Telerilevamento e Modellistica Forestale Lezione 9 Indici di vegetazione Dario Papale Contributi: Vern Vanderbilt, TA- Quinn Hart, M. Meroni, CCRS
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.)
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(%) 0.4 0.3 0.2 density 1 density 2 density 3 density 4 density 5 density 6 sunlit soil 0.1 0.0 400 600 800 1000 1200 wavelength
Analizzando le riflettanze il rosso e NIR separatamente vediamo che sono correlate con il LAI sia in campy dense che in canopy sparse 0.14 0.55 red reflectance (%) 0.12 0.10 0.08 0.06 0.04 Riflettanza nel rosso, canopy densa NIR reflectance(%) 0.50 0.45 0.40 0.35 0.30 0.25 0.20 Riflettanza nel NIR, canopy densa 0.02 0.15 red reflectance (%) 0.12 0.10 0.08 0.06 Riflettanza nel rosso, canopy rada NIR reflectance(%) 0.50 0.45 0.40 0.35 0.30 0.25 Riflettanza nel NIR, canopy rada 0.04 0.20 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 Total leaf area*meter of canopy -1 (cm 2 ) 0.15 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 Total leaf area*meter of canopy -1 (cm 2 )
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
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
LAI, FAPAR, contenuto di clorofilla, etc. possono quindi essere stimate a partire da dati spettrali di riflettanza. Quello che vedremo ora è come
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.
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 0.5 1.0 Riflettanza (%) 0.4 0.3 0.2 0.1 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 0.0 400 600 800 1000 1200 Lunghezza d onda -1.0 400 600 800 1000 1200 Lunghezza d onda
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
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
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
Esempio di immagine NDVI Bosco di Roccarespampani luglio 1999
Significato dell NDVI
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
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
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
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)
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 ( 1 0.25η ) ρ r nir ρr 0.125 1 ρ + 1.5ρnir + 0.5ρr + ρ + 0.5 r r
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
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
Photochemical Reflectance Index - PRI PRI = ρ ρ 531 531 + ρ ρ 570 570 Grace et al. 2007 Garbulsky et al. 2008 PRI calcolato usando bande Modis: 11 (526-536 nm), 12 (546-556 nm) PRI=(PRI+1)/2 per averlo positivo
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
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 760.4 nm dovute all ossigeno Meroni et al. 2010
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
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
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
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