Telerilevamento e Modellistica Forestale

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1 Telerilevamento e Modellistica Forestale Lezione 9 Indici di vegetazione Dario Papale Contributi: Vern Vanderbilt, TA- Quinn Hart, M. Meroni, CCRS

2 Fattori che determinano la riflettanza della canopy 1. Proprietà di assorbimento e riflessione degli elementi della canopy alle diverse lunghezze d onda (foglie, rami e fusti, fiori, frutti, sottobosco, suolo, etc.) 2. Architettura della canopy (Biomassa epigea, LAI, distribuzione delle foglie, grado di copertura, etc) 3. Condizioni di ripresa (geometria Sole-target-sensore, disturbi atmosferici, etc.)

3 Il nostro scopo è stimare parametri come LAI o biomassa partendo da dati telerilevati Ricordiamoci che la riflettanza della canopy varia con la l area fogliare e quindi il LAI 0.5 reflectance(%) density 1 density 2 density 3 density 4 density 5 density 6 sunlit soil wavelength

4 Analizzando le riflettanze il rosso e NIR separatamente vediamo che sono correlate con il LAI sia in campy dense che in canopy sparse red reflectance (%) Riflettanza nel rosso, canopy densa NIR reflectance(%) Riflettanza nel NIR, canopy densa red reflectance (%) Riflettanza nel rosso, canopy rada NIR reflectance(%) Riflettanza nel NIR, canopy rada Total leaf area*meter of canopy -1 (cm 2 ) Total leaf area*meter of canopy -1 (cm 2 )

5 FAPAR Un altra variabile importante ed utilizzata nel telerilevamento è la FAPAR, cioè la frazione della PAR (radiazione fotosinteticamente attiva, cioè tra 400 e 700 nm) che viene assorbita dalla vegetazione. Questa è chiaramente funzione sia delle caratteristiche della canopy

6 Anche la concentrazione di clorofilla ha un effetto sulla riflettanza nel rosso e nel blu ma la radiazione nel rosso e nel blu è praticamente quasi tutta assorbita e variazioni considerevoli nel contenuto di clorofilla hanno effetti ridotti sulle variazioni di riflettanza nelle bande di assorbimento. Riflettanza nel rosso e nel blu Concentrazione di clorofilla

7 LAI, FAPAR, contenuto di clorofilla, etc. possono quindi essere stimate a partire da dati spettrali di riflettanza. Quello che vedremo ora è come

8 Indici di vegetazione Sono delle combinazioni algebriche delle riflettanze spettrali misurate allo scopo di analizzare dati multispettrali passando da un dato multidimensionale ad un sngolo valore.

9 Analizzando la correlazione tra riflettanza della canopy nelle varie lunghezze d onda e area fogliare si nota che questa è negativa nel visibile e positiva nel NIR Riflettanza (%) very high leaf area very low leaf area sunlit soil Coefficiente di correlazione 0.0 Corr. positiva Corr. negativa Correlazione = 0.0 a approssimativamente λ = 0.71µm Lunghezza d onda Lunghezza d onda

10 Indici di vegetazione E chiaro che gli indici di vegetazione (VIs) saranno basati in particolare sulle riflettnze nel rosso e nel vicino infrarosso Δ A β

11 Indici di vegetazione In generale, i VIs possono essere divisi in tre categorie: Indici intrinseci, che considerano solo la riflettanza Indici legati alla linea dei suoli, che riducono l effetto del terreno Indici corretti per effetti atmosferici

12 SR (Simple Ratio) E il più semplice indice di vegetazione. Assume valori tra 0 e infinito, in particolare tra 0 e 1 per i suoli e tra 6 e 10 per la vegetazione verde. Indici intrinseci SR = ρ ρ NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) E il più usato e comune. Assume valori tra -1 e 1, in particolare inferiori a 0 per l acqua, poco superiori a 0 per i suoli e tra 0.4 e 0.7 per la vegetazione. Solo vegetazioni molto dense arrivano a 0.8. NDVI = ρ ρ nir nir nir r ρr + ρ r

13 Esempio di immagine NDVI Bosco di Roccarespampani luglio 1999

14 Significato dell NDVI

15 Indici basati sulla regione del Red edge Ne esistono molte tipologie, e possono essere pasati su rapporti, rapporti normalizzati, pendenza della curva, posizione del punto di flesso, area sottesa alla curva etc. Chiaramente richiedono misure molto precise e concentrate in molte bande strette e vicine tra loro. Sono calcolati partendo dalle misure registrate a lunghezze d onda attorno al punto di flesso della curva di riflettanza della vegetazione tra il rosso ed il vicino IR

