4. Metodyka badań
4.2. Modelowanie odbicia promieniowania od roślinności w zakresie pokrywy roślinnej
4.2.2. Łączony model PROSAIL
4.2.2.1. Pomiary terenowe i zastosowanie modelu PROSAIL
Pomiary terenowe do modelu PROSAIL odbywały się wyłącznie na terenie Mazowsza na obszarze 50 poligonów. Szczegółowe dane odnośnie do tych poligonów przedstawiono w tabeli 7.
Tab. 7. Zestawienia danych dotyczących pomiarów terenowych zastosowanych w modelu PROSAIL
Tab. 7. Test polygons data set for PROSAIL analysis
Lp.
Lp. 10 R13 22.07.2010 12:30 Równina Mszczonowska w
okolicach Radziejowic
52° 00,257'N 20° 35,991'E 11 R14 22.07.2010 12:40 Równina Mszczonowska w
okolicach Radziejowic
52° 00,241'N 20° 35,958'E 12 R15 22.07.2010 12:50 Równina Mszczonowska w
okolicach Radziejowic
52° 00,240'N 20° 35,949'E 13 R16 23.07.2010 11:35 Równina Mszczonowska w
okolicach Radziejowic
52° 00,241'N 20° 35,910'E 14 R17 22.07.2010 11:25 Równina Mszczonowska w
okolicach Radziejowic
52° 00,291'N 20° 36,236'E 15 R18 22.07.2010 10:55 Równina Mszczonowska w
okolicach Radziejowic
52° 00,293'N 20° 36,316'E 16 R19 22.07.2010 10:40 Równina Mszczonowska w
okolicach Radziejowic
52° 00,237'N 20° 36,386'E 17 R20 22.07.2010 10:30 Równina Mszczonowska w
okolicach Radziejowic
52° 00,124'N 20° 36,398'E 18 R21 23.07.2010 11:50 Równina Mszczonowska w
okolicach Radziejowic
52° 00,089'N 20° 35,890'E 19 R22 23.07.2010 11:45 Równina Mszczonowska w
okolicach Radziejowic
52° 00,089'N 20° 35,891'E 20 R23 23.07.2010 12:10 Równina Mszczonowska w
okolicach Radziejowic
52° 00,181'N 20° 35,808'E 21 R24 23.07.2010 12:20 Równina Mszczonowska w
okolicach Radziejowic
52° 00,181'N 20° 35,713'E 22 R25 23.07.2010 11:10 Równina Mszczonowska w
okolicach Radziejowic
52° 00,295'N 20° 36,251'E 23 R26 23.07.2010 10:40 Równina Mszczonowska w
okolicach Radziejowic
51° 53,523'N 20° 36,153'E 24 R27 23.07.2010 10:30 Równina Mszczonowska w
okolicach Radziejowic
51° 59,515'N 20° 36,146'E 25 R28 23.07.2010 10:45 Równina Mszczonowska w
okolicach Radziejowic
51° 59,527'N 20° 36,073'E 26 R29 23.07.2010 10:55 Równina Mszczonowska w
okolicach Radziejowic
51° 59,589'N 20° 35,688'E 27 R30 23.07.2010 11:05 Równina Mszczonowska w
okolicach Radziejowic
51° 59,615'N 20° 35,553'E 28 R31 23.07.2010 11:10 Równina Mszczonowska w
okolicach Radziejowic
51° 59,615'N 20° 35,553'E 29 R32 23.07.2010 12:30 Równina Mszczonowska w
okolicach Radziejowic
51° 59,615'N 20° 35,553'E
30 S1 4.08.2010/
10.08.2010* 09:30 Ziemia Zakroczymsko-Serocka w okolicach Serocka
52° 30,518'N 21° 02,044'E
31 S2 4.08.2010/
10.08.2010* 09:50 Ziemia Zakroczymsko-Serocka w okolicach Serocka
52° 30,559'N 21° 2, 017'E
32 S3 4.08.2010/
10.08.2010* 10:30 Ziemia Zakroczymsko-Serocka w okolicach Serocka
52° 31,552'N 21° 2,207'E
Lp.
