TELEDETEKCJA. Jan Piekarczyk

Transkrypt

1 Jan Piekarczyk Zakład Kartografii i Geomatyki Instytut Geografii Fizycznej i Kształtowania Środowiska Przyrodniczego Uniwersytet im. Adama Mickiewicza

2 Krzywe spektralne = Charakterystyki spektralne Drzewa liściaste Śnieg i lód Drzewa iglaste Chmury Sucha gleba Odbicie promieniowania (%) Czysta woda Mętna woda Wilgotna gleba Długość fali

3 Charakterystyki spektralne różnych powierzchni

4 Φ iλ = r λ +τ +α λ λ Krzywa spektralna zielonej roślinności ma charakterystyczne odcinki: gleba roślinność woda -Absorpcja w zakresie niebieskim, -Odbicie w zakresie zielonym, -Absorpcja w zakresie czerwonym -Wysokie odbicie w zakresie bliskiej podczerwieni (NIR) -Absorpcja w zakresieśrodkowej podczerwieni (SWIR). Jensen 2000

5 ZAKRESY PROMIENIOWANIA I ICH WPŁYW NA ŻYCIE ROŚLIN Rodzaj Przedział Udział w poszczeg. rodzajach prom. % energii Wpływ promieniowania na życie roślin promieniowania spektralny całk. bezp. rozpr. promienistej Słońca cieplne fotosyntety czne fotomorfogen etyczne Ultrafiolet (UV) 0,28-0,38 3 % 2% 10% 0-4 nieistotny nieistotny umiarkowany Promieniowanie fotosyntetycznie aktywne (PAR) Bliska podczerwień (NIR) Promieniowanie długofalowe (LR) 0,38-0,71 50% 42% 65% istotny istotny istotny 0,71-4,0 47% 56% 25% istotny nieistotny istotny 3,0-100 istotny nieistotny nieistotny Mechanizm kompensacyjny - lepiej wykorzystywany jest strumień promieniowania niosący mniej energii Kędziora 1999

6 Kształt krzywej spektralnej zależy w zakresie widzialnym - od koncentracji barwników roślinnych (chlorofil) w zakresie bliskiej podczerwieni - od budowy wewnętrznej liścia - od stopnia uwodnienia tkanek w zakresie środkowej podczerwieni - od stopnia uwodnienia tkanek Planophile liście ułożone poziomo Erectophile - liście ułożone pionowo

7 Interakcja światła widzialnego z barwnikami roślinnymi Maksimum absorpcji chlorofilu a fale 430 i 660 nm. Maksimum absorpcji chlorofilu b i 650 nm. Dwa zakresy widma najbardziej przydatne do określania poziomu absorpcji przez chlorofil w liściach : nm and nm Stosunki ilościowe chlorofili w roślinach zależą między innymi od warunków siedliskowych: rośliny cieniolubne mają więcej chlorofilu b, rośliny światłolubne chlorofilu a. Skuteczność absorpcji Skuteczność absorpcji Długość fali (µm) Długość fali (µm) Spektra absorpcji chlorofilu a i b Jensen 2000

8 Zakresy VIS i NIR Źródło: ww.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja/wyklady/.../wyklad6.ppt Współczynnik absorpcji chlorofilu (cm 2 µg -1 ) Chlorofil Woda Długość fali (nm) (after Jacquemoud et al., 2000). Sucha masa roślinna Współczynnik absorpcji wody i suchej masy (cm 2 g -1 )

9 Absorpcja promieniowania Najważniejsze barwniki roślinne absorbujące promieniowanie: cr-karoten: 420, 440, 470 nm; P-karoten: 425, 450, 480 nm; antocyjany: nm; luteina: 425, 445, 475 nm; wiolaksantyn: 425, 450, 475 nm; woda: 970, 1450, 1944 nm. W komórkach roślinnych występuje wiele barwników i dlatego pasma absorpcji mogą być stosunkowo szerokie. Absorpcja przez azot: 460, 640 i 660 nm podobnie jak chlorofil 910, 1020, 1510, 1980, 2060, , 2240, 2300, 2350 nm podobne jak białka

10 Zakresy VIS i NIR Krzywe spektralne białych i zielonych części liści geranium białe zielone Modified from Billings and Morris (1951)

