Skip to main content
Login | Suomeksi | På svenska | In English

Assessing chlorophyll fluorescence and light use efficiency in boreal forest canopies using imaging spectroscopy data

Show full item record

Title: Assessing chlorophyll fluorescence and light use efficiency in boreal forest canopies using imaging spectroscopy data
Author(s): Perheentupa, Viljami
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Geosciences and Geography
Discipline: Geography
Language: English
Acceptance year: 2017
Abstract:
The photosynthetic light use efficiency (LUE) is used to estimate the rate of photosynthesis in green vegetation. LUE is generally defined as the carbon uptake divided by absorbed photosynthetically active radiation (PAR). Several proxies for LUE estimation from remotely sensed data have been introduced, while the most promising results have been achieved by the Photochemical Reflectance Index (PRI) and chlorophyll fluorescence (ChlF). Both PRI and ChlF can serve as a proxy for photosynthetic downregulation and photoprotection, and can theoretically be measured and calculated from hyperspectral remote sensing data. Fluorescence and PRI were measured at leaf-level for sample trees of Pinus sylvestris and Betula pendula during two field measurement campaigns at Hyytiälä Forestry Field Station in 2014 and 2015. The spectrometer measurements were performed at crown height, separately for sunlit and shaded foliage. The measurements were taken at different hours of day to observe the diurnal variation of fluorescence and PRI. Along with the spectral measurements, CO2 exchange was constantly measured in shoot chambers attached to the sample trees. The diurnal trend of CO2 assimilation and LUE was then projected against the spectral indicators. An airborne campaign was conducted concurrently with the field measurement campaign in 2015. Hyperspectral data (< 5 nm spectral, 60 cm spatial resolution) was collected over the study area using AISA Eagle II line scanner. ChlF was estimated from the data using Fraunhofer line discrimination (FLD) approach. A change in ChlF between morning and noon acquisitions was estimated using different flight lines covering the same area. The reliability of the estimation was tested in several ways including noise reduction and a change analysis of non-fluorescent targets. Moreover, the non-physiological impact of shadow fraction on apparent fluorescence was estimated. The leaf-level results show a distinctive diurnal trend in fluorescence values measured with the spectrometer. The diurnal variation of PRI appears more unpredictable within the sample trees. Statistically, fluorescence values and PRI were only able to predict CO2 assimilation and LUE during the midday measurements with higher values of PAR, fluorescence performing slightly better. The results obtained at canopy level show an increase in radiance emitted as fluorescence and a decrease in PRI between morning and midday acquisitions. The change was observed in all the canopy types, including low vegetation, broad-leaved forests and coniferous forests. The average change of FLD-derived fluorescence (F763) between different canopy types varied between +24.0 units (14.9 %) and +6.3 units (4.9 %). Furthermore, it was observed that illumination conditions and shadow fraction had a major impact on F763 values, which must be considered when estimating ChlF using the FLD approach.
Fotosynteettistä valonkäytön tehokkuutta (LUE) käytetään vihreän kasvillisuuden fotosynteesin arvioinnissa. LUE on yleisesti määritelty hiilen sidonnan ja käytetyn fotosynteettisesti aktiivisen säteilyn (PAR) suhteena. Useita keinoja LUE:n arviointiin kaukokartoitusaineistoista on esitelty, mutta lupaavimpia tuloksia on saavutettu valokemiallisella heijastussuhdeindeksillä (PRI) ja klorofyllin fluoresenssilla (ChlF). Sekä PRI:tä että fluoresenssia voidaan käyttää fotosynteettisen säätelyn ja valostressiltä suojautumisen arvioinnissa, ja niitä voidaan periaatteessa mitata hyperspektraalisesta kaukokartoitusaineistosta. Fluoresenssia ja PRI:tä mitattiin lehtitasolla Pinus sylvestris ja Betula pendula -lajien puissa Hyytiälän metsäasemalla kesinä 2014 ja 2015. Spektrometrimittaukset suoritettiin latvuston korkeudella, erikseen aurinko- ja varjolehdille. Mittauksia otettiin eri vuorokaudenaikoina, jotta fluoresenssin ja PRI:n päivänsisäistä vaihtelua voitiin havainnoida. Lisäksi CO2-vaihtoa mitattiin versokammioissa, ja CO2-sidontaa ja LUE:ta verrattiin spektraalisiin indikaattoreihin. Ilmakuvauskampanja järjestettiin vuoden 2015 kenttämittausjakson yhteydessä. Hyperspektraalista aineistoa (< 5 nm spektraalinen, 60 cm spatiaalinen resoluutio) kerättiin AISA Eagle II -linjaskannerilla. ChlF arviotiin käyttämällä FLD-menetelmää. Aamupäivän ja keskipäivän välisten mittauskuvausten välinen ChlF-tasojen ero laskettiin yhteneviä kuvausalueita hyödyntäen. Havaintojen luotettavuutta parannettiin kohinan vaikutusta vähentämällä ja ei-fluoresoivien kohteiden muutosta tarkastelemalla. Lisäksi varjojen aiheuttamat ei-fysiologiset vaikutukset havaittavaan fluoresenssiin arvioitiin. Lehtimittauksista saadut tulokset näyttivät selkeän päivänsisäisen muutostrendin fluoresenssiarvoissa. PRI:n vuorokausivaihtelu oli tulosten valossa epäselvempi. Tilastollisesti fluoresenssi ja PRI ennustivat CO2-sidontaa ja LUE:ta ainoastaan korkeilla PAR-arvoilla. Tällöin fluoresenssi toimi hieman tarkemmin. Ilmakuvausmittauksien tulokset osoittivat fluoresenssina emittoituvan radianssin lisääntyvän ja PRI-arvojen pienenevän aamu- ja keskipäivän mittausten välillä. Muutosta havaittiin kaikissa luokitelluissa latvustotyypeissä. Keskimääräinen FLD-fluoresenssin (F763) muutos vaihteli +24.0 yksikön (14.9 %) ja +6.3 yksikön (4.9 %) välillä. Lisäksi havaittiin, että valaistusolosuhteilla ja varjoilla oli merkittävä vaikutus F763-arvoihin, mikä pitää huomioida kun ChlF arvioidaan FLD-menetelmää käyttäen.


Files in this item

Files Size Format View
MSc_thesis_Viljami_Perheentupa.pdf 3.576Mb PDF

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record