بررسی تأثیر روش‌های مختلف تصحیح اتمسفری در برآورد زی‌توده جنگل با استفاده از شاخص‌های گیاهی

نوع مقاله : علمی - پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری مدیریت جنگل، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه گیلان، صومعه‌سرا، ایران

2 استاد، گروه جنگلداری، دانشکده منابع طبیعی دانشگاه گیلان، صومعه‌سرا، ایران

چکیده

مقدمه و هدف: بازتاب سطح زمین به‌طور قابل­توجهی تحت تأثیر شرایط جوی مانند بخار آب و ذرات معلق در هوا است. به ویژه، اثرات جذب و پراکندگی زمانی قوی­تر می­شوند که ویژگی­های هدف، اجسام غیر درخشان مانند مناطق آبی یا پوشش گیاهی باشند؛ بنابراین به عنوان رویکرد سنجش از دور، تصحیح اتمسفر برای به حداقل رساندن این اثرات و تبدیل مقادیر عدد رقومی به بازتاب سطحی مورد نیاز است. این پژوهش با هدف بررسی چهار مدل تصحیح اتمسفریک، شامل (1) تفریق شئ تیره (DOS)، (2) تحلیل اتمسفری خط دید سریع ابرمکعب‌های طیفی (FLAASH)، (3) شبیه‌سازی دوم سیگنال ماهواره‌ای در طیف خورشیدی (6SV)، (4) مدل تصحیح توپوگرافی اتمسفر (ATCOR) و مقایسه آنها با تصویر اصلی سنجنده OLI برای تخمین مقدار زی­توده روی زمینی (AGB) جنگل سری 11 آواردیم حوزۀ نه شفارود استان گیلان انجام شد تا اثربخشی روش­های تصحیح اتمسفریک برای ماهواره 8Landsat  بررسی شود.
مواد و روش­ها: برای برآورد زی­توده، تعداد 246 قطعه‌نمونه 3600 مترمربعی با ابعاد شبکه 300 × 300 متر به‌صورت منظم تصادفی در عرصه پیاده شد. برای نمونه­برداری و پیدا کردن قطعات نمونه از دستگاه GPS دستی (مدل Garmin GPS MAP 64s با دقت 3± متر)  استفاده شد و برای این کار قبل از شروع آماربرداری طول و عرض جغرافیایی نقاط (قطعات نمونه) را وارد دستگاه GPS کرده و سپس با استفاده از دستگاه فوق قطعات نمونه در عرصه مشخص و مشخصه‌های قطر برابرسینه، ارتفاع درختان و درختچه‌های موجود (قطر بیش از 5/7 سانتی‌متر) اندازه‌گیری و سپس در فرم­های مربوطه ثبت شد. تصاویر سنجنده OLI ماهواره لندست 8 از سایت جهانی USGS استخراج شد. انتخاب تصاویر با توجه به فصل، میزان حداقل پوشش ابری و همچنین در فصل رویش نزدیکی به زمان حداکثر سبزینگی انجام شد. این تصاویر در سطح L1T ارائه شده و با نقشه‌های رقومی کاملاً انطباق دارد. در این تحقیق از 7 باند سنجنده OLI ماهواره لندست 8 مربوط به گذر/ ردیف شماره 34/166 استفاده شده است. ماهواره ترا قبل از عبور ماهواره لندست 8 بر فراز ایران با اختلاف زمانی حدود نیم ساعت به وقت محلی تهیه تصویر می­نماید. با توجه به پایدار بودن شرایط اتمسفر در این اخلاف زمانی کم امکان استفاده از اطلاعات MODIS هم گام با لندست 8 وجود دارد. همچنین در این پژوهش از سه محصول روزانه MODIS برای هر یک از تصاویر لندست 8 باقدرت تفکیک مکانی 500 متر، شامل: MOD04 (ضخامت نوری ذرات معلق در محدودۀ 550 میکرومتر)، MOD05 (بخار آب) و MOD07 (ازن کل)، استفاده شد. DEM حاصل از ASTER باقدرت تفکیک مکانی 30 متر از سایت جهانی USGS دریافت شد. از مدل DEM به‌طور مستقیم در روش تصحیح اتمسفری SV6 استفاده گردید. همچنین برای روش تصحیح اثر اتمسفر ATCOR مدل DEM جهت تهیه نقشه شیب، جهت، دید آسمان مورداستفاده قرار گرفت.
