Estimation of leaf area index in southern Sweden with optimal modelling and Landsat 7 ETM+Scene

Английский. Canopy reflectance models are used as a means of estimating vegetation parameters and simulating reflectance signatures of vegetation surfaces. A forest canopy reflectance model is tested on deciduous forest collections in southern Sweden. A sensitivity analysis is performed to study how large influence each parameter has on the simulated reflectance. Thorough field measurements of the forest collections are done were the structural parameters are measured. The branch area index and leaf area index are measured with the Li-Cor LAI-2000 optical sensor, and two methods are tested to obtain leaf area index from effective leaf area index. The field data are used together with LOPEX leaf biophysical data to simulate the reflectance from the forest collections. The obtained reflectance is correlated against atmospheric influence corrected Landsat 7 ETM reflectance data. Atmospheric correction of the satellite data is done with a radiative transfer model named 6S, and atmospheric input data from SMHI (the Swedish Meteorological and Hydrological Institute). The forest model is further tested in inverse mode to obtain LAI. The inverted LAI values are compared to the measured ones. A sensitivity analysis showed that crown radius, chlorophyll content and leaf structural parameter are the most important parameters. LAI, BAI and stand density showed moderate importance while the other parameters showed low influence on the calculated reflectance. The correlation between modelled and measured reflectance was very low with the best correlation in ETM 5 (r = 0.55). The inversion of the model yielded low correlations except for collections with one size class. These collections proved to be more easily modelled.

Шведский. Populärvetenskaplig sammanfattning: Satelliter används ofta för att studera markanvändning och vegationsutbredning. För att öka satelliternas möjlighet att kvantifiera vissa parameterar hos vegetationen har en strålningsmodell utvecklats. Dessa modeller simulerar den reflekterade strålningen som satelliten registrerar. På grund av att reflektansprocessen är så kompliserad kräver modellen en stor mängd indata för att fungera. Kvaliteten på denna indata måste också vara mycket hög för att modellen ska kalkylera en korrekt reflektans. Genom att invertera modellen med satellitmätt reflektans och vissa skogsparametrar som indata kan andra parametrar beräknas. En intressant parameter är bladyteindex (eng. Leaf Area Index). Denna är bland annat intressant för kolmodellering i barr och lövskog, d.v.s utbytet av kol mellan atmosfär och vegetation. Syftet med kolmodellering av skog är att undersöka om skogen har ett netto upptag av kol från atmosfären, dvs motverkar växthuseffekten, eller avger kol till atmosfären, dvs förstärker växthuseffekten. Vi försöker i denna studie testa om en strålningsmodell kan användas för att uppskatta bladyteindex på lövskog i Skåne. Tio bestånd, med varierande ålder, täthet, höjd o s v är uppmätta så att alla inparametrar till modellen erhålles. Modellen körs sen för varje bestånd och den beräknade reflektansen jämförs med reflektans uppmätt av satellit. Varje parameters inverkan på den av modellen beräknade reflektansen undersöks också med en så kallad känslighetsanalys. Kronradie och lövstruktur är de parameterar som modellen är mest känslig mot. För att modellen skall simulera reflektansen korrekt är det extra viktigt att dessa parametrar är kända och noggrannt uppmätta. Signalen som registreras i satellitsensorn påverkas av atmosfären. Spridning och absorption av signalen är de processer som medverkar till influensen. Om man vill erhålla korrekt reflektans från satellitdatan är det därför viktigt att korrigera datan från den atmosfäriska påverkan. Detta kan göras på en del olika sätt, den mest kraftfulla korrektionmetoden är användandet av en fysikalisk atmosfärskorrektionsmodell. Givet ett set indata, innehållandes information om bl a aerosolsammansättning och ozonhalt, estimerar modellen den atmosfäriska påverkan. Den atmosfärskorrektionsmodell vi använt oss av heter 6S. Resultaten i studien visade på en låg korrelation mellan uppmätt och simulerad reflektans. Bäst resultat uppnåddes i satellitsensorns kanal 3 och 5 (Landsat 7 ETM+). Invertionsresultaten gav korellationkoefficienter på cirka 0.5 mellan uppmätt reflektans och bladyteindex.