Marcel Buchhorn

• The Arctic tundra, covering approx. 5.5 % of the Earth’s land surface, is one of the last ecosystems remaining closest to its untouched condition. Remote sensing is able to provide information at regular time intervals and large spatial scales on the structure and function of Arctic ecosystems. But almost all natural surfaces reveal individual anisotropic reflectance behaviors, which can be described by the bidirectional reflectance distribution function (BRDF). This effect can cause significant changes in the measured surface reflectance depending on solar illumination and sensor viewing geometries. The aim of this thesis is the hyperspectral and spectro-directional reflectance characterization of important Arctic tundra vegetation communities at representative Siberian and Alaskan tundra sites as basis for the extraction of vegetation parameters, and the normalization of BRDF effects in off-nadir and multi-temporal remote sensing data. Moreover, in preparation for the upcoming German EnMAP (Environmental Mapping and AnalysisThe Arctic tundra, covering approx. 5.5 % of the Earth’s land surface, is one of the last ecosystems remaining closest to its untouched condition. Remote sensing is able to provide information at regular time intervals and large spatial scales on the structure and function of Arctic ecosystems. But almost all natural surfaces reveal individual anisotropic reflectance behaviors, which can be described by the bidirectional reflectance distribution function (BRDF). This effect can cause significant changes in the measured surface reflectance depending on solar illumination and sensor viewing geometries. The aim of this thesis is the hyperspectral and spectro-directional reflectance characterization of important Arctic tundra vegetation communities at representative Siberian and Alaskan tundra sites as basis for the extraction of vegetation parameters, and the normalization of BRDF effects in off-nadir and multi-temporal remote sensing data. Moreover, in preparation for the upcoming German EnMAP (Environmental Mapping and Analysis Program) satellite mission, the understanding of BRDF effects in Arctic tundra is essential for the retrieval of high quality, consistent and therefore comparable datasets. The research in this doctoral thesis is based on field spectroscopic and field spectro-goniometric investigations of representative Siberian and Alaskan measurement grids. The first objective of this thesis was the development of a lightweight, transportable, and easily managed field spectro-goniometer system which nevertheless provides reliable spectro-directional data. I developed the Manual Transportable Instrument platform for ground-based Spectro-directional observations (ManTIS). The outcome of the field spectro-radiometrical measurements at the Low Arctic study sites along important environmental gradients (regional climate, soil pH, toposequence, and soil moisture) show that the different plant communities can be distinguished by their nadir-view reflectance spectra. The results especially reveal separation possibilities between the different tundra vegetation communities in the visible (VIS) blue and red wavelength regions. Additionally, the near-infrared (NIR) shoulder and NIR reflectance plateau, despite their relatively low values due to the low structure of tundra vegetation, are still valuable information sources and can separate communities according to their biomass and vegetation structure. In general, all different tundra plant communities show: (i) low maximum NIR reflectance; (ii) a weakly or nonexistent visible green reflectance peak in the VIS spectrum; (iii) a narrow “red-edge” region between the red and NIR wavelength regions; and (iv) no distinct NIR reflectance plateau. These common nadir-view reflectance characteristics are essential for the understanding of the variability of BRDF effects in Arctic tundra. None of the