10.08.2010* 14:00 Ziemia Zakroczymsko-Serocka w okolicach Serocka
52° 32,643'N 21° 01538'E
34 S5 4.08.2010/
17.08.2010* 11:40 Ziemia Zakroczymsko-Serocka w okolicach Serocka
52° 32,749'N 21° 01,673'E
35 S7 4.08.2010/
10.08.2010* 11:00 Ziemia Zakroczymsko-Serocka w okolicach Serocka
52° 31,464'N 21° 01,833'E
36 S8 4.08.2010/
17.08.2010* 11:00 Ziemia Zakroczymsko-Serocka w okolicach Serocka
52° 31,482'N 21° 01,079'E
37 S10 4.08.2010/
17.08.2010* 13:00 Ziemia Zakroczymsko-Serocka w okolicach Serocka
52° 33,169'N 20° 59,882'E
38 S11 4.08.2010/
17.08.2010* 13:40 Ziemia Zakroczymsko-Serocka w okolicach Serocka
52° 33,509'N 20° 59,217'E
39 S12 4.08.2010/
17.08.2010* 13:30 Ziemia Zakroczymsko-Serocka w okolicach Serocka
52° 33,517'N 20° 59,182'E
40 S13 4.08.2010/
17.08.2010* 13:50 Ziemia Zakroczymsko-Serocka w okolicach Serocka
52° 33,529'N 20° 59,176'E 41 S14 26.08.2010 10:20 Ziemia Zakroczymsko-Serocka w
okolicach Serocka
52° 33,266'N 20° 58,288'E 42 S15 26.08.2010 10:55 Ziemia Zakroczymsko-Serocka w
okolicach Serocka
52° 33,278'N 20° 58,198'E 43 S16 26.08.2010 11:36 Ziemia Zakroczymsko-Serocka w
okolicach Serocka
52° 33,288'N 20° 58,135'E 44 S17 26.08.2010 11:17 Ziemia Zakroczymsko-Serocka w
okolicach Serocka
52° 33,281'N 20° 58,196'E 45 S18 26.08.2010 12:10 Ziemia Zakroczymsko-Serocka w
okolicach Serocka
52° 33,3'N 20° 58,038'E 46 D1 12.08.2010 09:50 Dolina Środkowej Wisły w powiecie
otwockim
52° 2,36'N 21° 16,585'E 47 D2 12.08.2010 10:50 Dolina Środkowej Wisły w powiecie
otwockim
51° 45,073'N 21° 27,063'E 48 D3 12.08.2010 11:00 Dolina Środkowej Wisły w powiecie
garwolińskim 51° 45,953'N
21° 27,039'E 49 D4 12.08.2010 11:45 Dolina Środkowej Wisły w powiecie
garwolińskim 51° 44,289'N
21° 28,197'E 50 D5 12.08.2010 12:15 Dolina Środkowej Wisły w powiecie
garwolińskim
51° 44,299'N 21° 28,197'E
* – w tym dniu wykonywano pomiary spektrometryczne
* – spectral measurements were performed on this day
Każdy z 50 poligonów miał minimalne rozmiary 5 na 5 m. Pomiary przeprowadzano na wybranej powierzchni 25 m2 reprezentatywnej dla całego poligonu. Pobrano dane stanowiące dane wejściowe do modelu PROSAIL. Na każdym z poligonów wykonywano te same pomiary terenowe, które stanowiły podstawę do obliczania parametrów wejściowych do modelu, referencyjne krzywe odbicia spektralnego oraz pomiary dodatkowe.
Tak samo jak w przypadku pomiarów do modelu PROSPECT, pobrano krzywe odbicia spektralnego roślin przy użyciu spektrometru FieldSpec 3 FR w świetle naturalnym.
Pobierano od 10 do 25 krzywych odbicia spektralnego, które następnie uśredniano.
Charakterystyki spektralne pobierano z całego obszaru poligonu co 0,5 m. W ten sposób krzywa była reprezentatywna dla całego poligonu.
Wykonano także takie same pomiary jak w przypadku pomiarów do modelu PROSPECT: zawartość chlorofilu przy użyciu Chlorophyll Content Meter, biomasę świeżą z 0,25 m2 i pomiary Leaf Area Index za pomocą urządzenia LAI Plant Canopy Analizer.