11 Ambrowiec balsamiczny Stres roślinny najłatwiej zidentyfikować analizując zmiany krzywej spektralnej w zakresie widzialnym ( i nm). NDVI = (NIR RED)/(NIR+RED) Red edge Starzejący się liść Odbicie Blue shift Zdrowy liść Prezent Venus Długość fali Jensen 2000 Zdjęcie w naturalnych kolorach (RGB = RGB) N.Y. Power Authority lake. Rozdzielczość przestrz x 0.3 m. Charakterystyki spektralne Ambrowca Balsamicznego (Liquidambar styraciflua L.) Jensen 2000

12 Ambrowiec balsamiczny Zakres NIR Jensen 2000 Dąb czerwony hyperspectral multispectral Jensen 2000 Charakterystyki hiperspektralne liści ambrowca Charakterystyki wielospektralne liści dębud

13 TELEDETEKCJA zakres NIR Jensen 2000 Kumulatywne odbicie od rośliny z dwoma warstwami liści Skumulowane odbicie od liścia 1 i liścia 2 R 1 + T 3 = 5/8 Φ i = 62,5% Absorpcja Odbicie Transmisja Strumień padający Φ i Odbity strumień, Φ r R 1 =1/2 Φ i =50% Transmitowany strumień, Φ τ T 3 =1/2 R 2 (lub 1/8 Φ i =12,5%) T 5 =1/2 R 4 (lub 1/32 Φ i ) Hemisferyczne charakterystyki odbicia, transmisji i absorpcji trawy preriowej Andropogon gerardii, Big Bluestem Grass Odbicie kumulatywne od liści promieniowanie przenika częściowo przez liść (tzn. jest transmitowane) i może być ponownie odbite przez liść znajdujący się niżej. Liść 1 Transmitowany strumień, Φ τ T 1 =1/2 Φ i Liść 2 R 2 =1/2 T 1 (lub 1/4 Φ i ) R 3 =1/2 R 2 (lub 1/8 Φ i ) R 4 =1/2 R 3 (lub 1/16 Φ i ) R 5 =1/2 R 4 (lub 1/32 Φ i ) Jensen 2000 T 2 =1/2 T 1 (lub 1/4 Φ i ) T 4 =1/2 R 3 (lub 1/16 Φ i )

14 Zakres NIR Spektralny efekt wypełnienia wodą przestrzeni międzykomórkowych liścia fasoli Liść zwykły Odbicie (%) Liść wypełniony wodą intensywność absorpcji promieniowania 4x mniejsza Knipling 1970 Długość fali (um)

15 Zakres SWIR Względna zawartość wody w liściu magnolii (Magnolia grandiflora) Odbicie (%) Długość fali (µm)

16 Odbicie od górnej powierzchni liścia platana przy różnym uwilgotnieniu Barwniki Wewnętrzne struktury liścia Uwodnienie liścia Odbicie (%) Pasma rejestracji czujnika TM LANDSAT Zawartość wody Jensen 2000 Długość fali (µm) Pasma silnej absorpcji wody w atmosferze: - 970, 1450, 1940 i 2700 nm, i 1240 nm. Wskaźnik roślinny: STVI=(R 1650 *R 650 )/R 850 Carter, 1991 [2508 Jacquemoud]

17 Odbicie Suche liście dębu Kulki szklane + woda Zielone liście Goetz et al.., 1990 Długość fali (µm) Krzywe odbicia zielonego i suchego liścia dębu oraz kulek szklanych z wodą

18 Odbicie Absorpcja przez karotenoidy i chlorofil Mniejsza absorpcja przez chlorofil Absorpcja przez chlorofil Lignina Celuloza Skrobia Zielony trawnik Liście blackbrush Igły świerka niebieskiego Sucha trawa Lignina Celuloza Lignina Celuloza Absorpcja przez azot: 1510, 1980, 2060 i 2180 nm Długość fali (µm) Blackbrush Acacia

19 Krzywe spektralne czterech biochemicznych składników liścia, uzyskane z czystych roztworów Drewno (lignina) Celuloza Długość fali (µm) Długość fali (µm) Odbicie Odbicie Odbicie Odbicie Skrobia Białko Długość fali (µm) Długość fali (µm)

20 Źdźbło Pszenica Odbicie spektralne Liść flagowy Kłosy Dlugość fali (nm) Wskaźnik Kłosy Liść flagowy Źdźbło

