Effects of boreal forest on multi-scale optical remote sensing observations for snow-covered landscape

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-5625-9
Title: Effects of boreal forest on multi-scale optical remote sensing observations for snow-covered landscape
Author: Heinilä, Kirsikka
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science
Doctoral Programme in Atmospheric Sciences
Finnish Environment Institute, Department of Geosciences and Geography
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2019-11-29
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-5625-9
http://hdl.handle.net/10138/306813
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Optical snow monitoring methods have tendency to underestimate snow cover beneath the evergreen forest canopy due to the masking effect of trees. There is need to develop method for providing more reliable snow products and enhance their use e.g. in hydrological and climatological models. The main objective of this thesis is to provide information to improve the accuracy of snow mapping by algorithm development and its regional parameterization. This thesis exploits reflectance data derived from ground-based, mast-borne, airborne and space-borne sensors. Each datatype with different ground resolutions has specific strengths and weaknesses. Together this dataset provides valuable information to advance knowledge of reflectance properties of snow-covered forests and supports the interpretation of satellite-borne reflectance observations. Improvement of satellite-based snow cover mapping is essential because it is the only way to monitor snow cover spatially, temporally and economically effectively. To obtain information about certain geophysical variable using satellite data, a model for interpreting the satellite signal must be developed. The feasibility of satellite-borne observations in describing geophysical variables depends on the reliability of the model used. Here simple reflectance models based on the zeroth order radiative transfer equation and lineal mixing models are investigated. They are found to reliably describe the observed surface reflectances from snow-covered terrain, both in forests and in open areas. Additionally, to improve methods for seasonal snow cover monitoring in forests, the high spatial resolution observations are required to describe spectral properties and their temporal behaviour of different targets inside the investigated scene. It is also important to combine these target-specific reflectances with the in situ data to describe the characteristics of the target area. In this thesis the datasets complement each other so that while mast-borne data provides information on the temporal behaviour of the scene reflectance of the specific location where measurement conditions are well known, the airborne data provides information during a very short time (~1 hour) on the spatial variation of scene reflectance from the areas where land cover, forest characteristics and snow conditions are well defined. The results demonstrate the notable effect of forest on observed reflectance in both the temporal (changes in illumination geometry) and on the spatial (changes in forest structure) scale. The presence of tree canopy also weakens the capability of the Normalized Difference Snow Index (NDSI) to detect snow-covered areas. Additionally, the effect of melting snow cover on reflectances and NDSI is significant in all land covers producing high variation inside individual land cover types too.Boreaalisen havumetsän vaikutus lumipeitteisen maaston optisiin kaukokartoitusmittauksiin Laaja osa pohjoisen pallonpuoliskon maa-alasta kuuluu kausittaisen lumipeitteen vyöhykkeeseen. Kausittainen lumipeite on herkkä lämpötilan vaihteluille ja siksi se on hyvä ilmastonmuutoksen indikaattori. Sulaessaan kausittainen lumipeite vapauttaa valtavan määrän talven ajaksi varastoitunutta vettä. Vapautuvan veden määrän ennakoiminen on tärkeässä roolissa tulvavahinkojen minimoimisessa sekä vesivoiman säännöstelyssä. Suuri osa lumipeitteisistä alueista on harvaan asuttua ja satelliitit tarjoavat ainoan vaihtoehdon saada ajallisesti ja paikallisesti kattavaa tietoa. Kuitenkin samalla suuri osa kausittaisen lumipeitteen alasta kuuluu boreaaliseen metsävyöhykkeeseen, jossa optisilla kaukokartoitusmenetelmillä on vaikeuksia tunnistaa lumipeite ikivihreän kasvillisuuden alla. Tämän väitöskirjatyön tavoite on tutkia valon käyttäytymistä boreaalisella metsävyöhykkeellä lumipeitteisenä aikana. Tätä tietoa voidaan suoraan hyödyntää lumen kaukokartoitusmenetelmien kehittämisessä, huomioiden eri satelliittisensorien maastoerotuskyky ja aallonpituuskanavat. Näin saatu entistä tarkempi tieto lumipeitteestä parantaa myös niiden ilmasto- ja hydrologisten mallien tarkkuutta, jotka hyödyntävät lumipeitetietoa laskennassaan. Jotta satelliitin välityksellä voidaan saada tietoa jostakin tietystä geofysikaalisesta parametrista, on kehitettävä malli satelliitti-instrumentin mittaaman signaalin tulkitsemiseksi. Tässä työssä tutkitaan säteilynkuljetusyhtälöön ja lineaariseen mallinnukseen perustuvia yksinkertaisia heijastusmalleja. Työn kannalta oleellisia ovat tarkasti määritetyt heijastusmittaukset luonnon kohteista, joiden ominaisuudet vaihtelevat ajallisesti ja paikallisesti. Työssä hyödynnetään 1) maastossa, 2) mastosta ja 3) lentäen mitattuja valon heijastussuhteita optisella aallonpituusalueella sekä aktiivisella tutkasensorilla määritettyjä tarkkoja tietoja puuston peittämästä alasta ja puuston korkeudesta. Tämä kolmitasoinen lähestymistapa antaa tärkeää tietoa erotuskyvyn (ts. mittakaavan) merkityksestä satelliittihavainnon mallintamisessa ja tulkinnassa. Tulokset osoittavat, että semi-empiirinen säteilynkuljetusyhtälöön perustuva heijastusmalli on pätevä lumipeitteen kaukokartoitukseen myös metsäisillä alueilla. Puustolla on merkittävä vaikutus lumipeitteisen maaston heijastuskykyyn sekä ajallisesti (muutokset kuvaus- ja valaistusgeometriassa) että paikallisesti (muutokset puuston ominaisuuksissa), mikä tulee huomioida mallinnuksessa. Puusto heikentää myös lumipeitteen kaukokartoituksessa paljon hyödynnetyn lumi-indeksin (Normalized Difference Snow Index) kykyä havaita lumiset alueet. Myös ohuella sulavalla lumipeitteellä on merkittävä vaikutus heijastussuhteisiin ja lumi-indeksiin kaikissa tutkituissa maanpeitetyypeissä, myös aukeilla. Tämä aiheuttaa suuria eroja havaittuihin arvoihin myös yksittäisten maanpeitetyyppien sisällä. Saavutetut tulokset tukevat optisten lumen kaukokartoitusmenetelmien kehitystä, niiden validointia ja alueellista parametrisointia.
Subject: Geofysiikka
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
EFFECTSO.pdf 2.284Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record