Pomiary LAI wykonywano za każdym razem 15 razy pod powierzchnią roślinności i 3 razy nad nią.
Dwa parametry oceniono wizualnie: średni kąt nachylenia liści i udział suchych części roślin, który świadczy o zawartości brązowych pigmentów. Średni kąt nachylania liści był oceniany w zależności od rodzaju roślinności i udziału roślin wiechlinowatych. Im większy był udział roślin trawistych, tym większy był kąt nachylenia liści – zbliżał się do 90o. Udział części suchych wizualnie oceniono w procentach na podstawie próbki, która została pobrana do określania biomasy świeżej.
Określono średni rozmiar liści przez zmierzenie długości co najmniej 10 liści.
Zmierzono także średnią wysokość pokrywy roślinnej (H). Przy zróżnicowanej wysokości, co miało miejsce w przypadku wszystkich łąk nieuprawianych i części uprawianych o zróżnicowanej budowie, uśredniano wysokości z co najmniej 5 pomiarów. Wśród pomiarów dodatkowych rejestrowano dane odnośnie do lokalizacji poligonu za pomocą urządzenia GPS. W każdym punkcie zapisano datę i godzinę pomiaru. Określono także występujące na terenie gatunki roślin i typ zbiorowiska.
Wszystkie dane zostały zgromadzone w bazie danych. Następnie obliczono dane wejściowe do modelu PROSAIL. Część parametrów mogła być od razu wprowadzona do modelu, część wymagała zmian w jednostkach, inne były obliczane, a 4 parametry przyjęto jako stałe (wartości ustalono na podstawie literatury). Poniżej opisano metodę pozyskiwania kolejnych parametrów wejściowych.
Tak samo jak w przypadku pomiarów do modelu PROSPECT, obliczono zawartość chlorofilu (Cab) i karotenoidów (Car) w μg na cm2, ilość wody w roślinie w cm (Cw) i masy suchej w g/cm2 (Cm). Podobnie oszacowano początkowe wartości parametru strukturalnego N (Darvishzadeh, Skidmore, Schlerf, Atzberger, 2008; Clevers, Kooistra, Schaepman, 2010).
Powierzchnia projekcyjna liści była określona przez Leaf Area Index podawany w m2/m2. Parametr nie wymagał żadnych zmian, ponieważ w takiej postaci dane były pobierane w terenie przy użyciu LAI-2000 Plant Canopy Analyzer. Średni kąt nachylenia liści (angl) także nie wymagał dodatkowych przekształceń.
Następnie oszacowano zakres parametru określającego zawartość brązowych pigmentów w liściach (Cbrown). W roślinności łąkowej, szczególnie na terenach, gdzie wody gruntowe znajdowały się głęboko (Równina Mszczonowska), znaczący udział miała roślinność wysuszona. Wizualnie oceniono udział pożółkłych roślin od 0 do 70%, a średnio na 17%. Zakres podawany w literaturze obejmuje wartości od 0 dla roślinności zielonej, pozbawionej pigmentów brązowych, do 3, ewentualnie 6, dla roślin zupełnie wysuszonych (Houborg, Anderson, Daughtry, 2009; Verger, Baret, Camacho, 2011). Przyjęto, że wyłącznej zawartości części suchych (100%) będzie odpowiadała wartość parametru Cbrown 3, a całkowitemu ich brakowi (0%) wartość 0. Następnie zawartość części suchych wyrażona w procentach została proporcjonalnie przeliczona na wartości parametru w zakresie od 0 do 3.
Parametr określający jasność gleby (psoil) został ustalony jako stała wartość 1 na podstawie danych z literatury (Combal, Baret, Weiss, Trubuil, Macé, Pragnère, Myneni, Knyazikhin, Wang, 2002; Darvishzadeh, Skidmore, Schlerf, Atzberger, 2008). Wykorzystano średnią wartość z zakresu wymienionego w publikacjach od 0,5 do 1,5. Wartość 1 została użyta także do symulacji przy standardowej pokrywie roślinnej (Bacour, Jacquemoud Tourbier, Dechambre, Frangi, 2002; http://teledetection.ipgp.jussieu.fr/prosail/).
