velikost textu

Laboratory/Field Spectroscopy and Remote Sensing Image Data for Vegetation Studies

Upozornění: Informace získané z popisných dat či souborů uložených v Repozitáři závěrečných prací nemohou být použity k výdělečným účelům nebo vydávány za studijní, vědeckou nebo jinou tvůrčí činnost jiné osoby než autora.
Název:
Laboratory/Field Spectroscopy and Remote Sensing Image Data for Vegetation Studies
Název v češtině:
Využití laboratorní/terénní spektroskopie a obrazových dat dálkového průzkumu Země pro studium vegetace
Typ:
Disertační práce
Autor:
Mgr. Lucie Červená
Školitel:
RNDr. Lucie Kupková, Ph.D.
Oponenti:
prof. Dr. Ing. Karel Pavelka
Mgr. Jana Müllerová
Konzultant:
prof. RNDr. Jana Albrechtová, Ph.D.
Id práce:
128489
Fakulta:
Přírodovědecká fakulta (PřF)
Pracoviště:
Katedra aplikované geoinformatiky a kartografie (31-370)
Program studia:
Kartografie, geoinformatika a dálkový průzkum Země (P1310)
Obor studia:
-
Přidělovaný titul:
Ph.D.
Datum obhajoby:
6. 12. 2018
Výsledek obhajoby:
Prospěl/a
Jazyk práce:
Angličtina
Klíčová slova:
Laboratorní spektroskopie, terénní spektroskopie, dálkový průzkum Země, smrk ztepilý, horské ekosystémy, reliktní arkto-alpínská tundra, Krušné hory, Krkonoše, optické vlastnosti listu, odrazivost, trávy, vlastnosti listoví
Klíčová slova v angličtině:
Laboratory spectroscopy, Field Spectroscopy, Remote Sensing, Norway Spruce, Montane Ecosystems, Relict Arctic-Alpine Tundra, The Krušné hory Mountains, The Krkonoše Mountains, Leaf Optical Properties, Reflectance, Grass sp., Foliage Traits
Abstrakt:
Abstrakt Dominantní druhy vegetace dvou strukturálně a funkčně odlišných horských ekosystémů byly studovány pomocí laboratorní a terénní spektroskopie a obrazových dat dálkového průzkumu Země: (1) člověkem ovlivněný homogenní stálezelený jehličnatý les reprezentovaný porostem smrku ztepilého v Krušných horách a (2) přirozený heterogenní ekosystém reliktní arkto-alpínské tundry v Krkonoších s převahou travin. První část týkající se smrku ztepilého je zaměřena především na laboratorní spektroskopii. K hodnocení smrkových porostů na regionální a globální úrovni je potřeba podrobných znalostí o jejich spektrálních vlastnostech na úrovni jehlic a výhonů, avšak pozemní průzkum je velmi časově náročný. K získání většího množství pozemních dat pro analýzy porostů by mohly pomoci otevřené spektrální knihovny. Problém však může nastat s porovnatelností spekter pořízených různými přístroji. Tato práce se zaměřila na srovnatelnost spekter naměřených spektroradiometrem v kombinaci s kontaktní sondou a dvěma integračními sférami (Paper 3) a prokázala, že spektra naměřená kontaktní sondou a integrační sférou pro smrkové jehlice jsou signifikantně odlišná, pro listnaté druhy s dorziventrálním typem listu (reprezentované tabákem) jsou též odlišná, ale průměrné hodnoty vegetačních indexů z nich odvozených se již pohybují v rámci příslušných směrodatných odchylek, zatímco pro homogenní materiály, jako jsou barevné papíry nebo Spektralon, jsou spektra naměřená různými přístroji srovnatelná. Dále bylo v práci hodnoceno, zda data na různé měřítkové úrovni (v laboratoři určené obsahy pigmentů a vody v jehlicích, laboratorní spektra jehlic naměřená kontaktní sondou a spektrální data na úrovni porostu odvozená z obrazových leteckých hyperspektrálních dat APEX) dávají stejné výsledky v hodnocení rozdílů mezi skupinami měření ovlivněných různými faktory, jako jsou ročníky jehlic, pozice v koruně, stanoviště či lokalita výskytu (Paper 2). Dvě lokality v Krušnohoří ovlivněné různou intenzitou atmosférického znečištění v 70. letech vykazovaly mírné rozdíly v roce 2013 pouze na základě laboratorních