یافته­ها: نتایج نشان داد که مدل تصحیح اتمسفریک بر مبنای کد انتقال تابشی SV6 در بیشتر شاخص‌های گیاهی حاصله از داده‌های سنجنده OLI ماهواره لندست 8 عملکرد مطلوبی داشته است. بالاترین نتایج آنالیز همبستگی را شاخص ARVI حاصل از مدل تصحیح اتمسفری SV6 با ضریب همبستگی 801/0 به خود اختصاص داده است. همچنین در حالت استفاده از روش  FLAASH بیشترین و کمترین میزان همبستگی را به ترتیب شاخص‌های ARVI (779/0) و RVI (586/0) به خود اختصاص داده‌اند. در روش تصحیح اتمسفریک DOS یا شئ تیره بیشترین و کم‌ترین میزان همبستگی به ترتیب مربوط به شاخص‌های GARI (762/0) و EVI (518/0) است و در آخر در روش ATCOR بیشترین و کم‌ترین میزان همبستگی به ترتیب مربوط به شاخص‌های NDVI (732/0) و GNDVI (454/0) است. به‌طورکلی، در برآورد مقدار زی­توده جنگل، مدل تصحیح اتمسفریک SV6 با کمترین درصد RMSE (04/15 درصد) بهترین عملکرد را نشان داد و پس از آن مدل‌های FLAASH، ATCOR و DOS بیشترین دقت را داشتند.
نتیجه­گیری کلی: برآورد و پایش میزان بیوماس روی زمینی برای مطالعات تغییر اقلیم، تولید چرخه کربن، تخصیص مواد غذایی و انباشت سوخت، مطالعات رفتار آتش و ... در اکوسیستم ضروری است. همچنین اعمال تصحیحات اتمسفری بر روی باندهای اصلی تصاویر در فرایند پیش­پردازش قبل از طبقه­بندی و استخراج شاخص­های گیاهی جهت رفع اثرات ناخواسته اتمسفر امری ضروری و اجتناب­ناپذیر است و سبب بهبود صحت نتایج می‌شود. از نتایج به‌دست ‌آمده در پژوهش حاضر می‌توان پیشنهاد کرد که مدل تصحیح اتمسفریک SV6، با ادغام بخار آب و عمق نوری آئروسل حاصل از محصولات MODIS، برای تخمین زی­توده روی زمینی بر اساس داده‌های سنجش‌ازدور مناسب‌تر است، به‌ویژه هنگام استفاده از داده‌هایی که در تابستان به­دست می‌آیند، زمانی که بخار آب و دما هر دو بالا است و تاج پوشش جنگل در توسعه کامل است.در نهایت، پیشنهاد می‌شود که از مدل تصحیح اتمسفریک SV6 برای برآورد زی­توده روی زمینی جنگل موردبررسی بر اساس داده‌های سنجش‌ازدور استفاده شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Investigating the effect of different atmospheric correction methods in forest biomass estimation using Vegetation indices

نویسندگان [English]

  • Ismaeil Moradi Emam Gheysi 1
  • Amir Eslam Bonyad 2
1 Ph.D. student of forest management, Department of Forestry, Faculty of Natural Resources, Gilan University, Soume-Sera, I. R. Iran
2 Professor, Department of Forestry, Faculty of Natural Resources, Gilan University, Soumesara, I. R. Iran
چکیده [English]

Background and objectives: Earth's surface reflection is significantly affected by atmospheric conditions such as water vapor and particulate matter; therefore, atmospheric correction is needed to minimize these effects and convert digital number values to surface reflection. Therefore, as a remote sensing approach, atmospheric correction is required to minimize these effects and convert digital number (DN) values ​​to surface reflectance. The main objective of this research was to study of four atmospheric correction models, including (1) dark object subtraction (DOS), (2) fast line-of-sight atmospheric analysis of spectral hypercube (FLAASH), (3) the second simulation of the satellite signal in solar spectrum (6SV), (4) atmospheric topographic correction (ATCOR) model and their comparison with the OLI original image for estimation of the aboveground biomass (AGB) in the forests of Avardim of the Shafarood watershed, Guilan province.
