Remote sensing phenology at European northern latitudes - From ground spectral towers to satellites
Författare
Summary, in Swedish
Popular Abstract in Swedish
Växters fenologi påverkar ekosystemens funktion och tjänster, och återkopplar till klimatet genom att påverka utbytet av kol, vatten och energi mellan atmosfär och ekosystem. Under de senaste decennierna har växternas fenologi studerats i allt större omfattning, men fortfarande är osäkerheten stor och enighet saknas om klimatets inverkan på fenologi och förändringar över tiden. Detta projekt syftar till att minska osäkerheterna genom att analysera marknära insamling av spektrala data, utveckla nya metoder för kalibrering av ljussensorer i fält, och utforska nya spektralindex för mer tillförlitlig uppskattning av växternas fenologi och klimatkänslighet i norra Europa med hjälp av fjärranalysdata.
Vid fältstationer används ofta sensorer med lodrät eller sned vinkel för att mäta reflekterad strålning, men ofta är osäkerheten i mätningarna stor då nödvändig fältkalibrering av sensorerna saknas, och därigenom förbises hur olika växter påverkar den uppmätta reflektionen. Våra resultat tyder på att växternas reflektion följer en Cauchy-fördelning, modifierad av sensorns geometriska responsfunktion. Vi utvecklade en metod för fältkalibrering av spektralsensorer och visade hur denna metod ökar trovärdigheten av mätningarna gentemot mätningar gjorda med tillverkarnas standardkalibreringar.
Med mer trovärdiga reflektionsmätningar utvecklade vi ett fenologiskt vegetationsindex (PPI) som beräknas genom en strålningsekvation baserat på röd och nära-infraröd reflektion. PPI var linjärt korrelerad med trädensbladyteindex (LAI, leaf area index) och var bättre korrelerad med brutto- primärproduktion än andra vegetationsindex. PPI har speciellt stor potential för barrträdsdominerad boreal skog eftersom PPI är mindre känslig för påverkan av snö än andra vegetationsindex.
Vi uppskattade fenologin över norra Europa mellan 2000 och 2014 med PPI beräknat med s.k. BRDF-justerad reflektion från MODIS-sensorn. Vi utvärderade förändringar i växtsäsongens start (SOS), slut (EOS), längd (LOS) och PPI-integral och kunde påvisa signifikanta förändringar under de senaste 15 åren i större delen av norra Europa. I snitt var förändringen -0.39 dagar·år-1 för SOS, 0.48 dagar·år-1 för EOS, 0.87 dagar·år-1 för LOS, och 0.79%·år-1 för PPI-integralen. Fenologin var i de flesta områden signifikant påverkad av klimatet, i relation till temperatur; -3.43 dagar·°C-1 för SOS, 1.27 dagar·°C-1 för EOS, 3.16 dagar·°C-1 för LOS, och 2.29 %·°C-1 för PPI-integralen, och till nederbörd; 0.28 dagar∙cm-1 för SOS, 0.05 dagar∙cm-1 för EOS, 0.04 dagar∙cm-1 för LOS och 0.07%∙cm-1 för PPI-integralen. Dessa förändringar var signifikant relaterade till variationer över de senaste årtiondena av atmosfäriska cirkulationsmönster, såsom den Nordatlantiska oscillationen och den Arktiska oscillationen.
Metoderna som har utvecklats i detta projekt ökar trovärdigheten av spektralmätningar och minskar osäkerheten i estimerad fenologi och klimatkänslighet baserad på fjärranalysdata.
Växters fenologi påverkar ekosystemens funktion och tjänster, och återkopplar till klimatet genom att påverka utbytet av kol, vatten och energi mellan atmosfär och ekosystem. Under de senaste decennierna har växternas fenologi studerats i allt större omfattning, men fortfarande är osäkerheten stor och enighet saknas om klimatets inverkan på fenologi och förändringar över tiden. Detta projekt syftar till att minska osäkerheterna genom att analysera marknära insamling av spektrala data, utveckla nya metoder för kalibrering av ljussensorer i fält, och utforska nya spektralindex för mer tillförlitlig uppskattning av växternas fenologi och klimatkänslighet i norra Europa med hjälp av fjärranalysdata.
Vid fältstationer används ofta sensorer med lodrät eller sned vinkel för att mäta reflekterad strålning, men ofta är osäkerheten i mätningarna stor då nödvändig fältkalibrering av sensorerna saknas, och därigenom förbises hur olika växter påverkar den uppmätta reflektionen. Våra resultat tyder på att växternas reflektion följer en Cauchy-fördelning, modifierad av sensorns geometriska responsfunktion. Vi utvecklade en metod för fältkalibrering av spektralsensorer och visade hur denna metod ökar trovärdigheten av mätningarna gentemot mätningar gjorda med tillverkarnas standardkalibreringar.
Med mer trovärdiga reflektionsmätningar utvecklade vi ett fenologiskt vegetationsindex (PPI) som beräknas genom en strålningsekvation baserat på röd och nära-infraröd reflektion. PPI var linjärt korrelerad med trädensbladyteindex (LAI, leaf area index) och var bättre korrelerad med brutto- primärproduktion än andra vegetationsindex. PPI har speciellt stor potential för barrträdsdominerad boreal skog eftersom PPI är mindre känslig för påverkan av snö än andra vegetationsindex.
Vi uppskattade fenologin över norra Europa mellan 2000 och 2014 med PPI beräknat med s.k. BRDF-justerad reflektion från MODIS-sensorn. Vi utvärderade förändringar i växtsäsongens start (SOS), slut (EOS), längd (LOS) och PPI-integral och kunde påvisa signifikanta förändringar under de senaste 15 åren i större delen av norra Europa. I snitt var förändringen -0.39 dagar·år-1 för SOS, 0.48 dagar·år-1 för EOS, 0.87 dagar·år-1 för LOS, och 0.79%·år-1 för PPI-integralen. Fenologin var i de flesta områden signifikant påverkad av klimatet, i relation till temperatur; -3.43 dagar·°C-1 för SOS, 1.27 dagar·°C-1 för EOS, 3.16 dagar·°C-1 för LOS, och 2.29 %·°C-1 för PPI-integralen, och till nederbörd; 0.28 dagar∙cm-1 för SOS, 0.05 dagar∙cm-1 för EOS, 0.04 dagar∙cm-1 för LOS och 0.07%∙cm-1 för PPI-integralen. Dessa förändringar var signifikant relaterade till variationer över de senaste årtiondena av atmosfäriska cirkulationsmönster, såsom den Nordatlantiska oscillationen och den Arktiska oscillationen.
Metoderna som har utvecklats i detta projekt ökar trovärdigheten av spektralmätningar och minskar osäkerheten i estimerad fenologi och klimatkänslighet baserad på fjärranalysdata.
Avdelning/ar
Publiceringsår
2015
Språk
Engelska
Fulltext
Dokumenttyp
Doktorsavhandling
Förlag
Department of Physical Geography and Ecosystem Science, Lund University
Ämne
- Physical Geography
Nyckelord
- Remote sensing
- climate sensitivity.
- calibration
- ground spectral tower
- Plant phenology index (PPI)
- northern latitude
Status
Published
Forskningsgrupp
- remote sensing
Handledare
ISBN/ISSN/Övrigt
- ISBN: 978-91-85793-49-5
Försvarsdatum
11 juni 2015
Försvarstid
10:00
Försvarsplats
Världen auditorium,Sölvegatan 12, 22362, Lund
Opponent
- Pauline Stenberg (Professor)