Μη καταστρεπτική μέθοδος εκτίμησης της περιεχόμενης χλωροφύλλης στο φύλλωμα δασών με χρήση εικόνων HYPERION και LANDSAT/TM
Από RemoteSensing Wiki
Μη καταστρεπτική μέθοδος εκτίμησης της περιεχόμενης χλωροφύλλης στο φύλλωμα δασών με χρήση εικόνων HYPERION και LANDSAT/TM
Nondestructive estimation of canopy chlorophyll content using Hyperion and Landsat/TM images
Συγγραφείς:CHAOYANG WU, LI WANG, ZHENG NIU, SHUAI GAO, MINGQUAN WU
Πηγή: International Journal of Remote Sensing Vol. 31, No. 8, 2159–2167, 2010
Στόχος Εφαρμογής
Η περιεκτικότητα χλωροφύλλης στο φύλλωμα μιας δασικής περιοχής αποτελεί μία ιδιαίτερης σημασίας παράμετρο για την μελέτη της ενεργειακής μετατροπής η οποία λαμβάνει χώρα στα πλαίσια ενός οικοσυστήματος καθώς έχουν παρατηρηθεί στενές αλληλεπιδράσεις μεταξύ της περιεχόμενης χλωροφύλλης και της απόδοσης της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας ως προς τη μεικτή πρωτογενή παραγωγικότητας. Τα συστήματα δορυφορικών ανιχνευτών παρατήρησης παρέχουν μια εύκολη και έγκαιρη εναλλακτική μέθοδο για την τοπική και παγκόσμια εκτίμηση της περιεκτικότητας της χλωροφύλλης σε φύλλωμα δασών και οι δείκτες VI (Vegetation Indices) οι οποίοι προκύπτουν ως προϊόν αυτών των παρατηρήσεων παρουσιάζουν ιδιαίτερη χρηστικότητα κατά την εξαγωγή σημαντικών επίγειων παραμέτρων για την μελέτη της παγκόσμιας κλιματικής αλλαγής. Η παρούσα μελέτη εξετάζει μια ομάδα δεικτών οι οποίοι προκύπτουν από συστήματα ανιχνευτών Hyperion και Landsat Thematic Mapper (TM), με μέτρια ανάλυση (30m) για την εκτίμηση της περιεκτικότητας της χλωροφύλλης σε καλλιέργειες αραβοσίτου (εικόνες 1,2). Λόγω των δυνατοτήτων τις οποίες προσφέρει η ύπαρξη των διαφορετικών καναλιών των LandsatTM και Hyperion, υιοθετήθηκαν τέσσερις ευρέως χρησιμοποιούμενοι δείκτες οι οποίοι χρησιμοποιούν τα δεδομένα των καναλιών του πράσινου, του κόκκινου και του εγγύς υπερύθρου.
Εναλλακτικές Μέθοδοι
Βιβλιογραφικά συναντώνται διάφορες μελέτες οι οποίες εστιάζουν στον προσδιορισμό της περιεκτικότητας της χλωροφύλλης σε φύλλωμα δασών, με δεδομένα παθητικών οπτικών συστημάτων, τα οποία σε πολλές περιπτώσεις υιοθετούν την εφαρμογή τόσο στατιστικών μοντέλων όσο και μοντέλων αντίστροφης μεταφοράς ακτινοβολίας όπως τα PROSPECT και SAIL. Οι δείκτες VI οι οποίοι προκύπτουν από περισσότερα του ενός κανάλια, παρέχουν χρήσιμες και πρακτικής σημασίας μετρήσεις για την εκτίμηση της περιεκτικότητας της χλωροφύλλης στο φύλλωμα. Αξιόλογες είναι οι ήδη σημειούμενες προσπάθειες εκτίμησης της χλωροφύλλης, τόσο στα φύλλα όσο και στο συνολικό φύλλωμα σε διάφορους τύπους καλλιεργειών, με χρήση δεικτών βλάστησης οι οποίοι προέρχονται από την ανακλαστικότητα στο ορατό και στην περιοχή του μικροκυματικού υπερύθρου.
Είδη δορυφορικών συστημάτων
Ο ανιχνευτής Hyperion είναι ο πρώτος εκ του αέρος, πολιτικός ανιχνευτής υπερφασματικών εικόνων και παρέχει δεδομένα καλύπτοντας το ορατό, το εγγύς και το μικροκυματικό υπέρυθρο με ανάλυση 30 μέτρα. Η συγκεκριμένη μελέτη χρησιμοποιεί δεδομένα από του ανιχνευτή Hyperion, τα οποία ελήφθησαν στις 11.50 (τοπική ώρα) στις 10 Σεπτεμβρίου 2007. Ο LANDSAT TM περιλαμβάνει επτά κανάλια με ανάλυση επίσης 30 μέτρα. Η χρησιμοποιούμενη στη παρούσα μελέτη εικόνα ελήφθη στις 10.30 (τοπική ώρα) στις 7 Ιουλίου 2008.