Methodology: In order to estimate of biomass, 246 plots (3600 m2) were established as systematic-random sampling pattern with 300m×300m dimensions and DBH, height of trees and shrubs were measured. A handheld GPS device (Garmin GPS MAP 64s with an accuracy of ±3 meters) was used for sampling and finding the sample pieces, and for this purpose, before starting the statistics, the latitude and longitude of the points (all sample pieces) were entered into the GPS device. And then, using the above device, the sample parts were determined in the field and the characteristics of the diameter at the chest, the height of the existing trees and shrubs (diameter more than 7.5 cm) were measured and then recorded in the relevant forms. The OLI sensor images of Landsat 8 satellite were extracted from the USGS global site. The selection of images was done according to the season, the amount of minimum cloud cover and also in the growing season close to the time of maximum greenness. These images are presented at L1T level and fully compatible with digital maps. In this research, 7 OLI sensor bands of Landsat 8 satellite related to pass/row number 166/34 have been used. Before the Landsat 8 satellite passes over Iran, Terra satellite prepares images with a time difference of about half an hour to local time. Due to the stability of the atmospheric conditions, it is possible to use MODIS information in step with Landsat 8. Also, in this research, three daily MODIS products were used for each of the Landsat 8 images with a spatial resolution of 500 meters, including: MOD04 (optical thickness of suspended particles in the range of 550 micrometers), MOD05 (water vapor) and MOD07 (total ozone). The DEM obtained from ASTER with a spatial resolution of 30 meters was obtained from the USGS global site. The DEM model was directly used in the SV6 atmospheric correction method. Also, DEM model was used for the atmospheric effect correction method of ATCOR to prepare the map of slope, direction, sky visibility.
Results: The results showed that the atmospheric correction model based on 6SV radiative transfer code had a good performance in most of the plant indices obtained from the OLI sensor data of Landsat 8 satellite. The ARVI index obtained from the 6SV atmospheric correction model has the highest correlation analysis results with a correlation coefficient of 0.801. Also, in the case of using the FLAASH method, ARVI (0.779) and RVI (0.586) indices have the highest and lowest correlations, respectively. In the DOS or dark object atmospheric correction method, the highest and lowest correlations are related to GARI (0.762) and EVI (0.518) indices, respectively, and finally, in the ATCOR method, the highest and lowest correlations are respectively related to NDVI indices (732.0) and GNDVI (0.454). In general, in estimating forest biomass, 6SV atmospheric correction model showed the best performance with the lowest RMSE percentage (15.04%), followed by FLAASH, ATCOR and DOS models.
Conclusion: Estimating and monitoring the amount of biomass on land is necessary for climate change studies, carbon cycle production, food allocation and fuel accumulation, fire behavior studies, etc. in the ecosystem. Also, applying atmospheric corrections on the main bands of the images in the pre-processing process before classifying and extracting plant indices is necessary and unavoidable to remove the unwanted effects of the atmosphere and it improves the accuracy of the results. From the results obtained in the present study, it can be suggested that the 6SV atmospheric correction model, with the integration of water vapor and aerosol optical depth obtained from MODIS products, is more suitable for the estimation of terrestrial zinc based on remote sensing data, especially when using the data in are obtained in summer, when water vapor and temperature are both high and the forest canopy is in full development. Finally, it is suggested to use the 6SV atmospheric correction model to estimate of aboveground biomass based on remote sensing data.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Atmosphere
  • Biomass
  • Landsat 8
  • Classification
  • 6SV
Agapiou, A.; Hadjimitsis, D.G.; Papoutsa, C.; Alexakis, D.D.; Papadavid, G., The Importance of Accounting for Atmospheric Effects in the Application of NDVI and Interpretation of Satellite Imagery Supporting Archaeological Research: The Case Studies of Palaepaphos and Nea Paphos sites in Cyprus. International Journal of Remote Sensing 2011, (3), 2605- 2629
Ali, A.; Xu, M.-S.; Zhao, Y.-T.; Zhang, Q.-Q.; Zhou, L.-L.; Yang, X.-D.; Yan, E.-R., Allometric biomass equations for shrub and small tree species in subtropical China. Silva Fennica 2015, (49), 1-10. (In Persian).