Kolejnym stałym elementem modelu był parametr określający stosunek promieniowania rozproszonego do bezpośredniego (skyl), którego wartość ustalono na 70%.
W tym przypadku także wzorowano się na standardowej wartości podanej przez twórców modelu (http://teledetection.ipgp.jussieu.fr/prosail/).
Kolejne dwa parametry opisują efekt hot spot. Pierwszy z nich (hspot) jest określony przez stosunek rozmiaru liści do wysokości pokrywy roślinnej (Kuusk, 1991; Verhoef, 1985;
Verhoef, Bach, 2007; Darvishzadeh, Skidmore, Schlerf, Atzberger, 2008). Wartość minimalna to 0,001, a maksymalna 1 (Verger, Baret, Camacho, 2011). W przypadku roślinności łąkowej używano wartości od 0,05 do 0,1 (Darvishzadeh, Atzberger, Skidmore, Schlerf, 2011). Jako wzorcową wartość w symulacji krzywych używano 0,25 (Bacour, Jacquemoud, Tourbier, Dechambre, Frangi, 2002).
Parametr był obliczany z danych zmierzonych w terenie. Rozmiar liści był określany za pomocą długości odcinka (d), jaki powstaje po zrzutowaniu długości liści na płaszczyznę poziomą (ryc. 6.). Wartość hspot była obliczona na podstawie średniego kąta nachylenia liści (angl), długości liścia mierzonej w terenie (a) i wysokości pokrywy roślinnej – H, według następujących wzorów:
;
.
Ryc. 6. Sposób obliczania parametru hspot: d – długość cienia liścia rzutowanego na płaszczyznę poziomą, H – wysokość pokrywy roślinnej, a – długość liścia
Fig. 6. The method of hspot parameter calculation: d – the leaf shadow length, H – canopy height, a – leaf length
W przypadku drugiego parametru (ihot) ustalono wartość stałą – równą 1. Przyjęta wartość jest określona dla standardowej pokrywy roślinności, założona przez twórców tej wersji modelu (http://teledetection.ipgp.jussieu.fr/prosail/).
Ostatnim etapem było określenie kątów opisujących geometrię odbicia. Na podstawie godziny, daty i miejsca pomiaru obliczono kąt zenitalny Słońca (tts) podczas każdego pomiaru oddzielnie. Wykorzystano do tego kalkulator umieszczony na stronie:
http://www.usno.navy.mil/USNO/astronomical-applications/data-services/alt-az-world.
Parametr ten przybierał wartości od 32 do 52o.
Jako stałe określono kąty zenitalny (tto) i azymutalny (psi) urządzenia pomiarowego.
Spektrometr zawsze był ustawiany w ten sam sposób – prostopadle do pokrywy roślinnej bezpośrednio nad miejscem pomiaru; oba kąty były równe 0o. W ten sam sposób była określana geometria odbicia w literaturze (Haboudane, Miller, Tremblay, Zarco-Tejada, Dextraze, 2002; Haboudane, Miller, Pattey, Zarco-Tejada, Strachan, 2004; Zarco-Tejada, Miller, Harron, Hu, Noland, Goel, Mohammed, Sampson, 2004; Botha, Leblon, Zebarth, Watmough, 2007; Darvishzadeh, Skidmore, Schlerf, Atzberger, 2008).
Część danych była ustalona jako stałe niezależnie od poligonu. Były to parametry:
(psoil) – określający jasność gleby, (skyl) – określający stosunek promieniowania rozproszonego do bezpośredniego, jeden z parametrów opisujących efekt nadmiernego odbicia (ihot) i parametry opisujące położenie spektrometru (tto i psi). Zawartość chlorofilu (Cab), karotenoidów (Car), materii suchej (Cm), ilość wody (Cw), zawartość brązowych
pigmentów (Cbrown), Leaf Area Index (LAI), średni kąt nachylenia liści (ala), jeden z parametrów określający efekt nadmiernego odbicia (hspot) oraz kąt zenitalny Słońca (tts) były obliczane na podstawie wartości zmierzonych w terenie. Parametr strukturalny N wymagał dopasowania do poszczególnych zbiorowisk roślinnych. Tak samo jak w przypadku modelu PROSPECT, określenie jednej wartości parametru dla każdego z poligonów okazało się niemożliwe ze względu na niejednorodność środowiska.
