmente, los resultados se escalan y se comparan con productos globales de satélite como el producto BRDF de MODIS. La conclusión obtenida es que se requieren más esfuerzos en el desarrollo y caracterización de sensores hiperespectrales instalados en sistemas automáticos de campo. Estos sistemas deberían adoptar configuraciones multi-angulares de modo que puedan caracterizarse las respuestas direccionales. Para ello, será necesario considerar los efectos de la radiación difusa; y en algunos casos también la heterogeneidad de la escena

Automated proximal sensing for estimation of the bidirectional reflectance distribution function in a Mediterranean tree-grass ecosystem

Premio Extraordinario de Doctorado de la UAH en el año académico 2015-2016Los sistemas automáticos de proximal sensing permiten adquirir información espectral de las cubiertas terrestres elevada frecuencia temporal, que puede relacionarse con observaciones remotas o de otros tipos de sensores como los sistemas de eddy covariance. Si bien inicialmente los sistemas automáticos empleaban sensores multi-banda, en los últimos años se ha incrementado el uso de sensores hiperespectrales. Si bien estos sensores ofrecen información redundante y de alta resolución espectral, las mediciones están sujetas a múltiples fuentes de incertidumbre; tanto instrumentales (dependencias de la temperatura o el nivel de señal) como direccionales (dependencia de la geometría de observación e iluminación). Las dependencias instrumentales pueden ser minimizadas, por ejemplo, controlando la temperatura del instrumento o el nivel de señal registrado. En otros casos, es necesario parametrizar y emplear modelos para corregir los datos. En la presente tesis doctoral los capítulos 1 al 3 presentan la caracterización completa de un espectrómetro de campo instalado en un sistema automático. Los capítulos 1 y 2 analizan las fuentes de no linealidad en este instrumento, una de las cuales no había sido anteriormente descrita en este tipo de instrumentos. El tercer capítulo muestra el conjunto completo de modelos de corrección de los efectos instrumentales y la cadena de procesado correspondiente. Por otro lado, los sistemas automáticos se enfrentan a efectos direccionales ya que adquieren mediciones continuamente durante el ciclo solar diario y bajo cualquier condición de iluminación. Esto maximiza los rangos de los ángulos de iluminación y también de la fracción difusa de la irradiancia. Esta variabilidad de condiciones de iluminación, combinada con una variación de los ángulos de observación permite obtener la información necesaria para caracterizar las respuestas direccionales de la cubierta observada. Algunos sistemas automáticos multi-angulares ya han sido empleados para realizar esta caracterización mediante la estimación de la Función de Distribución de Reflectividad Bidireccional (BRDF) en ecosistemas homogéneos. Sin embargo, esto no se ha conseguido aún en áreas heterogéneas, como es el caso de los ecosistemas tree-grass o de sabana. Así mismo, los trabajos previos no han considerado los efectos de la radiación difusa en el estudio del BRDF. En el capítulo 4 proponemos una metodología que permite desmezclar y caracterizar simultáneamente la función de distribución de reflectividad hemisférica-direccional de las dos cubiertas de vegetación presentes en el ecosistema, pasto y arbolado. También se analizan los efectos de las diferentes características del método. Finalmente, los resultados se escalan y se comparan con productos globales de satélite como el producto BRDF de MODIS. La conclusión obtenida es que se requieren más esfuerzos en el desarrollo y caracterización de sensores hiperespectrales instalados en sistemas automáticos de campo. Estos sistemas deberían adoptar configuraciones multi-angulares de modo que puedan caracterizarse las respuestas direccionales. Para ello, será necesario considerar los efectos de la radiación difusa; y en algunos casos también la heterogeneidad de la escena

Understanding the optical responses of leaf nitrogen in Mediterranean Holm oak (Quercus ilex) using field spectroscopy

