Σύγκριση VIIRS και PhenoCam επίγειας φαινολογίας
Η φαινολογία της βλάστησης περιγράφει τον εποχιακό κύκλο των φυτών του πράσινου φύλλου κατά την άνοιξη και του καφέ φύλλων το φθινόπωρο λόγω των αλλαγών στον καιρό και το κλίμα. Με την εποχιακή αύξηση και μείωση των πράσινων φύλλων της βλάστησης, η φαινολογία της βλάστησης ελέγχει μια ποικιλία χαρακτηριστικών της επιφάνειας του εδάφους, όπως το albedo, το μήκος της τραχύτητας της επιφάνειας, η αγωγιμότητα του θόλου, οι ροές νερού και ενέργειας, η φωτοσύνθεση και το CO2 ροές. Φαινολογικά φαινόμενα βλάστησης (όπως η εμφάνιση της πρώτης άνθισης, το ξεδίπλωμα του πρώτου φύλλου και ο χρωματισμός του πρώτου φύλλου) έχουν παραδοσιακά παρατηρηθεί από χωράφια για συγκεκριμένα είδη φυτών.
Αυτές οι επιτόπιες παρατηρήσεις μπορούν να παρέχουν μόνο έναν περιορισμένο αριθμό μεμονωμένων φυτών που σπάνια είναι αντιπροσωπευτικά του τοπίου σε γεωγραφικές τοποθεσίες παγκοσμίως. Από την άλλη πλευρά, οι δορυφόροι παρέχουν συνεχείς, τοίχο σε τοίχο παρατηρήσεις της επιφάνειας της γης κάθε μέρα. Συνήθως χαρακτηρίζουν τη δυναμική πρασίνου της επιφάνειας της γης με βλάστηση με αποτύπωμα pixel μεγαλύτερο από 500 μέτρα που συχνά περιέχει πολλαπλούς τύπους βλάστησης αναμεμειγμένους με άλλα αντικείμενα σκηνής, όπως χώμα, νερό και ανθρώπινες δομές. Έτσι, η φαινολογία της επιφάνειας της γης (LSP) είναι ο όρος που χρησιμοποιείται για τη διάκριση του αντικειμένου της δορυφορικής τηλεπισκόπησης από τις παραδοσιακές έννοιες της φαινολογίας των οργανισμών ειδικά για τα είδη που παρατηρούνται στο επίπεδο του εδάφους.
Προκειμένου να παρακολουθείται η παγκόσμια κλιματική αλλαγή, οι προϋπολογισμοί άνθρακα και η δυναμική του οικοσυστήματος, ένα καλά ποσοτικοποιημένο μακροπρόθεσμο προϊόν LSP με παγκόσμια κάλυψη έχει αναπτυχθεί στην Εθνική Υπηρεσία Αεροναυτικής και Διαστήματος (NASA) σε χωρική ανάλυση 500 μέτρων από το MODerate Αισθητήρες ανάλυσης Imaging Spectroradiometer (MODIS) και Visible Infrared Imaging Radiometer Suite (VIIRS). Το προϊόν MODIS LSP παράγεται λειτουργικά από χρονοσειρές δεικτών βλάστησης (ή πρασινάδας) που υπολογίζονται από ανακλάσεις κόκκινου και κοντά στο υπέρυθρο από το 2000.
Επειδή ο αισθητήρας MODIS γερνάει και πλησιάζει στο τέλος των κύκλων λειτουργίας του, το VIIRS στον δορυφόρο Suomi National Polar-Obiting Partnership (NPP) (που εκτοξεύτηκε τον Οκτώβριο του 2011) προορίζεται να παρέχει συνέχεια με το αρχείο δεδομένων MODIS LSP. Κατά τη διάρκεια των επόμενων δεκαετιών, το VIIRS στη σειρά Joint Polar Satellite System (JPSS) θα συνεχίσει να παρέχει τη δυνατότητα παρακολούθησης LSP για την επέκταση της καταγραφής δεδομένων φαινολογίας. Το μακροπρόθεσμο προϊόν LSP ποσοτικοποιεί έξι βασικές ημερομηνίες φαινολογικής μετάβασης:έναρξη πρασίνου (έναρξη άνοιξης), φάση μεσαίου πρασίνου (μέσα άνοιξης), έναρξη ωριμότητας (τέλος άνοιξης), έναρξη γήρανσης (έναρξη- της πτώσης), της φάσης της μέσης γήρανσης (μέση της πτώσης) και της έναρξης του λήθαργου (τέλος της πτώσης) κατά τη διάρκεια ενός κύκλου βλάστησης.
