Detección de estrés en coníferas mediante teledetección hiperespectral y térmica de alta resolución y modelos de transferencia radiativa

Abstract

Recently, widespread forest mortality related to drought or temperature stress has been described for drought-prone forests throughout the world. Long-term exposure of water stress to a combination of high light levels and temperatures causes a depression of photosynthesis and photosystem II efficiency that is not easily reversed even for resistant Mediterranean pines. Several authors have demonstrated that declining physiological status is connected with decline in chlorophyll content and with decreasing rate of photosynthesis; whereas the ratio C a+b/C x+c shows a decreasing trend. This thesis evaluates different physiological vegetation indices (SVI) at the canopy level and methods for the estimation of chlorophyll (C a+b) and carotenes (C x+c) pigment content with high spatial resolution sensors and radiative transfer models in heterogeneous conifer canopies. The objective is the early detection of decline processes based on the analysis of the trees physiological status and mapping of the major pigments regulating photosynthesis efficiency. Relationships between spectral vegetation indices and pigment content have been widely analyzed at the leaf level in previous works. However, studies were lacking where these kind of relationships were explored at the canopy level and for heterogeneous forest canopies. The heterogeneous forest canopies are more structurally complex than other vegetation types, therefore previous relationships obtained at the leaf level or on homogeneous canopies might not be applicable in a general way. Consequently, modelling work at leaf and canopy scales is needed to enable an operational use of SVI to map stress levels in non-homogeneous canopies where structural variation plays the main role in the reflectance signature. New formulations of SVI related to Cx+c and xanthophylls cicle were formulated based on radiative transfer simulation and experiemtal data and demonstrated to be more robust at the canopy level. A new modelling method is presented in this thesis based on scalingup methods to estimate Ca+b and Cx+c pigment concentration. The methodology has been tested in two conifer species: Pinus sylvestris and Pinus nigra. This study required extensive field measurements of biophysical paremeters of the canopy, leaf optical and biochemistry laboratory analysis, as well as analysis of highperspectral airborne imagery acquired by a sensor on board and unmanned aerial vehicle (UAV). Moreover, the use of radiative transfer models allowed the evaluation of the influence of different biophysical paramenters; at the leaf level, such us Ca+b and Cx+c as well as the relation between them,and at the canopy level, such as Leaf Area Index (LAI) or tree density.

En los últimos años se han descrito procesos de mortalidad en distintos tipos de bosques en todo el mundo, siendo una de las causas más importantes el estrés hídrico y térmico. La exposición a largo plazo de estrés hídrico combinado con altos niveles de radiación y altas temperaturas provoca una depresión de la fotosíntesis y la eficiencia del fotosistema II, que no es fácilmente reversible incluso para especies vegetales resistentes a este tipo de ambientes como las coníferas mediterráneas. Varios autores han demostrado que el estado de estrés fisiológico está relacionado con la disminución en el contenido de clorofila y de la fotosintésis, mientras que la proporción de C a+b / Cx +c muestra una tendencia decreciente. Esta tesis evalúa diferentes índices de vegetación fisiológicos (SVI) a nivel de la cubierta y para la estimación del contenido de clorofila (C a + b) y carotenos (C x + c) con sensores de alta resolución espacial y modelos de transferencia radiativa en bosques de coníferas. El objetivo es la detección temprana de los procesos de decaimiento basados en el análisis del estado fisiológico de los árboles y la cartografía del contenido de los principales pigmentos que regulan la eficiencia de la fotosíntesis. Las relaciones entre los índices espectrales de vegetación y contenido de pigmentos han sido ampliamente analizadas a nivel de hoja en trabajo anteriores. Sin embargo, existe una carencia de conocimiento de este tipo de relaciones a nivel de cubierta, y más concretamente aplicado a doseles de vegetación heterogéneos como los bosques de coníferas. Los doseles en este tipo de masas son estructuralmente más complejos que otros tipos de vegetación, por lo tanto, las relaciones derivadas a nivel de hoja o de cubierta homogénea no se pueden aplicar de una manera generalizada. En consecuencia, la modelización a escala de la hoja y de cubierta es necesaria para permitir un uso operativo de SVI que permitan determinar los niveles de estrés en cubiertas no homogéneos, donde la variación estructural tiene gran efecto sobre la firma espectral de la cubierta. Este trabajo presenta nuevas formulaciones de SVI relacionados con Cx+c y ciclo de las xantofilas (VAZ) obtenidas a partir de la simulación con modelos de transferencia radiativa y datos experimentales, demostrando la fiabilidad de dichas formulaciones a nivel de cubierta. La metodología ha sido probada en dos especies de coníferas mediterráneas: Pinus sylvestris y Pinus nigra. Este estudio ha requerido mediciones de parámentros biofísicos en campo, análisis ópticos y bioquímicos foliares de laboratorio, así como el análisis de imágenes hiperespectrales adquiridas en plataformas tripuladas y de vehículos aéreos no tripulados (UAV).