The direct estimation of nitrogen (N) in fresh vegetation is challenging due to its weak influence on leaf reflectance and the overlaps with absorption features of other compounds. Different empirical models relate in this work leaf nitrogen concentration ([N]Leaf) on Holm oak to leaf reflectance as well as derived spectral indices such as normalized difference indices (NDIs), the three bands indices (TBIs) and indices previously used to predict leaf N and chlorophyll. The models were calibrated and assessed their accuracy, robustness and the strength of relationship when other biochemicals were considered. Red edge was the spectral region most strongly correlated with [N]Leaf, whereas most of the published spectral indexes did not provide accurate estimations. NDIs and TBIs based models could achieve robust and acceptable accuracies (TBI1310,1720,730: R2 = 0.76, [0.64,0.86]; RMSE (%) = 9.36, [7.04,12.83]). These models sometimes included indices with bands close to absorption features of N bonds or nitrogenous compounds, but also of other biochemicals. Models were independently and inter-annually validated using the bootstrap method, which allowed discarding those models non-robust across different years. Partial correlation analysis revealed that spectral estimators did not strongly respond to [N]Leaf but to other leaf variables such as chlorophyll and water, even if bands close to absorption features of N bonds or compounds were present in the models.This research has been funded by the BIOSPEC project “Linking spectral information at different spatial scales with biophysical parameters of Mediterranean vegetation in the context of Global Change” (http://www.lineas.cchs.csic.es/biospec) (CGL2008-02301/CLI, Ministry of Science and Innovation) and the FLUXPEC project “Monitoring changes in water and carbon fluxes from remote and proximal sensing in a Mediterranean dehesa ecosystem” (http://www.lineas.cchs.csic.es/fluxpec) (CGL2012-34383, Ministry of Economy and Competitiveness). Pacheco-Labrador, J. was sponsored by a JAE-Predoc grant (CSIC)Peer reviewe

Assessing the impact of non-linear responses of field spectroradiometers on the estimation of biophysical parameters and light use efficiency

Tommaso Julitta’s Short Term Scientific Mission was funded by the Cost Action ES0903 – Eurospec. Javier Pacheco-Labrador’s stay was partially funded by the Biospec project “Linking spectral information at different spatial scales with biophysical parameters of Mediterranean vegetation in the context of Global Change” (CGL2008-02301/CLI, Ministry of Science and Innovation).Peer reviewe

Temporal analysis of fresh leaf spectroscopy and chemical properties in Quercus ilex trees

Peer reviewe

Applying TSEB-RTM on multiangular airborne hyperspectral imagery for evapotranspiration retrieval in a Mediterranean ecosystem at Las Majadas del Tietar Fluxnet site, Spain

Peer reviewe

Validación de productos MODIS relacionados con la estimación de flujos de carbono en un ecosistema de dehesa

En este trabajo se validan diferentes productos MODIS a partir de mediciones de campo. Se ha empleado una serie temporal de los productos de índice de vegetación de diferencia normalizada (NDVI, MOD/MYD13Q1), índice de área foliar (LAI, MOD/MYD/MCD15A2) y productividad primaria bruta (GPP, MOD/MY17A2) adquiridos entre los años 2009 y 2011 en una dehesa de Cáceres que dispone de una torre de medición de flujos incluida en la red internacional FLUXNET. Los resultados obtenidos muestran correlaciones significativas (P-valor<0,01) para NDVI (r2=0,91), LAI (r2=0,73) y GPP (r2=0,79). A pesar de que MODIS recoge bien las dinámicas temporales en el ecosistema, se observaron importantes diferencias, el error medio cuadrático relativo (RRMSE) fue menor para el NDVI (7,5%) que para los productos más complejos LAI (30,1%) y GPP (59,5%).Este trabajo ha sido financiado por el Ministerio de Economía y Competitividad a través de los proyecto Biospec (CGL2008-02301/CLI) y Fluxpec (CGL2012-34383) y por el CSIC a través del programa JAE-TECPeer reviewe

Sun-Induced Chlorophyll Fluorescence I: Instrumental Considerations for Proximal Spectroradiometers