Λόγω των τεράστιων διαφορών στη χωρική κάλυψη και των διαφορετικών ειδών φαινομένων που παρατηρούνται από το πεδίο και τους δορυφόρους, η ποιότητα των προϊόντων LSP που προέρχονται από δορυφόρους και η σχέση τους με βιολογικά γεγονότα στα φυτά είναι κρίσιμης σημασίας για να χαρακτηριστεί. Για το σκοπό αυτό, το προϊόν VIIRS LSP αξιολογείται χρησιμοποιώντας τον δείκτη βλάστησης της «πράσινης θόλου» που υπολογίζεται από έγχρωμες εικόνες (κόκκινες, πράσινες και μπλε ζώνες) που συλλέγονται μέσω του δικτύου PhenoCam. Αυτό το δίκτυο καταγράφει ψηφιακές εικόνες από κάμερες web που είναι τοποθετημένες σε πύργο, παρέχοντας έτσι συνεπή και συνεχή παρακολούθηση των συνθηκών του θόλου της βλάστησης σε τοποθεσίες σε όλες τις Ηνωμένες Πολιτείες. Αυτές οι εικόνες επιτρέπουν τον χαρακτηρισμό της εποχιακής δυναμικής μέσω προσεγγίσεων επεξεργασίας εικόνας παρόμοιες με αυτές που εφαρμόζονται στις δορυφορικές εικόνες.
Η κατανόησή μας για τα βιοφυσικά χαρακτηριστικά του δορυφορικού προϊόντος LSP έχει βελτιωθεί σημαντικά συγκρίνοντας τις ημερομηνίες φαινολογικής μετάβασης που ανακτήθηκαν από δείκτες βλάστησης VIIRS με αυτές από προϊόντα MODIS LSP και παρατηρήσεις από το δίκτυο PhenoCam σε 164 τοποθεσίες σε όλες τις Ηνωμένες Πολιτείες κατά το 2013 και το 2014 Τα αποτελέσματα καταδεικνύουν στενούς δεσμούς μεταξύ των ανιχνεύσεων φαινολογίας VIIRS και MODIS [ο συντελεστής προσδιορισμού (R) μεγαλύτερος από 0,9 και μέση απόλυτη διαφορά μικρότερη από 7 ημέρες για πέντε από τις έξι ημερομηνίες φαινολογικής μετάβασης] υποδεικνύοντας ότι τόσο οι φαινολογικές ανακτήσεις VIIRS όσο και Η ικανότητα του VIIRS παρέχει συνέχεια με το αρχείο MODIS, το οποίο διασφαλίζει τη μακροπρόθεσμη απρόσκοπτη εγγραφή δεδομένων φαινολογίας.