21 Starzenie się i stres TELEDETEKCJA Liście: 2 h po zerwaniu 24 h po zerwaniu Buk zwyczajny (Fagus silvatica L.) Robinia akacjowa (Robinia pseudoacacia L.) Kurczenie i zapadanie się komórek mezofilu Ostrokrzew (Ilex L.) Sobhan I Cienka, ochronna warstwa woskowa epidermy

22 Starzenie się i stres VIS SWIR NIR Odbicie (%) Wzrost roślin Starzenie się Steven and Clark, 1990 Długość fali (nm)

23 Krzywa spektralna suchego liścia Suche liście Zielone liście Martwy liść Suche drewno Sucha kora Odbicie (%) Krzywa spektralna zielonego liścia (odniesienie) Steven and Clark, 1990 Długość fali (nm)

24 (Non-Photosynthetic Vegetation - NPV) Gleba o dużej zawartości związków żelaza pokryta zielonym, suchym i wymieszanym materiałem roślinnym Zielona trawa Sucha trawa Richter N Mieszanina PV i NPV Pokrycie gleby PV [%] Pokrycie gleby NPV [%] Pokrycie gleby MIX [%] (1/3 PV i ~2/3 NPV) Odbicie (%) goła gleba goła gleba goła gleba Krzywe spektralne gleby pokrytej w różnym stopniu zielonym (PV), suchym (NPV) i wymieszanym (MIX) materiałem roślinnym Richter N Długość fali (nm) Długość fali (nm) Długość fali (nm)

25 Stres Zmiany krzywych odbicia od liści brzozy brodawkowatej (Betula pendula Roth) w czasie 48 godz. od ich zerwania Sobhan I Odbicie Długość fali

26 Wskaźniki roślinne Wskaźniki roślinne oblicza się na podstawie wartości odbicia promieniowania w poszczególnych kanałach i są wykorzystywane głównie do identyfikacji i oceny stanu powierzchni roślinnych : - powierzchnia liści (leaf-area- index LAI), - stopień pokrycia gleby przez rośliny, - zawartość chlorofilu, - zielonej biomasy, - absorbowanego, fotosyntetycznie aktywnego promieniowania (APAR). Simple Ratio: SR = NIR red Wskaźniki roślinne powinny: - Maksymalizować wrażliwość na biofizyczne parametry roślinne (zależności liniowe, szeroki zakres warunków środowiskowych, możliwość walidacji i kalibracji wskaźników), - Normalizować wpływ czynników zewnętrznych (warunki oświetlenia i obserwacji oraz atmosferyczne), - Normalizować wpływ czynników wewnętrznych (zmienność tła glebowego, topografia nachylenie i wystawa, zróżnicowanie pokrywy glebowej i udziału roślinności niefotosyntetyzującej), - dawać możliwość odniesienia do specyficznych, mierzalnych parametrów biofizycznych (biomasa, LAI, APAR) w procesie walidacji lub kontroli jakości. Jensen 2000

27 Wskaźniki roślinne Normalized Difference Vegetation Index: NDVI NDVI jest wykorzystywany w różnych r metodach do: = NIR NIR - szacowania wielkości produkcji pierwotnej różnych r ekosystemów, - określania ekoregionów, - obserwowania zmienności fenologicznej powierzchni roślinnych, - szacowania długod ugości sezonu wegetacyjnego i okresów w suszy. + red red Infrared Index: II II jest wrażliwy na: - zmiany biomasy roślinnej, - stres wodny roślin. = NIR NIR MIR TM 4 TM 5 + MIR TM 4 TM 5 Jensen 2000

28 Wskaźniki roślinne Transformed Vegetation Index: TVI = NIR red ( +. ). NIR + red Enhanced Vegetation Index: G = 2,5 C1 = 6 C2 = 7,5 L = 1 współczynnik wzmocnienia, współczynniki do korekcji wpływu aerozoli na dane w kanale czerwonym, współczynnik korekcji tła glebowego. Rozkład wskaźnika EVI na podstawie danych MODIS Terra

29 Wskaźniki roślinne Soil Adjusted Vegetation Index: SAVI = ( 1+ L)( NIR red) NIR + red + L L współczynnik kalibracyjny gleby (minimalizuje wpływ tła t glebowego i eliminuje konieczność kalibracji dla różnych r gleb) Atmospherically Resistant Vegetation Index : Gdzie: ARVI = NIR NIR + rb rb rb = red gamma *( red blue) Gamma zwykle wynosi 1

