Inverzní postupy modelu radiativního transferu pro odhad biochemických a fyzikálních parametrů vegetace

Mgr. Věroslav Kaplan, Ph.D.

Doctoral thesis

Radiative transfer model inversions for retrieval of biochemical and physical vegetation parametres

Abstract:

Disertační práce se zabývá problematikou odhadu charakteristik ve- getace z hyperspektrálních snímků. Práce se soustředí zejména na odhad koncentrace chlorofylu Ca+b v jehlicích smrku ztepilého. Jako metoda odhadu byly použity nepřímé inverze 3D modelu radiativního transferu DART. Odhadnutou koncentraci je pak možné použít jako nepřímý ukazatel zdravotního stavu stromu. Úvodní část práce představuje současné přístupy k odhadům stavu vegetace pomocí metod DPZ, zejména postupy vycházející z vegetačních indexů a metody založené na inverzích modelů radiativního transferu. Podává také stručný přehled obrazových senzorů, jejichž výstupy se používají jako podklady pro odhad charakteristik vegetace. Základním nástrojem pro inverze fyzikálně založených modelů jsou modely radiativního transferu, jimž se věnuje zvláštní kapitola. Kromě obecných informací o dostupných modelech se zaměřuje na principy fungování 3D modelu DART a parametrizaci stromů v něm. Tento model je použit v další části práce. Hlavním přínosem práce jsou dva nové softwarové nástroje pro provádění inverzí modelu radiativního transferu. Popis jejich návrhu a implementace tvoří samostatnou kapitolu. Prvním z nich je nástroj MetaSequencer, který automaticky vytváří podklady pro simulace modelem DART. Druhým nástrojem je program HyperRetrieval, který na základě výstupů nasimulo- vaných modelem DART umožňuje provádět odhady parametrů vegetace z hyperspektrálních snímků. Ověření obou nástrojů v pilotní studii je popsáno ve zvláštní kapitole. Testování proběhlo na hyperspektrálních obrazových datech pořízeních při letecké kampani Bílý Kříž 2006. Je zde demonstrován celý proces tvorby mapového výstupu od pořízení leteckých hyperspektrální dat až k validaci odhadů. Výsledek odhadu koncentrace chlorofylu ve formě tematické mapy je přílohou této práce.

Abstract:

The dissertation thesis deals with an estimation of vegetation properties from hyperspectral imagery data. It focuses especially on estimation of chlorophyll Ca+b concentration in Norway spruce needles. The estimation is based on the indirect inversions of radiative transfer model methods, more specifically DART model. Chlorophyll concentration can be used afterwards as indirect indicator of tree health status. The introductory part sumarises current approaches to vegetation status estimation from remote sensing data, especially on methods based on vegetation indices and on inversion of radiative transfer models. It overviews of imaging sensors, which provide input data for the methods. Radiative transfer (RT) models, the fundamental tool for physically based inversions, are described in separate chapter. In addition of common principles of available RT models, the chapter is focused on 3D model DART and its application for simulations of trees and forest stands. The DART model is later used in the following parts of the work. Two new software tools were designed and developed to prepare and perform retrievals based on radiative transfer model inversions. The tools are described in separate chapter. The first one is MetaSequencer that can be used to prepare inputs for DART model simulations. HyperRetrieval, the second tool, allows to perform retrievals from the hyperspectral images based on the DART model results. Both tools were tested and validated on data acquired pilot experiment – Bílý Kříž 2006 hyperspectral flight campaign. Full processing chain from image acquisition to retrieval validation is demonstrated in the final chapter. The result of chlorophyll concetration retrieval in a form of thematic map is attached in the appendix of the work.

Keywords

Smrk ztepilý, chlorofyl Ca+b, zobrazující spektroskopie, DART, DPZ, senzor AISA Eagle, radiativní transfer. Norway spruce, Ca+b chlorophyll, imaging spectroscopy, Remote Sensing, AISA Eagle hyperspectral sensor, radiative transfer.

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 5. 8. 2011

Thesis defence

• Date of defence: 20. 9. 2011
• Supervisor: prof. RNDr. Petr Dobrovolný, CSc.
• Reader: doc. Ing. Lena Halounová, CSc., doc. Ing. Dalibor Bartonek, CSc.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Geography (4-years) / Cartography, Geoinformatics and Remote Sensing