Τα αποτελέσματα υποδεικνύουν περαιτέρω ότι η συνολική μέση απόλυτη διαφορά μεταξύ των φαινολογικών ημερομηνιών VIIRS και PhenoCam ήταν 7-11 ημέρες στη φάση πρασίνου (έναρξη πρασίνου, φάση μέσης ωρίμανσης, έναρξη ωριμότητας) και 10-13 ημέρες στη φάση γήρανσης (έναρξη γήρανσης , φάση μέσης γήρανσης και έναρξη λήθαργου). Αυτό σημαίνει ότι οι χρονοσειρές από τα δεδομένα PhenoCam και VIIRS είναι αρκετά παρόμοιες στην ανίχνευση ημερομηνιών μετάβασης της εαρινής φαινολογικής, ενώ διαφέρουν ουσιαστικά στην ανάκτηση της φαινολογίας γήρανσης. Αυτή η διαφορά πιθανότατα αποδίδεται στις χρονοσειρές των δεικτών βλάστησης από το PhenoCam και το VIIRS που χαρακτηρίζουν διαφορετικές πτυχές των βιοφυσικών ιδιοτήτων της βλάστησης. Συγκεκριμένα, όλοι οι δείκτες βλάστησης έχουν κατασκευαστεί έτσι ώστε να είναι πιο ευαίσθητοι στα πράσινα φύλλα της άνοιξης παρά στο χρώμα του φθινοπώρου (κόκκινο, κίτρινο ή καφέ) και η φθινοπωρινή γήρανση του φυλλώματος βιώνει πιο ήπια μετάβαση από την ταχεία ανοιξιάτικη έκπλυση του νέου φυλλώματος. ιδιαίτερα σε δασικούς τύπους κάλυψης. Έτσι, η έναρξη της άνοιξης ανιχνεύεται πιο εύκολα από την έναρξη του φθινοπώρου.
Επιπλέον, η διαφορά μεταξύ των φαινολογικών ημερομηνιών VIIRS και PhenoCam ποικίλλει επίσης ανάλογα με τους τύπους κάλυψης γης. Η διαφορά ήταν μικρότερη με μέση απόλυτη διαφορά 6 ημερών για την έναρξη του πρασίνου στα δάση, ακολουθούμενα από λιβάδια και καλλιέργειες, και στη συνέχεια τις σαβάνες. Αυτό το εύρημα δείχνει ότι η ανίχνευση φαινολογίας VIIRS θα πρέπει να αναμένεται να είναι πιο συγκρίσιμη με την εκτίμηση PhenoCam σε ομοιογενείς τοποθεσίες (όπως δάση) παρά σε ετερογενείς τοποθεσίες (όπως οι σαβάνες). Η ανίχνευση φαινολογίας σε άνυδρες και ημίξηρες σαβάνες είναι περίπλοκη, όπου το χωρικό μοτίβο των τύπων βλάστησης είναι εξαιρετικά ετερογενές. Λόγω της διαφοράς μεταξύ της κάλυψης PhenoCam και του αποτυπώματος VIIRS, η ανομοιότητα της ανίχνευσης φαινολογίας θα αυξηθεί με το επίπεδο επιφανειακής ετερογένειας ή αναντιστοιχίας στη σκηνή. Επομένως, τα αποτελέσματα πιθανότατα παρέχουν το ανώτερο όριο αβεβαιότητας στην ανίχνευση φαινολογίας VIIRS.
Συμπερασματικά, τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης καταδεικνύουν ότι οι ημερομηνίες VIIRS LSP είναι συνεπείς με το MODIS LSP και είναι καλά χαρακτηρισμένες και επικυρωμένες χρησιμοποιώντας τις παρατηρήσεις τηλεπισκόπησης κοντά στην επιφάνεια που είναι διαθέσιμες από το δίκτυο PhenoCam. Η διαφωνία μεταξύ των ανακτήσεων VIIRS και PhenoCam είναι μικρότερη την άνοιξη παρά το φθινόπωρο, μικρότερη στα δάση παρά σε καλλιέργειες ή λιβάδια από ό,τι στις σαβάνες και μικρότερη σε ομοιογενή παρά σε ετερογενείς καλύψεις γης.
Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Evaluation of land surface phenology from VIIRS using time series of PhenoCam imagery, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Agricultural and Forest Meteorology . Αυτή η εργασία διεξήχθη από τους Xiaoyang Zhang, Senthilnath Jayavelu, Lingling Liu και Geoffrey M. Henebry από το State University της Νότιας Ντακότα, Mark A. Friedl από το Πανεπιστήμιο της Βοστώνης, Yan Liu και Crystal B. Schaaf από το Πανεπιστήμιο της Μασαχουσέτης της Βοστώνης, Andrew D. Richardson από το Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ και το Πανεπιστήμιο της Βόρειας Αριζόνα και ο Τζόσουα Γκρέι από το Κρατικό Πανεπιστήμιο της Βόρειας Καρολίνας.