30 Odbicie dwukierunkowe Odbicie promieniowania zwierciadlane i rozproszone Kąt padania promieni Kąt odbicia promieni Odbicie zwierciadlane Odbicie częściowo zwierciadlane odbicie częściowo rozproszone Sposób odbicia promieniowania zależy od: - Szorstkości powierzchni. - Długości fali - Kąta padania promieni. Odbicie całkowicie rozproszone (powierzchnia lambertowska) Jensen 2000

31 Odbicie dwukierunkowe Bidirectional reflectance distribution function BRDF funkcja czterowymiarowa opisująca odbicie promieniowania od powierzchni nieprzejrzystej. BRDF dotyczy kierunków padania i odbicia promieniowania w odniesieniu do <normalnej> powierzchni i opisuje stosunek ilości energii promieniowania odbitego od danej powierzchni (radiancja lub luminancja) do ilości energii promieniowania docierającego do tej powierzchni z określonego kierunku. Każdy z tych kierunków (w sumie cztery) jest opisany kątem azymutalnym i zenitalnym a jednostką jest (sr 1 - steradian jednostka kąta bryłowego). Lokalna normalna Oświetlenie Obserwacja Względny kąt azymutalny Główna płaszczyzna słoneczna (SPP) Kierunek rozpraszania światła odsłoneczny dosłoneczny Lokalna normalna Oświetlenie Obserwacja Względny kąt azymutalny Płaszczyzna prostopadła do SPP Kierunek rozpraszania światła odsłoneczny dosłoneczny

32 Odbicie dwukierunkowe Czujnik Słońce Jensen 2000 Odsłoneczny widok rozpraszania Widok nadirowy Odsłoneczny widok rozpraszania Efekt dwukierunkowości przy obserwacji trawy (Lolium perenne L.) pod różnymi kątami zenitalnymi w głównej płaszczyźnie słonecznej (SPP) Odsłoneczny widok rozpraszania Odsłoneczny widok rozpraszania

33 Odbicie dwukierunkowe Odbicie (%) Kąt zenitalny widzenia ( ) Hot spot (cień nie jest widoczny) Główna płaszczyzna słoneczna (SPP) występuje, gdy źródło światła, obserwowany obiekt i czujnik rejestrujący odbicie znajdują się w tej samej płaszczyźnie (przy określonym kącie azymutalnym Słońca). Jensen 2000 Efekt hot spot na pionowym zdjęciu lotniczym bagien Savannah River w Południowej Karolinie

34 Goniometr TELEDETEKCJA Odbicie dwukierunkowe Bidirectional Reflectance Distribution Function (BRDF) Efekt BRDF powinien być brany pod uwagę w celu: Jensen Zidentyfikowania i wyboru zakresów spektralnych, na które BRDF ma najmniejszy wpływ. Odbicie znormalizowane (niebieski) (zielony) (czerwony) (bliska podczerwień) -Ustalenia kierunków oświetlenia i/lub obserwacji przy których zbieranie danych teledetekcyjnych nie jest wskazane. -Opracowania metod, które dostosują czujnik minimalizując efekt BRDF. Odbicie znormalizowane: R skośne / R nadir dosłoneczne Kąty zenitalne widzenia odsłoneczne

35 Odbicie Uprawa nie nawadniana 30 nadir Odbicie dwukierunkowe Odbicie Uprawa nawadniana 30 nadir Odbicie spektralne w zakresie widzialnym (VIS) i bliskiej podczerwieni (NIR) zarejestrowane z kierunku pionowego 0 (nadir) i skośnego 30 (off-nadir) pola nie nawadnianego (a) i nawadnianego (b) Stos. (30 / nadir) 3 0 nadir Nie nawadniane Nawadniane Długość fali (nm) Xavier A.C. & Vettorazzi C.A. 2004

36 odbicie dwukierunkowe Odbicie dwukierunkowe Satelita TERRA Czujnik: MISR - Multi-angle Imaging Spectroradiometer Duże kąty widzenia czujnika - umożliwiają lepszą obserwację wpływu aerozoli i odbicia od chmur. Średnie kąty widzenia czujnika są wykorzystywane do obserwacji powierzchni lądów. Jensen 2000 Czujniki: Kąty widzenia:

37 Odbicie dwukierunkowe Wpływ topografii na jasność obserwowanej powierzchni Ten sam obiekt znacznie inne odbicie spektralne. Wskaźniki spektralne podobne. Wartość DN piksela NIR: 75 Red: 28 NIR/R = 2,68 Czujnik Wartość DN NIR: 160 Red: 60 NIR/R = 2,67 Roberts A.

