Estudo da sensibilidade de índices de vegetação hiperespectrais aos efeitos topográficos usando a correção-C

• Ano de defesa: 2019
• Autor(a) principal: Lucas Maia de Oliveira
• Orientador(a): Lênio Soares Galvão, Flávio Jorge Ponzoni
• Banca de defesa: Camilo Daleles Rennó, Eder Paulo Moreira
• Tipo de documento: Dissertação
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)
• Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação do INPE em Sensoriamento Remoto
• País: BR
• Resumo em Inglês: In the last decades, remote sensing studies on vegetation have benefited from the increased availability of hyperspectral data. Such data allow the determination of dozens of hyperspectral vegetation indices (HVIs), or narrowband VIs, which can be used to obtain information on vegetation structure, plant physiology and canopy biochemistry. However, although variations in terrain illumination conditions can affect the determination of these HVIs over mountains, there are no studies on their sensitivity to topographic effects. Therefore, the objective of this work is to study the sensitivity of 15 HVIs to topographic effects, as a function of different terrain illumination conditions expressed by slope, aspect and shaded relief (cosine factor). The HVIs were calculated from a hyperspectral Hyperion/EO-1 image obtained over dense ombrophilous forest from the Intervales State Park, located in southeastern Brazil. The C-correction method was applied to reduce topographic effects and to allow comparison between corrected and non-corrected HVIs. Topographic classes of terrain illumination were defined based on slope and aspect crosscomparison. Using the Wilcoxon statistical test, we detected the most sensitive HVIs to variable terrain illumination conditions. In addition to this test, we calculated the relative changes between HVIs corrected and non-corrected for topographic effects as well as the magnitude of the effect size (Cohen's r metric) over the determination of the HVIs. The results showed that the HVIs had different sensitivity to topographic effects, depending on the bands used in their calculation and on the terrain slope and aspect. More specifically, it was observed that: (a) the C-correction compensated adequately the topographic effects on the vegetation spectral response, by reducing the standard deviation of reflectance, in shaded and sunlit surfaces and in all Hyperion bands. It also decreased the correlation between the reflectance and cosine factor on a perband basis; (b) the resultant changes in most HVIs after topographic correction were statistically significant, as indicated by the Wilcoxon test (5% significance level); and (c) the most sensitive HVIs to topographic effects were the Enhanced Vegetation Index (EVI), Anthocyanin Reflectance Index (ARI), Carotenoid Reflectance Index (CRI1) and Photochemical Reflectance Index (PRI), especially for terrains with slope greater than 30o and aspect oriented to south and west (shaded surfaces). The Volgemann Red Edge Index (VOg) and Structure Insensitive Pigment Index (SIPI) were the less sensitive HVIs, as indicated by the small relative changes calculated between topographically corrected and non-corrected data, and by the analysis of the magnitude of the effect size of the topographic correction.
• Link de acesso: http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m21c/2019/06.24.12.02

Nas últimas décadas, estudos de sensoriamento remoto sobre a vegetação têm se beneficiado da melhoria na disponibilidade de dados hiperespectrais. Estes dados possibilitam a determinação de dezenas de índices de vegetação hiperespectrais (IVHs), ou de bandas estreitas, que podem ser utilizados para obter informações sobre a estrutura da vegetação, a fisiologia das plantas e a bioquímica do dossel. Todavia, em áreas de relevo acidentado, variações nas condições locais de iluminação do terreno podem afetar a determinação destes IVHs, mas praticamente não há estudos sobre suas sensibilidades aos efeitos topográficos. Desta forma, o objetivo deste trabalho foi estudar a sensibilidade de 15 IVHs aos efeitos topográficos, em função de diferentes condições de iluminação do terreno, expressas pela declividade, orientação das vertentes e pelo relevo sombreado (fator cosseno). Os IVHs foram calculados a partir de uma imagem hiperespectral, obtida pelo sensor Hyperion/EO-1, em uma área de estudo composta por floresta ombrófila densa no Parque Estadual Intervales (PEI), localizado no Estado de São Paulo. Para a correção dos efeitos topográficos e comparação de IVHs corrigidos e não corrigidos, aplicou-se o método de correção-C. Em seguida, segmentou-se a área em classes topográficas, definidas pelas condições de orientação e declividade do terreno. A partir do teste estatístico de Wilcoxon, foi possível identificar quais IVHs apresentaram mudanças significativas nas diferentes condições de iluminação local do terreno. Para tal finalidade, também se determinou a taxa de mudança relativa entre dados corrigidos e não topograficamente corrigidos e a magnitude do tamanho do efeito da correção topográfica (métrica r de Cohen) sobre a determinação dos IVHs. Os resultados mostraram que os IVHs possuem sensibilidades diferentes aos efeitos da topografia, com a magnitude dos efeitos sendo dependente das regiões espectrais de operação dos índices e das condições de declividade e orientação do terreno. De forma mais específica, observou-se que: (a) a correção-C foi um método efetivo para compensar os efeitos topográficos sobre a resposta espectral da vegetação, reduzindo, em terrenos iluminados e sombreados vistos pelo sensor, o desvio-padrão da reflectância em todas as faixas espectrais do Hyperion/EO-1, assim como a correlação pré-existente da reflectância com o fator cosseno; (b) as mudanças resultantes nos valores da maioria dos IVHs, após a correção topográfica, foram estatisticamente significativas, conforme indicado pelo teste estatístico de Wilcoxon (5% de significância); e (c) os IVHs mais sensíveis aos efeitos topográficos foram Enhanced Vegetation Index (EVI), Anthocyanin Reflectance Index (ARI), Carotenoid Reflectance Index (CRI1) e Photochemical Reflectance Index (PRI), especialmente para terrenos com declividade superior a 30o e com orientação de vertentes voltadas para sul e oeste (sombreadas). Volgemann Red Edge Index (VOg) e Structure Insensitive Pigment Index (SIPI) foram os IVHs menos sensíveis aos efeitos topográficos, conforme indicado pela análise da taxa de mudança relativa entre dados corrigidos e não corrigidos e da magnitude de tamanho do efeito da correção topográfica.