Pomiary terenowe i zastosowanie modelu PROSPECT

Pomiary terenowe do modelu PROSPECT odbywały się na 22 poligonach znajdujących się na Pogórzu Karpackim i na Mazowszu. Informacje o wykorzystanych poligonach przedstawiono w tabeli 3.

Tab. 3. Zestawienia danych odnośnie pomiarów terenowych zastosowanych w modelu PROSPECT

Tab. 3. Test polygons data set for PROSPECT analysis

Lp. 1 T1 24.07.2009 10:00 Pogórze Gorlickie, wierzchowina 49° 38,416'N

21° 6,913'E 2 T6 24.07.2009 10:30 Pogórze Gorlickie, wierzchowina 49° 38,52'N 21° 6,934'E 3 T9 24.07.2009 12:15 Pogórze Gorlickie, wierzchowina 49° 38,342'N

21° 6,909'E 4 P1.2 23.07.2009 09:30 Pogórze Gorlickie, wierzchowina 49° 37,875'N

21° 6,461'E 5 P2.1 23.07.2009 11:30 Pogórze Gorlickie, dolina Bystrzanki 49° 38,004'N

21° 6,983'E 6 P2.2 23.07.2009 12:00 Pogórze Gorlickie, dolina Bystrzanki 49° 37,987'N

21° 7,003'E 7 P2.3 23.07.2009 12:30 Pogórze Gorlickie, dolina Bystrzanki 49° 38,009'N

21° 7,017'E 8 R12 22.07.2010 12:20 Równina Mszczonowska w okolicach

Radziejowic

52° 00,259N 20° 36,015E 9 R13 22.07.2010 12:30 Równina Mszczonowska w okolicach

Radziejowic

52° 00,257N 20° 35,991E 10 R16 23.07.2010 11:35 Równina Mszczonowska w okolicach

Radziejowic

52° 00,241N 20° 35,910E 11 R20 22.07.2010 10:30 Równina Mszczonowska w okolicach

Radziejowic

52° 00,124N 20° 36,398E 12 R22 23.07.2010 11:45 Równina Mszczonowska w okolicach

Radziejowic

52° 00,089N 20° 35,891E 13 R30 23.07.2010 11:05 Równina Mszczonowska w okolicach

Radziejowic

51° 59,615N 20° 35,553E 14 R31 23.07.2010 11:10 Równina Mszczonowska w okolicach

Radziejowic

51° 59,615N 20° 35,553E

15 S10 4.08.2010/

17.08.2010* 13:00 Ziemia Zakroczymsko-Serocka w okolicach Serocka

52° 33,169N 20° 59,882E

16 S11 4.08.2010/

17.08.2010* 13:40 Ziemia Zakroczymsko-Serocka w okolicach Serocka

52° 33,509N 20° 59,217E

17 S12 4.08.2010/

17.08.2010* 13:30 Ziemia Zakroczymsko-Serocka w okolicach Serocka

52° 33,517N 20° 59,182E 18 S14 26.08.2010 10:20 Ziemia Zakroczymsko-Serocka w

okolicach Serocka

52° 33,266N 20° 58,288E 19 S18 26.08.2010 12:10 Ziemia Zakroczymsko-Serocka w

okolicach Serocka

52° 33,3N 20° 58,038E 20 D1 12.08.2010 09:50 Dolina Środkowej Wisły w powiecie

otwockim

52° 2,36N 21° 16,585E 21 D4 12.08.2010 11:45 Dolina Środkowej Wisły w powiecie

garwolińskim 51° 44,289N

21° 28,197E 22 D5 12.08.2010 12:15 Dolina Środkowej Wisły w powiecie

garwolińskim 51° 44,299N

21° 28,197E

* – w tym dniu wykonywano pomiary spektrometryczne

* – spectral measurements were performed on this day

Na Pogórzu Gorlickim pomiary wykonano 23 i 24 lipca 2009 na obszarze 7 poligonów. Każdy z nich miał wielkość co najmniej 10000 m². Trzy poligony znajdowały się na wierzchowinie garbu pogórskiego Taborówka, jeden na wierzchowinie Wiatrówek

i trzy w dnie doliny rzeki Bystrzanki. Poligony zostały wybrane na podstawie zróżnicowania roślinności. Na każdym z poligonów wybrano obszar reprezentatywny wielkości około 25 m², gdzie dokonywano szczegółowych pomiarów.

Obszar badawczy na Mazowszu obejmował 15 poligonów, zlokalizowanych w trzech różnych regionach geograficznych. Punkty zostały dobrane tak, aby reprezentowały najbardziej zróżnicowane kategorie łąk. Na każdym z poligonów również wybrano pole o powierzchni około 25 m², który reprezentował całą badaną powierzchnię, i na nim wykonywano pomiary.

