Spectral Bidirectional Reflectance Factor Measurements of Two Dwarf Shrub Species

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Date
2018-02-12
Department
Major/Subject
Space Science and Technology
Mcode
ELEC3039
Degree programme
NanoRad - Master’s Programme in Nano and Radio Sciences (TS2013)
Language
en
Pages
62+7
Series
Abstract
Recent studies have shown the benefits of multiangular remote sensing techniques for characterizing vegetation reflection properties. The study of spectral anisotropy of understory vegetation enables methods for improved plant species identification, and provides valuable input data for radiation scattering models of forests. This thesis presents the applied methods and results of a research effort carried out over the growing season of 2017 for the temporal spectral characterization of two of the economically most important wild berry species in Finland: lingonberry (Vaccinium vitis-idaea) and blueberry (Vaccinium myrtillus). The spectral bidirectional reflectance factor (BRF) data on lingonberry and blueberry shrub samples were collected in a multidirectional measurement geometry using the Finnish Geodetic Institute Goniospectrometer (FIGIFIGO) in laboratory conditions. Leaf reflectance and transmittance spectra on both species were collected with SpectroClip-TR spectral probe. The anisotropic characteristics were analysed in the spectral range from 400 to 2200 nm for view angle dependence (-40° to +40°), illumination angle dependence (+40°, +55°), seasonal dynamics over the growing season (2017), and for berry and flower detection. Both lingonberry and blueberry shrubs have strong backward and notable forward scattering characteristics on the principal plane. In the interspecies comparison, lingonberry is brighter into all view direction in the visible and near infrared wavelengths but darker in the short-wave infrared. Increasing the illumination zenith angle by 15° improves the spectral discrimination of the two dwarf shrub species by inducing a 12% ratio of the spectral responses. Vegetation indices that are commonly used in remote sensing of forests (NDVI, NDVI705, MSI, PSRI) show low sensitivity to the changes in the view- and illumination angles. The presence of lingonberries and lingonberry flowers is indicated as a spectral peak around 679 nm in the spectral ratio of samples with berries or flowers to samples without berries or flowers. It was shown that the analysis of spectral data on the reflectance anisotropy improves the spectral discrimination of the dwarf shrub species. The contribution of the berries on the obtained shrub spectra was shown to be notable enough to justify further studies by applying unmanned aerial vehicle (UAV) platforms. Future studies on the aerial spectral data are suggested to evaluate the potential of berry mapping in larger-scale.

Viimeaikaiset tutkimukset ovat osoittaneet monisuunta-spektrometrian hyödyt kasvillisuuden heijastusominaisuuksien karakterisoinnissa kaukokartoituksessa. Aluskasvillisuuden spektrien anisotropian tutkiminen edesauttaa kehittämään menetelmiä kasvilajien tunnistamiseksi ja tarjoaa validointiaineistoa metsien sirontamalleihin. Tämä diplomityö esittää menetelmät ja tulokset Suomen kahden taloudellisesti tärkeimmän luonnonmarjoja tuottavan varpukasvin, mustikan (Vaccinium myrtillus) ja puolukan (Vaccinium vitis-idaea), spektrien temporaalisesta karakterisointikampanjasta kasvukauden 2017 yli. Kaksisuuntainen heijastussuhdetekijä spektriaineisto mitattiin mustikan ja puolukan varpunäytteistä monisuuntamittausgeometriassa FIGIFIGO (Finnish Geodetic Institute Goniospectrometer) goniospektrometrillä laboratorio-olosuhteissa. Lehtien heijastus- ja läpäisyspektrit mitattiin molemmista lajeista käyttäen SpectroClip-TR mittalaitetta. Anisotropiset ominaispiirteet analysointiin aallonpituuksien 400 - 2200 nm välillä katselukulmariippuvuudelle (-40° to +40°), valaistuskulmariippuvuudelle (+40°, +55°), vuodenajan aiheuttamille muutoksille (kasvukausi 2017) sekä marja ja kukintojen tunnistamiselle. Sekä puolukka että mustikka osoittavat voimakasta taaksepäin suuntautuvaa ja huomattavaa eteenpäin suuntautuvaa ominaissirontaa päätasossa. Lajien välisessä vertailussa puolukka on kirkkaampi kaikkiin mitattuihin katselukulmiin näkyvän valon ja lähi-infrapunan aallonpituuksilla, mutta tummempi lyhytaaltoisen infrapunan alueella. Valaistuskulman zeniitin kasvattaminen 15° parantaa lajien spektrien erotettavuutta aiheuttamalla 12 %:n eron lajien heijastusvasteisiin. Yleisesti metsän kaukokartoituksessa käytetyt kasvillisuusindeksit (NDVI, NDVI705, MSI, PSRI) osoittavat matalaa herkkyyttä katselu- ja valaistuskulman muutoksille. Näytteessä olevat puolukanmarjat ja -kukat erottuvat spektrissä piikkinä 679 nm:n kohdalla, kun tarkastellaan marjallisten ja kukallisten näytteiden suhdetta marjattomiin ja kukattomiin. Spektriaineiston heijastus-anisotropian analysoinnin näytettiin edesauttavan varpukasvien erotettavuutta. Marjojen vahva kontribuutio varpunäytteistä mitattuihin spektreihin osoitettiin niin selkeästi, että jatkotutkimuksia UAV (unmanned aerial vehicle) -alustalla voidaan pitää perusteltuina. Ilma-aluksilla kerättyä aineistoa ehdotetaan käytettävän marjojen laajemman kartoituksen potentiaalin selvittämiseksi.
Description
Supervisor
Rautiainen, Miina
Thesis advisor
Peltoniemi, Jouni
Keywords
BRF, reflectance factor, remote sensing, FIGIFIGO, anisotropy
Other note
Citation