Puulajien spektrien vertailu ja hyödyntämismahdollisuudet kaukokartoituksessa

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Date
2017-06-12
Department
Major/Subject
Fotogrammetria ja kaukokartoitus
Mcode
M3006
Degree programme
Geomatiikan koulutusohjelma
Language
fi
Pages
53
Series
Abstract
Boreaaliset metsät kattavat merkittävän osan maapallon metsistä ja niillä on tärkeä asema maapallon ekosysteemissä. Boreaalisten puulajien spektriaineistoissa on kuitenkin esiintynyt kaksi selvää puutetta. Ensinnäkin monia lajeja ei ole mitattu lainkaan ja toiseksi mittauksissa käytetyt menetelmät ovat vanhentuneita ja huonosti dokumentoituja. Tässä diplomityössä mitattiin heijastus- ja läpäisyspektrit laboratorio-olosuhteissa yhteensä yli kuudellesadalle lehti- ja neulasnäytteelle 25:stä boreaalisen vyöhykkeen puulajista. Mittaukset suoritettiin tarkasti suunnitelluilla standardoiduilla menetelmillä ja huolellisella aineiston jälkikäsittelyllä. Mit-tauskampanjan aikana kasvukaudella 2016 kerättiin poikkeuksellisen laaja spektrikirjasto. Aineisto julkaistaan avoimessa SPECCHIO-spektritietokannassa. Työssä tutkittiin puulajin, latvuston valo-olosuhteiden, lehden tai neulasen puolen, kasvukauden vaiheen ja havupuilla neulasvuosikerran vaikutuksia mitattuihin spektreihin. Tarkoituksena oli määrittää merkittävimmät aallonpituudet, joilla puulajien erottelu lehti- ja neulastasolla on mahdollista sekä selvittää, mitkä muut tekijät vaikuttavat spektreihin. Lisäksi työssä pohdittiin tulosten merkitystä kaukokartoituksen kannalta. Tulokset osoittavat, että lyhytaaltoisen infrapunan (SWIR) merkitys lehti- ja neulastason mittauksissa on aiempaa käsitystä suurempi. SWIR-alueella puulajin havaittiin selittävän jopa 78 prosenttia albedon (heijastus + läpäisy) varianssista havupuulajeilla ja 62 prosenttia lehtipuulajeilla. Lisäksi havupuulajin vaikutus punaisen reunan käännepisteen sijaintiin oli huomattava. Lehden tai neulasen puolen vaikutus korostui lehtipuilla näkyvän valon (VIS) alueella, missä abaksiaalisen puolen albedo oli adaksiaalisen puolen albedoa korkeampi. Tutkimuksessa huomattiin neulasten ensimmäisen vuosikerran korkea transmittanssi lähi-infrapunan (NIR) ja SWIR-alueilla. Lisäksi vuosikerrat erosivat sel-västi vihreän valon alueella, missä toisen vuosikerran absorptio oli ensimmäisen vuosikerran absorptiota korkeampi. Latvuston valo-olosuhteiden vaikutus spektreihin todettiin heikoksi. Kasvukauden vaiheen havaittiin vaikuttavan VIS-alueen absorptioon, NIR-alueen heijastus- ja läpäisyspektreihin sekä punaisen reunan käännepisteen sijaintiin. Kaistojen väliset korrelaatiot osoittivat, että lehtien ja neulasten spektrit ovat jakautuneet kolmeen leveään aallonpituusryhmään, jotka vastasivat hyvin alueita VIS, NIR ja SWIR. Kapea punaisen reunan alue osoitti kuitenkin näistä ryhmistä poikkeavia piirteitä. Mittauskampanjassa kerättyä spektrikirjastoa voidaan hyödyntää kaukokartoitusaineistojen tulkinnassa. Löydetyt merkittävät aallonpituudet ja niiden väliset korrelaatiot auttavat uusien kaukokartoitusinstrumenttien kanavapaikkojen ja -leveyksien suunnittelussa.

Boreal forests cover a significant part of the world's forests and play an important role in Earth ecosystem. However, there are two obvious deficiencies in the existing spectral databases of boreal tree species. Firstly, many species lack spectral data. Secondly, the methods used in the measurements are outdated and poorly documented. In this thesis, reflectance and transmittance spectra of over six hundred leafs and needles from twenty five boreal forests tree species were measured under laboratory conditions. The measurements were carried out using carefully designed standardized procedures and data post-processing. An exceptionally comprehensive spectral library was collected during the measurement campaign over growing season in 2016. The dataset will be published in an open spectral database SPECCHIO. The study examined the effects of tree species, canopy light conditions, leaf or needle side, seasonal variation and needle age on the measured spectra. The aim was to determine the most significant wavelengths for tree species discrimination at the leaf and needle level and to examine which other factors influence the spectra. In addition, the implications of the results for remote sensing ware discussed. The results showed that the importance of short wave infrared (SWIR) region in leaf and needle-level measurements is higher than previously noted. In SWIR region, tree species were found to explain up to 78 percent of variance in leaf albedo (reflectance + transmittance) for coniferous species and 62 percent for broadleaved species. Furthermore, with coniferous species, the influence of species on position of red edge inflection point was found considerable. The effect of leaf or needle side was most noticeable in the visible (VIS) region for broadleaved trees, where the abaxial side albedo was higher than the adaxial side albedo. Further, the results showed high transmittance of first-year needles in the near-infrared (NIR) and SWIR regions. In addition, the needle age clearly differed in green wavelength region where the measurements showed higher absorption for second-year needles. The effect of canopy light conditions on spectra was found to be minor. Seasonal variation had an influence on leaf absorption in VIS, the reflectance and transmittance in NIR, and the position of red edge inflection point. The band intercorrelation analysis showed that leaf and needle spectra can be characterized into three broad wavelength groups that corresponded well to VIS, NIR and SWIR regions. However, the narrow red edge region showed spectral features that differed from these groups. The spectral database collected during the measurement campaign can be used in interpretation of remote sensing data. Found significant wavelengths and correlations can help in designing of wavelength band locations and widths of new remote sensing instruments.
Description
Supervisor
Rautiainen, Miina
Thesis advisor
Hovi, Aarne
Keywords
spektroskopia, hyperspektri, kaukokartoitus, kasvillisuus, reflektanssi, transmittanssi
Other note
Citation