Είδη δορυφόρων, δεκτών και καναλιών
Τα δεδομένα ΤΜ περιλαμβάνουν μεν στοιχεία επτά καναλιών, αλλά για την εκτίμηση της περιεχόμενης στο φύλλωμα χλωροφύλλης αξιοποιήθηκαν κυρίως δεδομένα των καναλιών 2, 3 και 4 για τους κοινούς δείκτες της περιοχής του ορατού και του εγγύς υπερύθρου. Οι τέσσερις βασικοί δείκτες είναι οι (α) NDVI (Normalized Difference Vegetation Index), (β) CIgreen (Green Chlorophyll Index), (γ) MSAVI (Modified Soil-Adjusted Vegetation Index) και (δ) EVI (Enhanced Vegetation Index). Οι δείκτες αυτοί αποτελούν συναρτήσεις των τιμών για το εγγύς υπέρυθρο, το κόκκινο, το πράσινο και το μπλε που αντιστοιχούν στα κανάλια 4 (760–900 nm), 3 (630–690 nm), 2 (520–600 nm) και 1 (450–520 nm) της εικόνας του θεματικού χάρτη και των καναλιών 45 (803 nm), 32 (671 nm), 20 (548 nm) και 10 (447 nm) των δεδομένων Hyperion.
Προεπεξεργασία εικόνων
Η χρησιμοποιούμενη SPOT εικόνα υπέστη γεωαναφορά ούτως ώστε να επιτευχθεί γεωμετρική διόρθωση τόσο στα δεδομένα της εικόνας του Hyperion όσο και του θεματικού χάρτη. Για τον σκοπό αυτό, χρησιμοποιήθηκαν 25 ομοιόμορφα κατανεμημένα σημεία της πολυωνυμικής μεθόδου τροποποίησης με σφάλμα RMSE ( root mean square error) εντός μισού εικονοστοιχείου.
Σημαντικά αποτελέσματα και αξιολόγηση των μεθόδων
Η ευαισθησία αποτελεί μια ιδιότητα η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη σύγκριση και ανάλυση διαφορετικών δεικτών για την διερεύνηση ειδικών χρησιμοτήτων. Οι τέσσερις προαναφερθέντες δείκτες συγκρίθηκαν χρησιμοποιώντας τιμές ανακλαστικότητας οι οποίες είχαν προσομοιωθεί με το μοντέλο PROSPECT υπό διάφορες μεταβολές της συγκέντρωσης της περιεχόμενης χλωροφύλλης. Ο δείκτης CΙgreen κατέδειξε γραμμική αύξηση σε διαφορετικά επίπεδα περιεχόμενης χλωροφύλλης, γεγονός το οποίο παρέπεμψε στην ενδεχόμενη χρησιμότητα του δείκτη CΙgreen στην παγκοσμίου επιπέδου εκτίμηση της περιεχόμενης χλωροφύλλης καθώς σε τέτοιες κλίμακες αναμένονται ευρείες δυναμικές διακυμάνσεις. Ο δείκτης EVI αναμένονταν να αποδειχθεί περισσότερο ακριβής σε σύγκριση με τον NDVI σε όρους ευαισθησίας ως προς τις βιοφυσικές παραμέτρους των φύλλων εξαιτίας του συνδυασμού του με ένα μπλε κανάλι το οποίο μπορεί να αφαιρέσει τις εκ του υποστρώματος προερχόμενες πληροφορίες. Η ανάλυση ευαισθησίας επιβεβαίωσε την πρόβλεψη αυτή καθώς ο δείκτης EVI απεδείχθη σταθερότερος κατά την μεταβολή της περιεχόμενης χλωροφύλλης, σημειώνοντας τιμή κορεσμού άνω των 600mg ανά τετραγωνικό μέτρο. Οι δείκτες NDVI και MSAVI κατέδειξαν συμβατή ευαισθησία ως προς την περιεχόμενη χλωροφύλλη, σημειώνοντας ωστόσο όριο κορεσμού περί τα 400mg ανά τετραγωνικό μέτρο, γεγονός το οποίο καταδεικνύει ότι πιθανότατα οι δείκτες αυτοί είναι ακατάλληλοι για την εκτίμηση της περιεκτικότητας της χλωροφύλλης σε περιοχές πυκνού φυλλώματος.
