Improving the Performance of 3-D Radiative Transfer Model FLIGHT to Simulate Optical Properties of a Tree-Grass Ecosystem

Abstract

El FLIGHT es el Modelo de Transferencia Radiativa en 3-D (RTM); puede representar la dispersión en bosques abiertos o sabanas con suelos desnudos subyacentes. Sin embargo, VUELO podría no ser adecuado para los ecosistemas de pastos arbóreos de múltiples capas (TGE), donde el sotobosque de un pasto puede dominar la dinámica del factor de reflectancia (RF) debido a la fuerte variabilidad estacional y a la baja cobertura fraccional de los árboles. Para abordar este problema, acoplamos VUELO con la PROSAILLA DE RTM en 1-D. El modelo se evalúa frente a observaciones espectrales de sensores de detección proximal y remota: el espectrorradiómetro ASD Fieldspec® 3, el espectrógrafo aéreo (CASI) y el instrumento multiespectral (MSI) a bordo del Sentinel-2. Hemos probado la capacidad tanto de PROSAIL como de PROSAIL+FLIGHT para reproducir la variabilidad de las diferentes etapas fenológicas determinada por el análisis de series temporales de 16 años del Índice de Vegetación de Diferencia Normalizada del Espectrorradiómetro de Imágenes de Resolución Moderada (MODIS-NDVI). A continuación, combinamos las observaciones concomitantes de las variables biofísicas y la radiofrecuencia para probar la capacidad de los modelos de reproducir la radiofrecuencia observada. PROSAIL logró un error cuadrado medio de la raíz relativa (RRMSE) entre el 6% y el 32% en la escala de detección proximal. PROSAIL+FLIGHT RRMSE alcanzó entre el 7% y el 31% en las escalas de teledetección. La RRMSE aumentó en los períodos en que grandes fracciones de material muerto en pie se mezclaban con hierbas verdes emergentes -especialmente en otoño-; lo que sugiere que el modelo no puede representar las características espectrales de este material. PROSAIL+FLIGHT mejora la simulación de RF especialmente en verano y en ángulos de visión medianos-altos.

The 3-D Radiative Transfer Model (RTM) FLIGHT can represent scattering in open forest or savannas featuring underlying bare soils. However, FLIGHT might not be suitable for multilayered tree-grass ecosystems (TGE), where a grass understory can dominate the reflectance factor (RF) dynamics due to strong seasonal variability and low tree fractional cover. To address this issue, we coupled FLIGHT with the 1-D RTM PROSAIL. The model is evaluated against spectral observations of proximal and remote sensing sensors: the ASD Fieldspec® 3 spectroradiometer, the Airborne Spectrographic Imager (CASI) and the MultiSpectral Instrument (MSI) onboard Sentinel-2. We tested the capability of both PROSAIL and PROSAIL+FLIGHT to reproduce the variability of different phenological stages determined by 16-year time series analysis of Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer-Normalized Difference Vegetation Index (MODIS-NDVI). Then, we combined concomitant observations of biophysical variables and RF to test the capability of the models to reproduce observed RF. PROSAIL achieved a Relative Root Mean Square Error (RRMSE) between 6% to 32% at proximal sensing scale. PROSAIL+FLIGHT RRMSE ranged between 7% to 31% at remote sensing scales. RRMSE increased in periods when large fractions of standing dead material mixed with emergent green grasses —especially in autumn—; suggesting that the model cannot represent the spectral features of this material. PROSAIL+FLIGHT improves RF simulation especially in summer and at mid-high view angles.