16 Indici legati alla linea dei suoli Se la vegetazione non è tanto densa da coprire il 100% il terreno su cui cresce, la risposta spettrale viene influenzata dalle caratteristiche dei suoli (colore, contenuto di umidità ). Dato che in generale per i suoli si hanno valori più alti di riflettanza spettrale nell'infrarosso vicino rispetto al rosso, sperimentalmente si osserva una relazione di tipo lineare nella riflettanza nel rosso e nel NIR per cui i punti rappresentativi di diversi suoli tendono a disporsi lungo una linea detta "linea dei suoli": ρ Snir = aρ Sr + b

17 Indici legati alla linea dei suoli PVI (Perpendicular Vegetation Index) Questo indice vale zero sulla linea dei suoli (Indice di Area Fogliare=0) e cresce linearmente man mano che ci si sposta perpendicolarmente ad essa. PVI = ρ nir aρ a 2 r + 1 b

18 Indici legati alla linea dei suoli SAVI (Soil Adjusted Vegetation Index) Questo indice si presta bene nel caso di vegetazione con scarsa copertura ed inoltre tale indice può essere adattato a diverse tipologie di suolo. SAVI = ρ ρ ρ + ρ + L nir r ( 1 L) nir r + L è determinato sperimentalmente e varia solitamente da 0.25 (veg. densa) a 0.75 (rada)

19 Indici corretti per effetti atmosferici ARVI (Atmospherically Resistant Vegetation Index) In cui il termine ρ rb è dato dalla combinazione delle riflettanze nelle bande spettrali del blu e del rosso, ed il parametro γ dipende dal tipo di aereosol. In genere γ = 1. ARVI rb = = r ρ ρ nir nir ρ γ ρ + ρ ( ρ ρ ) b rb rb r GEMI (Global Environment Monitoring Index ) GEMI = η η = 2 ( 2 2 ρ ρ ) nir ( η ) ρ r nir ρr ρ + 1.5ρnir + 0.5ρr + ρ r r

20 Photochemical Reflectance Index - PRI E un indice che si basa sul ciclo delle Xantofille Se la foglia riceve troppa energia luminosa rispetto a quanta può utilizzarne una parte di questa viene dissipata per evitare danneggiamenti. Le xantofille sono dei carotenoidi. La violaxantina, in caso di eccesso di energia luminosa, viene de-epossidata in anteraxantina e poi in zeaxantina dissipando l eccesso di luce come energia termica. epossido Gamon et al. 1990, 1992

21 Photochemical Reflectance Index - PRI La formazione della zeaxantina causa variazioni di assorbanza 531 nm, riducendo la riflettanza ed il processo è veloce e reversibile. Esempio: foglie tenute al buio e poi esposte di nuovo alla luce diretta Gamon et al. 1990, 1992

22 Photochemical Reflectance Index - PRI PRI = ρ ρ ρ ρ Grace et al Garbulsky et al PRI calcolato usando bande Modis: 11 ( nm), 12 ( nm) PRI=(PRI+1)/2 per averlo positivo

23 FLUORESCENZA Dissipazione eccesso luminoso tramite fluorescenza della clorofilla (re-emissione dell energia luminosa assorbita a lunghezze d onda maggiori) Come la dissipazione di calore vista prima, compete con la fotosintesi I picchi di fluorescenza sono a circa 685 e 730 nm. Meroni et al. 2009

24 FLUORESCENZA Riusciamo a misurare la fluorescenza in modo passivo sono in strette bande spettrali dove l irradianza solare è fortemente ridotta (linee di Fraunhofer). Nella NIR ci sono due bande a 687 e nm dovute all ossigeno Meroni et al. 2010

25 Utilizzo degli indici per la spazializzazione Immagini satellitari Georeferenziazione Misura a terra della variabile e della posizione (GPS) Calcolo degli indici nei punti di misura a terra Regressione indici/variabile Scelta dell indice migliore Calcolo dell indice scelto su tutta l immagine Applicazione della regressione Mappa della variabile

26 Caratteristiche degli indici spettrali Semplici e basati esclusivamente su misure Basati di solito su poche bande Di solito sono indipendenti dalla radianza e non necessitano delle correzioni

27 Svantaggi degli indici spettrali Relazioni empiriche e non basate sulle conoscenze della fisica della riflessione Utilizzano solo poche bande Fino a qui svantaggi e vantaggi coincidono.. Difficilmente si trovano relazioni semplici con le variabili da stimare

28 Saturazione Uno dei limiti principali degli indici di vegetazione è che oltre un certo limite saturano. Sono più indicati quindi per studi su vegetazione rada. Vegetation Index LAI, biomassa, L alternativa agli indici di vegetazione è nei modelli, in particolare nell inversione dei modelli di riflettanza della canopy accoppiati a modelli della riflessione fogliare