Krzywe odbicia spektralnego zgromadzono w bazie danych. Dla każdego z poligonów uśredniono krzywe i usunięto te same zakresy, co w przypadku modelowania z użyciem modelu PROSPECT, tzn. 1,35-1,4 µm, 1,81-1,945 µm i 2,45-2,5 µm.
Po obliczeniu parametrów wejściowych kolejnym etapem było dokończenie fragmentu kodu programu PROSAIL, aby możliwe było wczytanie krzywych i uzyskanie krzywych odbicia spektralnego zapisywanych do pliku. Nie wpłynęło to na modyfikowanie działania samego programu. Następnie wprowadzano dane wejściowe do modelu z każdego poligonu indywidualnie.
Ostatecznie opracowanie wyników odbyło się na dwóch zbiorach danych: pierwszy z nich zawierał wartości bezpośrednio obliczone z pomiarów terenowych, a jedynym dopasowywanym parametrem z każdego poligonu był parametr strukturalny (zestaw PROSAIL-1). Po wstępnym porównaniu z krzywą odbicia spektralnego zmierzoną w terenie okazało się, że wartości bardzo różnią się od wzorcowych pomiarów. Zdecydowano się na zmodyfikowanie danych wejściowych i utworzenie drugiego zbioru danych wejściowych (zestaw PROSAIL-2).
Zmieniano wartość parametrów Cab (a tym samym Car) i Cw, tak, aby zredukować wartość błędu w przypadku każdego z poligonów. Podobną procedurę przeprowadzono w czasie modelowania z użyciem modelu PROSPECT, jednak dopasowane wartości Cab i Cw nie były takie same w obu modelach. W obu zestawach danych (PROSAIL-1 i -2) parametr strukturalny N był taki sam. Ze względu na rolnicze użytkowanie łąk, najbardziej istotnym parametrem była zawartość masy suchej i biomasa określona przez LAI, dlatego te parametry pozostały niezmienne. Pozostałe parametry (Cbrown, angl, psoil, skyl, hspot, ihot, tts, tto i psi) także nie były modyfikowane, miały takie same wartości w każdym z zestawów. Zakresy wszystkich parametrów z dwóch zestawów zamieszczono w tabeli 8, a szczegółowe dane wejściowe z każdego z poligonów w załączniku 4 w przypadku zastawu danych PROSAIL-1 i załączniku 5 – PROSAIL -2.
Dane wejściowe do modelu PROSAIL także w badaniach innych autorów były ustalane jako stałe, niezależnie od tego, jak zmieniają się w rzeczywistości. Taka procedura
była zastosowana w czasie inwersji, kiedy autorzy skupiają się na kluczowych parametrach (Casa, Baret, Buis, Lopez-Lozano, Pascucci, Palombo, Jones, 2010; le Maire, Marsden, Verhoef, Ponzoni, Seen, Bégué, Stape, Nouvellon, 2011). Tylko część danych była mierzona w terenie, znaczną część ustalano jako stałe lub w postaci przedziału. Jest to szczególnie istotne, jeśli kolejnym etapem badań jest inwersja modelu i pozyskanie jednej, konkretnej zmiennej z krzywych odbicia spektralnego. W przypadku modelu PROSAIL najczęściej był to parametr LAI, a także zawartość wody i chlorofilu (Jacquemoud, Verhoef, Baret, Bacour, Zarco-Tejada, Asner, François Ustin, 2009). Wtedy pozostałe parametry były często ustalane jako stałe lub o określonych przedziałach.
Tab. 8. Zakres wartości parametrów wejściowych do modelu PROSPECT przy dwóch różnych zestawów
Cw zakres cm 0,0002-0,0103 0,0094-0,1337
Cm zakres g/cm2 0,006-0,0933