Growing interest in the proximal sensing of sun‐induced chlorophyll fluorescence (SIF) has been boosted by space-based retrievals and up-coming missions such as the FLuorescence EXplorer (FLEX). The European COST Action ES1309 “Innovative optical tools for proximal sensing of ecophysiological processes” (OPTIMISE, ES1309; https://optimise.dcs.aber.ac.uk/) has produced three manuscripts addressing the main current challenges in this field. This article provides a framework to model the impact of different instrument noise and bias on the retrieval of SIF; and to assess uncertainty requirements for the calibration and characterization of state-of-the-art SIF-oriented spectroradiometers. We developed a sensor simulator capable of reproducing biases and noises usually found in field spectroradiometers. First the sensor simulator was calibrated and characterized using synthetic datasets of known uncertainties defined from laboratory measurements and literature. Secondly, we used the sensor simulator and the characterized sensor models to simulate the acquisition of atmospheric and vegetation radiances from a synthetic dataset. Each of the sensor models predicted biases with propagated uncertainties that modified the simulated measurements as a function of different factors. Finally, the impact of each sensor model on SIF retrieval was analyzed. Results show that SIF retrieval can be significantly affected in situations where reflectance factors are barely modified. SIF errors were found to correlate with drivers of instrumental-induced biases which are as also drivers of plant physiology. This jeopardizes not only the retrieval of SIF, but also the understanding of its relationship with vegetation function, the study of diel and seasonal cycles and the validation of remote sensing SIF products. Further work is needed to determine the optimal requirements in terms of sensor design, characterization and signal correction for SIF retrieval by proximal sensing. In addition, evaluation/validation methods to characterize and correct instrumental responses should be developed and used to test sensors performance in operational conditions

Using Sentinel-2-Based Metrics to Characterize the Spatial Heterogeneity of FLEX Sun-Induced Chlorophyll Fluorescence on Sub-Pixel Scale

Current and upcoming Sun-Induced chlorophyll Fluorescence (SIF) satellite products (e.g., GOME, TROPOMI, OCO, FLEX) have medium-to-coarse spatial resolutions (i.e., 0.3–80 km) and integrate radiances from different sources into a single ground surface unit (i.e., pixel). However, intrapixel heterogeneity, i.e., different soil and vegetation fractional cover and/or different chlorophyll content or vegetation structure in a fluorescence pixel, increases the challenge in retrieving and quantifying SIF. High spatial resolution Sentinel-2 (S2) data (20 m) can be used to better characterize the intrapixel heterogeneity of SIF and potentially extend the application of satellite-derived SIF to heterogeneous areas. In the context of the COST Action Optical synergies for spatiotemporal SENsing of Scalable ECOphysiological traits (SENSECO), in which this study was conducted, we proposed direct (i.e., spatial heterogeneity coefficient, standard deviation, normalized entropy, ensemble decision trees) and patch mosaic (i.e., local Moran’s I) approaches to characterize the spatial heterogeneity of SIF collected at 760 and 687 nm (SIF760 and SIF687, respectively) and to correlate it with the spatial heterogeneity of selected S2 derivatives. We used HyPlant airborne imagery acquired over an agricultural area in Braccagni (Italy) to emulate S2-like top-of-the-canopy reflectance and SIF imagery at different spatial resolutions (i.e., 300, 20, and 5 m). The ensemble decision trees method characterized FLEX intrapixel heterogeneity best (R2 > 0.9 for all predictors with respect to SIF760 and SIF687). Nevertheless, the standard deviation and spatial heterogeneity coefficient using k-means clustering scene classification also provided acceptable results. In particular, the near-infrared reflectance of terrestrial vegetation (NIRv) index accounted for most of the spatial heterogeneity of SIF760 in all applied methods (R2 = 0.76 with the standard deviation method; R2 = 0.63 with the spatial heterogeneity coefficient method using a scene classification map with 15 classes). The models developed for SIF687 did not perform as well as those for SIF760, possibly due to the uncertainties in fluorescence retrieval at 687 nm and the low signal-to-noise ratio in the red spectral region. Our study shows the potential of the proposed methods to be implemented as part of the FLEX ground segment processing chain to quantify the intrapixel heterogeneity of a FLEX pixel and/or as a quality flag to determine the reliability of the retrieved fluorescence