biochemických dat, nikoli na základě dat spektrálních. Určitá heterogenita byla prokázána však mezi jednolivými jedenácti zkoumanými stanovišti na těchto dvou lokalitách na základě všech tří typů dat. Na základě podrobných laboratorních dat (biochemických i spektrálních) byly prokázány signifikantní rozdíly mezi jednotlivými ročníky jehlic i pozicí v koruně stromu. Pozicí v koruně stromu se pak práce zabývá i v další části, kde jsou porovnávány empirické modely pro odhad chlorofylu, karotenoidů a vody spočítané na základě odrazivosti naměřené kontaktní sondou pro tři různé úrovně koruny (bazální zastíněnou a produkční svrchní a spodní) – Paper 4. Výsledky dokazují, že modely pro zastíněnou bazální část koruny jsou přesnější než pro produkční část, což může být ovlivněno architekturou výhonů. Práce též potvrzuje lepší výsledky korelací s využitím metody PLSR než jednoduchých regresí a vegetačních indexů. Kromě metodických poznatků má práce i přínos po ekologické stránce (Paper 1 a 2), protože bylo prokázáno, že po eliminaci atmosférického znečištění smrkové monokulturní lesy v Krušných horách (zejména v jejich střední části) regenerují, i když nejsou zcela nepoškozené, a již nejsou pozorovatelné tak významné rozdíly ve stavu porostů mezi jednotlivými lokalitami středního a západního Krušnohoří. Zatímco pro správné fungování homogenních ekosystémů jsou důležité především vlastnosti porostu, v heterogenních ekosystémech hraje významnou roli navíc i jejich druhová skladba rostlinného společenstva, které je třeba věnovat také patřičnou pozornost. Především druhovou skladbou se zabývá část věnovaná reliktní arkto-alpínské tundře (Paper 5 a 6). Porovnávány jsou dosažené přesnosti klasifikací pro několik typů obrazových dat dálkového průzkumu Země různého spektrálního i prostorového rozlišení (Landsat, Sentinel-2, WorldView-2, ortofota a letecká hyperspektrální data ze senzorů APEX a AISA). Pro klasifikace těchto dat byly využity různě podrobné legendy. Legendy byly stanoveny s ohledem na prostorové rozlišení obrazových dat a kategorie byly specifikovány tak, aby měly přínos pro monitoring a ochranu oblasti, přičemž důraz byl kladen na rozlišení expanzivně silných druhů (trávy třtina chloupkatá, bezkolenec modrý a klečové porosty) a původního druhu trávy smilky tuhé. Nejlepších výsledků klasifikace (celková přesnost více než 80 %) bylo dosaženo na základě leteckých hyperspektrálních dat AISA s vysokým prostorovým rozlišením. Pro zvýšení přesnosti klasifikace heterogenních ekosystémů, jako je krkonošská tundra, se jako klíčové na základě našich výsledků jeví prostorové rozlišení dat. To dokazují dobré výsledky objektové klasifikace s prostorovým rozlišením 12,5 cm, ale pouze čtyřmi spektrálními pásmy (celková přesnost 71,96 % v případě podrobné legendy a přes 80 % v případě zjednodušené). V krkonošské tundře byly dále zkoumány vlastnosti porostů (výška, pokryvnost a fAPAR), a to s využitím terénní spektroskopie podél výškového a výživového gradientu táhnoucího se od Luční boudy na Luční horu ve dvou termínech v sezóně 2015 (Paper 7). Byly hledány především vhodné vegetační indexy pro tvorbu empirických modelů. Nejlepších výsledků bylo dosaženo pro pokryvnost, zatímco nejhorších pro fAPAR. Studium vlastností porostů v krkonošské tundře přineslo zatím základní výsledky a bude dále intenzívně pokračovat (například analýzy obsahu chlorofylu, podílu živé a uschlé biomasy, LAI apod.). Klíčová slova: Laboratorní spektroskopie, terénní spektroskopie, dálkový průzkum Země, smrk ztepilý, horské ekosystémy, reliktní arkto-alpínská tundra, Krušné hory, Krkonoše, optické vlastnosti listu, odrazivost, trávy, vlastnosti listoví.