Na Równinie Mszczonowskiej pomiary wykonywano na terenie 7 poligonów, w dniach 22 i 23 lipca 2010, na Ziemi Zakroczymsko-Serockiej również na 7 poligonach 4, 17 i 26 sierpnia 2010 i w Dolinie Środkowej Wisły na 3 poligonach 8 sierpnia 2010 roku.

W czasie badań terenowych na każdym z wyznaczonych poligonów na Mazowszu i pogórzu Gorlickim pobrano krzywe odbicia spektralnego, dane wejściowe do modelu PROSPECT, współrzędne geograficzne oraz wykonano dodatkowe pomiary.

Pomiary krzywych odbicia spektralnego wykonano przy użyciu spektrometru ASD FieldSpec 3 FR w świetle naturalnym. Spektrometr mierzy współczynnik odbicia w 1151 kanałach spektralnych o szerokości połówkowej około 3 nm w zakresie od 350 do 2500 µm, następnie rozdzielczość spektralna podwyższana jest tak, aby pomiary współczynnika odbicia były pobierane co 1 µm. Przed pomiarem na każdym z poligonów dokonywano kalibracji przez pomiar wzorca bieli i czerni. Nie w każdym przypadku kalibracja spektrometru była udana, dlatego w zakresach absorpcji wody pomiary są zafałszowane. W czasie pomiarów na Pogórzu Gorlickim błąd wystąpił w zakresie od 1,81 do 1,95 µm, natomiast na Mazowszu w trzech zakresach: 1,35-1,4, 1,81-1,945 i 2,45-2,5 µm. W celu ujednolicenia pomiarów i ułatwienia porównania krzywych odbicia spektralnego z każdego poligonu pobrano co najmniej 10 krzywych odbicia spektralnego, a następnie uśredniono je, aby dla każdego z poligonów powstała jedna krzywa odbicia spektralnego reprezentująca cały poligon.

Pomiary wejściowe do modelu PROSPECT obejmowały pomiary chlorofilu, masy suchej i zawartości wody. Zawartość chlorofilu mierzono za pomocą urządzenia CCM-200 Chlorophyll Content Meter, które nieinwazyjnie mierzy wskaźnik Chlorophyll Content Index.

Urządzenie określa wartość wskaźnika na podstawie wielkość odbicia w dwóch zakresach:

pierwszy to zakres absorpcji chlorofilu w świetle czerwonym, a drugi z zakresu bliskiej podczerwieni, który kompensuje inne czynniki, takie jak grubość liścia (http://www.optisci.com/ccm200.htm). Na każdym poligonie wykonano po 10 pomiarów chlorofilu, które następnie uśredniono. Wykonano pomiary tak, aby liczba próbek każdego

z gatunków była proporcjonalna do jej udziału w pokrywie roślinnej. Podobnego sprzętu używano w analizie zawartości chlorofilu przy określaniu danych wejściowych do modelu PROSAIL (Botha, Leblon, Zebarth, Watmough, 2007; Darvishzadeh, Skidmore, Schlerf, Atzberger, 2008).

Zawartość wody i masa sucha były określone przez zważenie biomasy świeżej i suchej. Na każdym poligonie wybrano obszar reprezentujący go o wielkości 0,25 m², z którego ścięto biomasę. Świeża biomasa została zważona, a następnie wysuszona i ponownie zważona jako biomasa sucha.

Wykonano także pomiary powierzchni projekcyjnej liści (Leaf Area Index). Pomiary LAI wykonane były urządzeniem LAI-2000 Plant Canopy Analyzer, które liczy powierzchnię projekcyjną liści na 1 m². Urządzenie porównuje ilość promieniowania rozproszonego, które dociera do urządzenia nad pokrywą roślinną, z ilością promieniowania rozproszonego docierającego do urządzenia pod baldachimem.

Wyniki pomiarów z obu obszarów badawczych zostały przeliczone na dane wejściowe we właściwych jednostkach. Zawartość chlorofilu z wartości CCI zostały przeliczone za ilość w mikrogramach według wzoru: Cab=36,625×CCI+624,31, który był ustalony empirycznie w badaniach dla tego instrumentu. Zależność tę ustalono na podstawie ponad 200 losowo wybranych punktów. Mierzono zawartość chlorofilu instrumentem, a potem badano laboratoryjnie zawartość chlorofilu w μg w tej samej roślinie. Następnie obliczona zawartość chlorofilu z każdego poligonu pomiarowego została podzielona przez powierzchnię liści w cm², która była uzyskana z pomiarów Leaf Area Index. Zawartość karotenoidów przeliczono na podstawie zależności karotenoidów w stosunku do chlorofilu w zdrowych roślinach. Przeliczono je na podstawie wzoru: Car=Cab/5.

