Sensor synergy in support of the flex mission: cal-val field protocols and product development

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Publication date
2023
Reading date
2024-01-26
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Abstract
Esta tesis investiga las complejidades debidas a la estabilidad de los instrumentos de radiometría de campo, y su configuración sobre el terreno, aplicadas al estudio de la influencia de los efectos estructurales y fotoquímicos en medidas de vegetación. Los principales hallazgos del estudio pueden resumirse de la siguiente manera: Primero, la estabilidad del instrumento introduce una variabilidad constante en las señales obtenidas, con efectos más pronunciados en condiciones de campo, lo que requiere un mayor número de repeticiones en las mediciones para obtener resultados confiables. Segundo, este estudio destaca que el principal factor de variaciones en la reflectividad no es debido a la diversidad en la composición de pigmentos de las hojas resultante de diferentes condiciones de luz durante el crecimiento), sino más bien la variabilidad en la iluminación de referencia aplicada a todo el dosel. La ubicación de los paneles de referencia blancos tiene un impacto significativo en la cuantificación de la radiación incidente, lo que afecta a los espectros de reflectividad de la vegetación y a los índices espectrales derivados de ellos. Finalmente, la investigación aconseja precaución al utilizar índices de vegetación como el índice de reflectividad fotoquímica (PRI, por sus siglas en inglés) para evaluar la fotoprotección de las plantas debido a la naturaleza dinámica de las reservas de pigmentos, dado que éstos están influenciados a lo largo del tiempo por factores ambientales. Para abordar los problemas de heterogeneidad espacial en la medición de reflectividad y la caracterización de la fluorescencia inducida por el Sol (SIF, por sus siglas en inglés) en cultivos, la tesis propone un novedoso concepto de tirolina equipada con múltiples sensores. Este concepto proporciona un punto intermedio entre medidas con sensores de imagen aérea (más complejos, costosos y con baja resolución temporal), y sistemas instalados en torres con alta resolución temporal, pero con una representatividad limitada al área que miden. El uso de un sistema de tirolina permite mediciones repetidas y precisas en el mismo punto, capturando la heterogeneidad de la superficie y la dinámica temporal de la vegetación. Este enfoque, en comparación con el uso de vehículos aéreos no tripulados (UAV, por sus siglas en inglés), proporciona más flexibilidad en la capacidad de equipar instrumentación (no existen limitaciones en cuanto a peso o volumen de la carga de pago), lo que permite el uso de diferentes sensores para una mejor interpretación de datos hiperespectrales. Además, en este estudio se presenta una metodología para normalizar las mediciones de fluorescencia realizadas desde la parte superior del dosel (TOC, por sus siglas en inglés) con la radiación fotosintéticamente activa absorbida por la fracción de vegetación iluminada por el Sol. Este trabajo combina el uso de un sensor hiperespectral de medida puntual para derivar la fracción de cobertura de vegetación (FVC) iluminada por el Sol directamente a partir del espectro de reflectividad, utilizando técnicas de separación de mezclas espectrales. La validación de los valores de FVC obtenidos espectralmente se realiza mediante la determinación directa de las diferentes fracciones de cobertura en las imágenes tomadas simultáneamente con una cámara multiespectral. Mediante esta normalización, se consigue obtener un valor de fluorescencia compensando por la FVC de la superficie estudiada, pudiendo servir como un indicador temprano de estrés y siendo comparable con otras fuentes de referencia a nivel de hoja para su validación. En conclusión, este trabajo resalta los desafíos y oportunidades en el desarrollo de estrategias de medición dedicadas a inferir propiedades fotoquímicas a nivel de dosel a partir de la fluorescencia y la reflectividad efectiva de la superficie fotosintética, haciendo de estas variables los productos idóneos para estrategias de Calibración/Validación (Cal/Val) basadas en el concepto de bottom-up. Este trabajo enfatiza la necesidad de una metodología precisa (caracterización de la estabilidad del instrumento y representatividad del muestreo) en aplicaciones de radiometría de campo y se resalta el potencial de las plataformas tipo tirolina y técnicas de separación de mezclas espectrales para mejorar la adquisición e interpretación de datos espectrales en la monitorización de los procesos fotosintéticos de las plantas.
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Beca FPI BES-2017-082869
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