Abstract v angličtině:
Abstract Dominant vegetation species of two structurally and functionally different montane ecosystems were studied by means of laboratory and field spectroscopy and remote sensing image data: (1) a homogeneous human-influenced evergreen coniferous forest represented by a Norway spruce forest in the Krušné hory Mountains and (2) a heterogeneous natural ecosystem of a relict arctic-alpine tundra in the Krkonoše Mountains with predominance of grasses. The first part dealing with the Norway spruce forest is especially focused on the methods of laboratory spectroscopy. The assessment of Norway spruce stands on a regional and a global scales requires detailed knowledge of their spectral properties at the level of needles and shoots in the beginning, but ground research is very time-demanding. Open spectral libraries could help to get more ground-truth data for subsequent analysis of tree species in forests ecosystems. However, the problem may arise with the comparability of spectra taken by different devices. The present thesis focuses on a comparability of spectra measured by a field spectroradiometer coupled with plant contact probe and/or two integrating spheres (Paper 3) and proves the significant differences in spruce needle spectra measured by the contact probe and integrating sphere, spectra of broadleaved plants (tobacco) also differ but the mean values of indices calculated using these spectra are in the range of the corresponding standard deviations, while spectra of homogeneous materials (colored papers, Spectralon) are comparable. Furthermore, data on different scales (laboratory retrieval of photosynthetic pigments and water content, the spectra of the needles measured by the contact probe, the spectra of crowns derived from airborne hyperspectral image acquired by an APEX sensor) are evaluated for the purpose of the detection of the differences in the physiological status of the Norway spruce stands among various factors - needle age class, position in the tree crown, stands or areas (Paper 2). Two areas in Krušné hory Mountains which were affected by various intensities of air pollution during the 1970’s showed only slight differences in 2013 based on the laboratory biochemical data and no differences based on the spectroscopic data. Some heterogeneity was proven among eleven studied stands in these two areas based on all three datasets. Based on the laboratory data (biochemical and also spectral), the differences among the needle age classes and positions in the tree crown were proven. The differences among the positions in the tree crown were elaborated in the next part of the thesis, where the empirical models for chlorophyll, carotenoids and water content estimations are modeled based on the spectra measured by the contact probe for three positions in the Norway spruce crown (the sunlit productive upper and lower parts, the shaded basal part) - Paper 4. The results are more accurate for the shaded basal part of the tree crown than for the sunlit upper part, which can be the consequence of the architecture of the shoots. The paper also confirms better results of the correlations when using partial least square regression (PLSR) over that of simple regressions and vegetation indices. Besides the methodological findings, the thesis has an ecological contribution (Paper 1 a 2) in the evidence of the Norway spruce homogeneous stands’ regeneration after the air pollution elimination (especially in the central part of the Krušné hory Mountains) – although the stands are still not completely undamaged, the difference between the two areas located in the central and western parts of the Krušné hory Mountains are not so significant already. The traits of the stands are one of the most important for correct function of homogeneous ecosystems, while the species composition of plant community plays an important role and also needs to be studied in the heterogeneous ecosystems. The species composition is the main focus of the thesis part dealing with the montane relict arctic-alpine tundra ecosystem (Papers 5 a 6). The accuracies of the classifications for several types of remote sensing image data with various spectral and spatial resolutions (Landsat, Sentinel-2, WorldView-2, orthoimages and airborne hyperspectral image data acquired by APEX and AISA sensors) were compared. For these data classifications, two differently detailed legends were used. The legends were design in accordance with the spatial resolution of the image data and the categories were specified to have a contribution to the monitoring and protection of the area with an emphasis being placed on the distinction among the expansively strong species (grasses Calamagrostis villosa, Molinia caerulea and Pinus mugo shrubs) and the original grass species Nardus stricta. The best classification results (an overall accuracy higher than 80%) were reached based on the aerial hyperspectral image data AISA with a high spatial resolution. In order to increase the accuracy of the classification of the heterogeneous ecosystems, such as the tundra in the Krkonoše Mountains, spatial resolution appears to be the most important based on our results. This was demonstrated by good accuracies of the orthoimages with a spatial resolution of 12.5 cm and only 4 spectral bands classifications (an overall accuracy 71.96% in the case of a detailed legend and 80% in the case of a simplified one). In the tundra ecosystem of Krkonoše Mountains, the traits of the vegetation cover (height, plant covet and fAPAR) were investigated using field spectroscopy along the elevation and nutrient gradient stretching from the Luční bouda hut to the Luční hora Mountain in two periods during the 2015 season (Paper 7). Different vegetation indices were tested for empirical modeling. The best results were achieved for the plant cover, while the worst were for fAPAR. The study of the vegetation traits in the tundra has so far yielded the first results and will continue intensively (the analysis of the chlorophyll content, the green percent vegetation cover (PVC) determined from the ratio of the green and dry biomass, LAI, etc.). Keywords: Laboratory spectroscopy, Field Spectroscopy, Remote Sensing, Norway Spruce, Montane Ecosystems, Relict Arctic-Alpine Tundra, The Krušné hory Mountains, The Krkonoše Mountains, Leaf Optical Properties, Reflectance, Grass sp., Foliage Traits.
Dokumenty
Stáhnout Dokument Autor Typ Velikost
Stáhnout Text práce Mgr. Lucie Červená 53.19 MB
Stáhnout Abstrakt v českém jazyce Mgr. Lucie Červená 282 kB
Stáhnout Abstrakt anglicky Mgr. Lucie Červená 434 kB
Stáhnout Autoreferát / teze disertační práce Mgr. Lucie Červená 614 kB
Stáhnout Posudek oponenta prof. Dr. Ing. Karel Pavelka 232 kB
Stáhnout Posudek oponenta Mgr. Jana Müllerová 501 kB
Stáhnout Záznam o průběhu obhajoby 745 kB