analyzed tundra communities showed an even closely isotropic reflectance behavior. In general, tundra vegetation communities: (i) usually show the highest BRDF effects in the solar principal plane; (ii) usually show the reflectance maximum in the backward viewing directions, and the reflectance minimum in the nadir to forward viewing directions; (iii) usually have a higher degree of reflectance anisotropy in the VIS wavelength region than in the NIR wavelength region; and (iv) show a more bowl-shaped reflectance distribution in longer wavelength bands (>700 nm). The results of the analysis of the influence of high sun zenith angles on the reflectance anisotropy show that with increasing sun zenith angles, the reflectance anisotropy changes to azimuthally symmetrical, bowl-shaped reflectance distributions with the lowest reflectance values in the nadir view position. The spectro-directional analyses also show that remote sensing products such as the NDVI or relative absorption depth products are strongly influenced by BRDF effects, and that the anisotropic characteristics of the remote sensing products can significantly differ from the observed BRDF effects in the original reflectance data. But the results further show that the NDVI can minimize view angle effects relative to the contrary spectro-directional effects in the red and NIR bands. For the researched tundra plant communities, the overall difference of the off-nadir NDVI values compared to the nadir value increases with increasing sensor viewing angles, but on average never exceeds 10 %. In conclusion, this study shows that changes in the illumination-target-viewing geometry directly lead to an altering of the reflectance spectra of Arctic tundra communities according to their object-specific BRDFs. Since the different tundra communities show only small, but nonetheless significant differences in the surface reflectance, it is important to include spectro-directional reflectance characteristics in the algorithm development for remote sensing products.…
• Die arktische Tundra ist mit circa 5,5 % der Landoberfläche eines der letzten großen verbliebenen fast unberührten Ökosysteme unserer Erde. Nur die Fernerkundung ist in der Lage, benötigte Informationen über Struktur und Zustand dieses Ökosystems großräumig und in regelmäßigen Zeitabständen zur Verfügung zu stellen. Aber fast alle natürlichen Oberflächen zeigen individuelle anisotrope Reflexionsverhaltensweisen, welche durch die bidirektionale Reflektanzverteilungsfunktion (englisch: BRDF) beschrieben werden können. Dieser Effekt kann zu erheblichen Veränderungen im gemessenen Reflexionsgrad der Oberfläche in Abhängigkeit von den solaren Beleuchtung- und Blickrichtungsgeometrien führen. Zielstellung dieser Arbeit ist die hyperspektrale und spektro-direktionale Charakterisierung der Oberflächenreflexion wichtiger und repräsentativer arktischer Pflanzengesellschaften in Sibirien und Alaska, als Grundlage für die Extraktion von Vegetationsparametern und die Normalisierung von BRDF-Effekten in Off-Nadir und multi-temporalenDie arktische Tundra ist mit circa 5,5 % der Landoberfläche eines der letzten großen verbliebenen fast unberührten Ökosysteme unserer Erde. Nur die Fernerkundung ist in der Lage, benötigte Informationen über Struktur und Zustand dieses Ökosystems großräumig und in regelmäßigen Zeitabständen zur Verfügung zu stellen. Aber fast alle natürlichen Oberflächen zeigen individuelle anisotrope Reflexionsverhaltensweisen, welche durch die bidirektionale Reflektanzverteilungsfunktion (englisch: BRDF) beschrieben werden können. Dieser Effekt kann zu erheblichen Veränderungen im gemessenen Reflexionsgrad der Oberfläche in Abhängigkeit von den solaren Beleuchtung- und Blickrichtungsgeometrien führen. Zielstellung dieser Arbeit ist die hyperspektrale und spektro-direktionale Charakterisierung der Oberflächenreflexion wichtiger und repräsentativer arktischer