Canty, M., Automatic Radiometric Normalization of Multitemporal Satellite Imagery with the Iteratively Re-Weighted MAD Transformation. Remote Sensing of Environment 2008, 112 (3), 1025- 1036.
Chander, G.; Markham, B.L; Helder, D.L., Summary of Current Radiometric Calibration Coef cients for Landsat MSS, TM, ETM+, and EO-1 ALI Sensors. Remote Sensing of Environment 2009, 113 (5), 893-903.
Crippen, R.E, Calculating the Vegetation Index Faster. Remote Sensing of Environment 1990, (34), 71- 73.
Muchsin, F.; Dirghayu, D.; Prasasti, I.; Rahayu, M.I.; Fibriawati, L.; Pradono, K.A., Comparison of atmospheric correction models: FLAASH and 6S code and their impact on vegetation indices (case study: paddy field in Subang District, West Java). The 4th International Conference of Indonesian Society for Remote Sensing. 2019.
Feng, M.; Sexton, J.O.; Huang, C.; Masek, J.G.; Vermote, E.F.; Gao, F.; Narasimhan, R.; Channan, S.; Wolfe, R.E.; Townshend, J.R., Global surface reflectance products from Landsat: Assessment using coincident MODIS observations. Remote Sensing of Environment 2013, 134 (1), 276-293.
Gitelson, A.A.; Kaufman, Y.J.; Merzlyak, M.N., Use of a Green Channel in Remote Sensing of Global Vegetation from EOS-MODIS. Remote Sensing of Environment 1996, (58), 289- 298.
Hu, Y.; Liu, L.; Liu, L.; Peng, D.; Jiao, Q.; Zhang, H., A Landsat-5 Atmospheric Correction Based on MODIS Atmosphere Products and 6S Model. Applied Earth Observations and Remote Sensing 2014, 7 (5), 1609-
Huete, A.R., A Soil-Adjusted Vegetation Index (SAVI). Remote Sensing of Environment 1988, (25), 295- 309.
Jordan, C.F., Derivation of Leaf Area Index from Quality of Light on Forest Floor. Ecology 1969, (50), 663- 666.
Ju, J.; Roy, D.P.; Vermote, E.; Masek, J.; Kovalskyy, V., Continental-Scale Validation of MODIS-Based and LEDAPS Landsat ETM+ Atmospheric Correction Methods. Remote Sensing of Environment 2012, (122), 175- 184.
Kaufman, Y.J.; Tanré, D., Atmospherically Resistant Vegetation Index (ARVI) for EOS-MODIS, IEEE Trans. Geosci. International Journal of Remote Sensing, 1992, 30 (2), 261- 270.
King, M.D.; Tsay, S.C.; Platnick, S.E., Cloud Retrieval Algorithms for MODIS: Optical Thickness, Effective Particle Radius, and Thermodynamic Phase, MODIS Algorithm Theoretical Basis Document, No. ATBD-MOD, Vol. 5, 1997.
Khalili Ardali, Z.; Mirazadi, Z.; Mansour samaei, R., Estimation of biomass, carbon sequestration and leaf area of Acer monspessulanum in Middle-Zagros, case study: Ghaleh Gol forests in Lorestan province. Journal of Forest Research and Development 2019, 5(2), 245-257. (In Persian)
Lohrabi, Y.; Abbasi, M.; Soltani, A.; Riyahi Bakhtyari, H.R., Determination of the most suitable method for forest type mapping in central Zagros using landsat-8 satellite Images. Journal of Forest Research and Development 2018, 4(2), 191-205. (In Persian)
Masek, J.G.; Vermote, E.F.; Saleous, N.E.; Wolfe, R.; Hall, F.G.; Huemmrich, K.F.; Gao, F.; Kutler, J.; Lim, T.K., A Landsat Surface Reflectance Dataset for North America. IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters 2006, (3), 68- 72.