Zawartość masy suchej obliczono, dzieląc ilość masy suchej w gramach przez wartość LAI w cm². Zawartość wody obliczono na podstawie różnicy wagi między biomasą świeżą a suchą. Ilość wody zważoną w pomiarach przeliczono na zawartość w procentach i zawartość wody w 1 cm³, a następnie na cm, dzieląc przez powierzchnię projekcyjną liści w cm².

Ostatnią daną wejściową jest parametr strukturalny N, który był na początku obliczany na podstawie wartości SLA. W badaniach wykorzystano obydwa wymienione wcześniej wzory (str. 49). Parametr SLA został wyliczony z danych o powierzchni projekcyjnej liści, gdzie LAI jest mierzony na 1 m², a masa sucha została pobrana z powierzchni 0,25 m². Po obliczeniu parametru SLA został obliczony N za pomocą obydwu wzorów. W obu sposobach obliczania wartość danych wahała się od 0,9 do 1, co oznacza, że żaden ze wzorów

nie może być zastosowany, ponieważ minimalną wartością parametru N jest 1 (Jacquemoud, Baret, 1990).

Następnie na podstawie danych z literatury wartość wyznaczono jako 1, ze względu na przewagę traw w zbiorowiskach (Jacquemoud, Baret, 1990). W czasie modelowania wartość współczynnika odbicia okazała się jednak zbyt mała, na co wpływa głównie wartość parametru strukturalnego (Damarez, Gastellu-Etchegorry, 2000; Ceccato, Flasse, Tarantola, Jacquemoud, Grégorie, 2001). Wartości parametru N określono empirycznie w odniesieniu do każdego poligonu indywidualnie. Nie było możliwe założenie jednej wartości dotyczącej wszystkich poligonów, co jest prawdopodobnie związane z dość dużym zróżnicowaniem badanego środowiska.

Program PROSPECT składał się z 3 podprogramów, które wcześniej opisano.

Konieczne było dopisanie fragmentu kodu łączącego wszystkie podprogramy, zapisującego wynik w postaci tablicy opisującej każdą modelowaną krzywą odbicia spektralnego.

Następnie wykonano modelowanie przy użyciu dwóch zestawów danych. W pierwszym zestawie (zestaw PROSPECT-1) utworzono krzywe odbicia spektralnego na podstawie danych obliczonych bezpośrednio z pomiarów terenowych. Empirycznie dopasowano w każdym poligonie jedynie parametr strukturalny. Po analizie uzyskanych krzywych odbicia spektralnego stwierdzono, że wygenerowane spektra znacząco różnią się od danych uzyskanych z pomiarów terenowych. Szczególnie widoczne było znaczne niedoszacowanie parametru określającego zawartość wody, a także zbyt duża zawartość chlorofilu. Dlatego wygenerowano drugi zestaw krzywych (zestaw PROSPECT-2), w którym empirycznie dopasowano parametr określający zawartość chlorofilu, a tym samym karotenoidów, ponieważ parametry są ze sobą związane, i zawartość wody. W przypadku każdego poligonu zastosowano te same wartości parametru N, co w przypadku pierwszego zestawu PROSPECT-1. Niezmieniona została wartość parametru określającego zawartość masy suchej, ponieważ bezpośrednio przekłada się on na ilość wysuszonej masy, czyli masę siana.

W badaniach innych autorów dane wejściowe często były ustalane jako stałe ściśle określone lub jako przedziały danych. Ze względu na trudności w pobieraniu dużej ilości danych nie wszystkie są mierzone w terenie. Procedura taka była stosowana także w modelowaniu z użyciem PROSPECT (Ceccato, Flasse, Tarantola, Jacquemoud, Grégorie, 2001; Zarco-Tejada, Miller, Harron, Hu, Noland, Goel, Mohammed, Sampson, 2004). W badaniach prowadzonych przez innych autorów symulowano krzywe, używając parametrów określonych przez przedział wartości (le Maire, Francois, Dufrêne, 2004).

Tab. 4. Zakres wartości parametrów wejściowych do modelu PROSPECT dla dwóch różnych zestawów danych

Tab. 4. The value ranges of input parameters for the two different PROSPECT data sets

Oznaczenie parametru Parameter

Dane wejściowe Input data Jednostki

Units PROSPECT-1 PROSPECT-2

Cab μg/cm² 29-382 28-164

Car μg/cm² 6-76 6-33

Cw cm 0,0004-0,0101 0,0079-0,0564

Cm g/cm² 0,0048-0,0933

N - 1-4,5

Zakres parametrów obu zestawów został zamieszczony w tabeli 4. Dane wejściowe do modeli dotyczących każdego z poligonów zostały zamieszczone w załączniku 2 (zestaw PROSPECT-1) i załączniku 3 (zestaw PROSPECT-2).

4.2. Modelowanie odbicia promieniowania od roślinności w zakresie