38 Rośliny bez stresu Godz. 8 Efektywność fotosyntetyczna Słonecznik południe Odbicie spektralne Rośliny w stresie pokarmowym (brak azotu) Godz. 8 południe EPS=(V+O.5*A)/(V+A+Z) Koncentracja barwników: V wiolaksantyna, A anteraksantyna, Z zeaksantyna. PRI= [(R 550 -RR 531 )/(R 550 +R 531 )] Rośliny w stresie wodnym Godz. 8 NDVI = (R NIR -R RED )/(R NIR +R RED ) południe Długość fali (nm) Gamon et al Gamon et al Czas lokalny (godz)

39 Las liściasty Zmienność w czasie Las mieszany Las iglasty Roślinność niska Rok NDVI Zakrzaczenia i goła gleba Miesiące w roku Tundra Tereny pozbawione roślinności Tereny rolnicze i użytki trawiaste St Lu Ma Kw Ma Cz Li Si Wr Pa Li Gr Miesiące w roku Stockli R. & Vidale P.L Wieloletnia i sezonowa zmienność wskaźnika NDVI z obszaru Alp Zmienność wskaźnika NDVI różnych powierzchni w sezonie wegetacyjnym (linia przerywana odchylenie standardowe)

40 Stockli R. & Vidale P.L TELEDETEKCJA Sahara Zmienność w czasie Alpy Finlandia Norwegia Finlandia NDVI Alpy NDVI Francja Sycylia Lata Dwudziestoletnia seria czasowa NDVI (czujnik: AVHRR Pathfinder, satelita: NOAA) Irlandia Szwecja Stockli R. & Vidale P.L Sezonowa zmienność wskaźnika NDVI na obszarze różnych krajów

41 Zielona biomasa Obumarła biomasa Zmienność w czasie Smooth Cordgrass Waga suchej masy g/m 2 Jensen 2000 Waga całkowitej suchej biomasy g/m 2 St Lu Ma Kw Ma Cz Li Si Wr Pa Li Gr Biomasa trawy smooth cordgrass (Spartina alterniflora) w cyklu fenologicznym w Karolinie Południowej Jensen 2000 Kanał 6 czujnika CAMS bliska podczerwień ( nm) Zależność między wartościami jasności (DN) z kanału 6 czujnika CAMS (Calibrated Airborne Multispectral Scanner) a określoną <in situ> całkowitą suchą biomasą (g/m 2 ) roślin Spartina alterniflora.

42 Różnice gatunkowe Krzywe spektralne trzech gatunków drzew Ciołkosz kosz, Miszalski,, Olędzki, 1978

43 TELEDETEKCJA Różnice gatunkowe Trawa Brzoza górna Palisadowy Kutikula Epiderma Miękisz Odbicie (%) Gąbczasty dolna Sosna Jodła Brooks, 1972 Długość fali (Å) Kutikula Epiderma Niezróżnicowane komórki miękiszu Zdjęcie w kolorowej podczerwieni

44 Zróżnicowanie krzywych spektralnych różnych grup taksonomicznych roślin He K.S. 2011

45 Różnice gatunkowe zmiany w czasie Ciołkosz kosz, Miszalski,, Olędzki, 1978 Odbicie w zakresie widma żółtozielonego od drzew w sezonie wegetacyjnym Odbicie od drzew w funkcji długości fali 1 dąb, 2 buk, 3 brzoza, 4 osika, 5 jodła, 6 - sosna

46 Różnice gatunkowe Klon polny (Acer campestre L.) Odbicie (%) Grab wschodni (Carpinus orientalis Mill.) Sobhan I Długość fali (um)

47 Różnice gatunkowe Możliwo liwość kartowania roślinno linności na podstawie danych teledetekcyjnych: Zależy y od zróżnicowania struktury roślin i liści ci. Głównie jest warunkowana zmienności cią odbicia w zakresie bliskiej podczerwieni. W mniejszym stopniu zależy y od koncentracji barwników. Łatwa w przypadku głównych g grup roślinnych (np. lasy/trawy, drzewa iglaste/liściaste ciaste). Trudna w obrębie bie grup roślinno linności.