Pflanzengesellschaften in Sibirien und Alaska, als Grundlage für die Extraktion von Vegetationsparametern und die Normalisierung von BRDF-Effekten in Off-Nadir und multi-temporalen Fernerkundungsdaten. In Vorbereitung auf die bevorstehende nationale EnMAP Satellitenmission ist ein Grundverständnis der BRDF-Effekte in der arktischen Tundra von wesentlicher Bedeutung für die Erstellung von hochqualitativen, konsistenten und damit vergleichbaren Datensätzen. Die in dieser Arbeit genutzten Daten beruhen auf geländespektroskopische und geländespektro-goniometrische Untersuchungen von repräsentativen Messflächen in Sibirien und Alaska. Die Entwicklung eines leichten, transportablen und einfach anzuwendenden Geländespektro-Goniometers, welches dennoch zuverlässig Daten liefert, war die erste Aufgabe. Hierfür habe ich ein Gerät mit der Bezeichnung ManTIS („Manual Transportable Instrument platform for ground-based Spectro-directional observations“) entwickelt. Die Ergebnisse der geländespektro-radiometrischen Messungen entlang wichtiger ökologischer Gradienten (regionales Klima, pH-Wert des Bodens, Bodenfeuchte, Toposequenz) zeigen, dass die Pflanzengesellschaften sich anhand ihrer Nadir-Reflektanzen unterscheiden lassen. Insbesondere die Möglichkeit der Differenzierung im sichtbaren (VIS) blauen und roten Wellenlängenbereich. Die Nah-Infrarot (NIR) Schulter und das NIR-Reflektanzplateau sind trotz ihrer niedrigeren Reflektanzwerte eine wertvolle Informationsquelle, die genutzt werden kann um die Pflanzengesellschaften entsprechend ihrer Biomasse und der Vegetationsstruktur voneinander zu unterscheiden. Im Allgemeinen zeigen die verschiedenen Pflanzengesellschaften der Tundra: (i) eine niedrige maximale NIR-Reflektanz; (ii) ein schwaches oder nicht sichtbares lokales Reflektanzmaximum im grünen VIS-Spektrum; (iii) einen schmalen „red-edge“ Bereich zwischen dem roten und NIR-Wellenlängenbereich und (iv) kein deutliches NIR-Reflektanzplateau. Diese gemeinsamen Nadir-Reflektanzeigenschaften sind entscheidend für das Verständnis der Variabilität der BRDF-Effekte in der arktischen Tundra. Keine der untersuchten Pflanzengesellschaften wies isotrope Reflektanzeigenschaften auf. Im Allgemeinen zeigt Tundravegetation: (i) die höchsten BRDF-Effekte in der solaren Hauptebene; (ii) die maximalen Reflexionsgrade in den rückwärts gerichteten Blickrichtungen; (iii) höhere Grade an Anisotropie im VIS-Spektrum als im NIR-Spektrum und (iv) schüsselförmige Reflexionsgradverteilungen in den längeren Wellenlängenbereichen (>700 nm). Die Analyse des Einflusses von hohen Sonnenzenitwinkeln auf die Anisotropie der Rückstrahlung zeigt, dass sich mit zunehmenden Sonnenzenitwinkeln die Anisotropie-Eigenschaften in azimutal-symmetrische schüsselförmige Reflexionsgradverteilungen ändern. Auch ergeben die spektro-direktionalen Analysen, dass Fernerkundungsprodukte wie der NDVI oder die relative Absorptionstiefe stark von BRDF-Effekten beeinflusst werden. Die anisotropen Eigenschaften der Fernerkundungsprodukte können sich erheblich von den beobachteten BRDF-Effekten in den ursprünglichen Reflektanzdaten unterscheiden. Auch lässt sich aus den Ergebnissen ableiten, dass der NDVI relativ gesehen die blickrichtungsabhängigen BRDF-Effekte minimieren kann. Für die untersuchten Pflanzengesellschaften der Tundra weichen die Off-Nadir NDVI-Werte nie mehr als 10 % von den Nadir-NDVI-Werten ab. Im Resümee dieser Studie wird nachgewiesen, dass Änderungen in der Sonnen-Objekt-Sensor-Geometrie direkt zu Reflektanzveränderungen in den Fernerkundungsdaten von arktischen Pflanzengesellschaften der Tundra entsprechend ihrer objekt-spezifischen BRDF-Charakteristiken führen. Da die verschiedenen Arten der Tundravegetation nur kleine, aber signifikante Unterschiede in der Oberflächenreflektanz zeigen, ist es wichtig die spektro-direktionalen Reflexionseigenschaften bei der Entwicklung von Algorithmen für Fernerkundungsprodukte zu berücksichtigen.…