Menzel, W.; Seemann, S.; Li, J, 2002, MODIS Atmospheric Profile Retrieval Algorithm Theoretical Basis Document (MOD-07), Eos ATBD web site [Online].Available: pdf, 39.
Nazeer, M.; Nichol, J.E.; Yung, Y.K., Evaluation of Atmospheric Correction Models and Landsat Surface Reflectance Product in an Urban Coastal Environment. International Journal of Remote Sensing 2014, (35), 6271- 6291.
Nguyen, H.C.; Jung, J., Lee, J.; Choi, S.; Hong, S.; Heo, J., Optimal Atmospheric Correction for Above-Ground Forest Biomass Estimation with the ETM+ Remote Sensor. International Journal of Sensors 2015, (15), 18865-18886.
Nuorodini, A.; A.E. Bonyad., Investigating the efficiency of atmospheric effect correction methods in estimating the canopy density of Gilan forests using vegetation indices obtained from Landsat 8. Iranian Journal of Remote Sencing & GIS 2017, 9 (1), 93-110. (In Persian)
Pan, Y.; Birdsey, R.A.; Phillips, O.L.; Jackson, R.B., The structure, distribution, and biomass of the world's forests. Annual Review of Ecology, Evolution, and Systematics 2013, (44), 593-622.
Pathak, N.V.; Pandya, M.R.; Shah, D.B.; Trivedi, H.J.; Patel, K.D.; Sridhar, V.N.; Singh, R.P., Inter Comparison of Atmospheric Correction Models-SACRS2, FLAASH AND 6SV USING RESOURCESAT-2 AWIFS Data, The International Archives of the Photogrammetry. Remote Sensing and Spatial Information Sciences 2014, (8), 881-884.
Rondeaux, G.; Steven, M.; Baret, F., Optimization of Soil-Adjusted Vegetation Indices. Remote Sensing of Environment 1996, (55), 95- 107.
Ronoud, Gh.; Darvishsefat, A.A., Estimating aboveground woody biomass of Fagus orientalis stands in Hyrcanian forest of Iran using Landsat 5 satellite data (Case study: Khyroud Forest). Geographic Space 2018, 17(60), 117-129.
Rouse, J.W.; Haas, R.W.; Schell, J.A.; Deering, D.W.; Harlan, J.C., Monitoring the Vernal Advancement and Retro Gradation (Green Wave Effect) of Natural Vegetation, NASA/GSFCT Type III Final Report, Greenbelt 1974, MD, USA.
Roy, D.P.; Ju, J.; Kline, K., Web-enabled Landsat Data (WELD): Landsat ETM+ Composited Mosaics of the Conterminous United States. Remote Sensing of Environment 2010, 114 (1), 35- 49.
Roy, D.P.; Qin, Y.; Kovalskyy, V.; Vermote, E.F.; Ju, J.; Egorov, A.; Hansen, M.C.; Kommareddy, I.; Yan, L., Conteminous United States Demonstration and Characterization of MODIS-based Landsat ETM+ Atmospheric Correction. Remote Sensinos of Environment 2014, (140), 433-449.
Sharifi, A.; Amini, J.; Pourshakouri, F., Allometric model development for AboveGround Biomass estimation in Hyrcanian forests of Iran. World Applied Sciences Journal 2013, (28), 1322-1330. (In Persian)
Soleimannejad, L.; Bonyad, A.E.; Naghdi, Latifi., Classification of quantitative attributes of Zagros forest using Landsat 8-OLI and Random Forest algorithm (Case study: protected area of Manesht forests). Journal of Forest Research and Development 2019, 4(4), 415-434. (In Persian)
Vahedi, A.A., Artificial neural network application in comparison with modeling allometric equations for predicting above-ground biomass in the Hyrcanian mixedbeech forests of Iran. Biomass and Bioenergy 2016 (88), 66-76. (In Persian)