International Journal of Applied Ea

International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation 38 (2015) 251–260
Contents lists available at ScienceDirect
International Journal of Applied Earth Observation and
Geoinformation
journal homepage: www.elsevier.com/locate/jag
Non-destructive estimation of foliar chlorophyll and carotenoid
contents: Focus on informative spectral bands
Oz Kira
a
b
a
, Raphael Linker
a
, Anatoly Gitelson
a,b,∗
Faculty of Civil and Environmental Engineering, Israel Institute of Technology, Technion, Technion City, Haifa, Israel
School of Natural Resources, University of Nebraska, Lincoln, USA
article info
Article history:
Received 30 September 2014
Received in revised form
28 December 2014
Accepted 7 January 2015
Available online 7 February 2015
Keywords:
Carotenoids
Chlorophyll
Neural network
Non-destructive technique
Reflectance
Introduction
abstract
Leaf pigment content provides valuable insight into the productivity, physiological and phenological
status of vegetation. Measurement of spectral reflectance offers a fast, nondestructive method for pigment
estimation. A number of methods were used previously for estimation of leaf pigment content, however,
spectral bands employed varied widely among the models and data used. Our objective was to find
informative spectral bands in three types of models, vegetation indices (VI), neural network (NN) and
partial least squares (PLS) regression, for estimating leaf chlorophyll (Chl) and carotenoids (Car) contents
of three unrelated tree species and to assess the accuracy of the models using a minimal number of bands.
The bands selected by PLS, NN and VIs were in close agreement and did not depend on the data used.
The results of the uninformative variable elimination PLS approach, where the reliability parameter was
used as an indicator of the information contained in the spectral bands, confirmed the bands selected by
the VIs, NN, and PLS models. All three types of models were able to accurately estimate Chl content with
coefficient of variation below 12% for all three species with VI showing the best performance. NN and PLS
using reflectance in four spectral bands were able to estimate accurately Car content with coefficient of
variation below 14%. The quantitative framework presented here offers a new way of estimating foliar
pigment content not requiring model re-parameterization for different species. The approach was tested
using the spectral bands of the future Sentinel-2 satellite and the results of these simulations showed
that accurate pigment estimation from satellite would be possible.
Pigments are integrally related to the physiological function of
leaves. Chlorophylls (Chl) absorb light energy and transfer it into
the photosynthetic apparatus. Carotenoids (Car) can also contribute
energy to the photosynthetic system. When incident light energy
exceeds that needed for photosynthesis, the Car that compose
the xanthophyll cycle dissipate excess energy avoiding damage
to the photosynthetic system (Demmig-Adams and Adams, 1996).
Because of the importance of pigments for vegetation function,
pigment content may provide information concerning plant productivity
and physiological state.
There are several reasons why leaf pigmentation is important
from an applied perspective to both land managers and ecophysiol-
∗
Corresponding author at: Faculty of Civil and Environmental Engineering, Israel
Institute of Technology, Technion, Technion City, Haifa, Israel. Tel.: [phone];
fax: [phone].
E-mail address: [e-mail] (A. Gitelson).
http://dx.doi.org/10.1016/j.jag.2015.01.003
0303-2434/© 2015 Elsevier B.V. All rights reserved.
© 2015 Elsevier B.V. All rights reserved.
ogists (Richardson et al., 2002). First, the amount of solar radiation
absorbed by a leaf is largely a function of the foliar contents of
photosynthetic pigments, and therefore Chl content directly relates
to photosynthetic potential and hence primary production (Curran
et al., 1990; Filella et al., 1995; Kergoat et al., 2008). Second, much of
leaf nitrogen is incorporated in Chl so quantifying Chl content gives
an indirect measure of nutrient status (Filella et al., 1995; Moran
et al., 2000; Baret et al., 2007; Kergoat et al., 2008; Schlemmer
et al., 2013). Third, pigmentation can be directly related to stress
physiology, as contents of Car increase and contents of Chl generally
decrease under stress and during senescence (Pe
˜
nuelas and
Filella, 1998). Fourth, the relative contents of pigments are known
to change with abiotic factors such as light (e.g., sun leaves have
a higher Chl-a/Chl-b ratio; Larcher, 1995) and so quantifying these
proportions can provide important information about relationships
between plants and their environment.
Traditional methods of pigment analysis, extraction and spectrophotometric
or HPLC measurement, require destruction of the
measured leaves and do not permit measurement of changes in
pigments over time for a single leaf. These techniques are time

ผลลัพธ์ (ไทย) 1:

สมุดรายวันระหว่างประเทศของโลกใช้สังเกตและ Geoinformation 38 (2015) 251-260เนื้อหารายการ ScienceDirectสมุดรายวันระหว่างประเทศของโลกใช้สังเกต และGeoinformationหน้าแรกของสมุดรายวัน: www.elsevier.com/locate/jagการประเมินไม่ใช่ทำลายกับคลอโรฟิลและ carotenoidเนื้อหา: เน้นข้อมูลแถบสเปกตรัมคิระออนซ์มีbมีราฟาเอล Linkerมี, Anatoly Gitelsona, b หมาย∗คณะโยธา และสิ่งแวดล้อมวิศวกรรม อิสราเอล สถาบันเทคโนโลยี Technion เมือง Technion ไฮฟา อิสราเอลโรงเรียนทรัพยากรธรรมชาติ มหาวิทยาลัยของเนบรัสกา ลินคอล์น สหรัฐอเมริกาข้อมูลบทความบทความประวัติ:ได้รับ 30 2557 กันยายนได้รับในแบบฟอร์มการปรับปรุง28 2014 ธันวาคมยอมรับ 7 2015 มกราคมมีออนไลน์ 21คำสำคัญ:Carotenoidsคลอโรฟิลโครงข่ายประสาทเทคนิคไม่ใช่ทำลายReflectanceแนะนำบทคัดย่อเนื้อหาผงใบมีความเข้าใจเกี่ยวกับคุณค่าการผลิต สรีรวิทยา และช่วยสถานะของพืช การวัดสเปกตรัม reflectance มีวิธีรวดเร็ว ไม่ทำลายเม็ดสีการประเมินการ หมายเลขของวิธีใช้ก่อนหน้านี้สำหรับการประเมินใบสีเนื้อหา อย่างไรก็ตามแถบสเปกตรัมที่ใช้หลากหลายรูปแบบและข้อมูลที่ใช้ ของเราคือการหาข้อมูลสเปกตรัมแถบในสามประเภทของรูปแบบ ดัชนีพืชพรรณ (VI), โครงข่ายประสาท (NN) และสี่เหลี่ยมอย่างน้อยบางส่วน (PLS) การถดถอย สำหรับการประเมินใบคลอโรฟิลล์ (Chl) และเนื้อหา carotenoids (รถยนต์)ของพันธุ์ไม้ที่เกี่ยวข้องกับสาม และ การประเมินความถูกต้องของแบบจำลองใช้จำนวนน้อยที่สุดของวงวงที่เลือก โดย PLS, NN และ VIs ในข้อตกลงการปิด และไม่ได้ขึ้นกับข้อมูลที่ใช้ผลของการกำจัดตัวแปร uninformative PLS วิธี ซึ่งเป็นพารามิเตอร์ความน่าเชื่อถือใช้เป็นตัวบ่งชี้ของข้อมูลที่อยู่ในแถบสเปกตรัม confirmed วงที่เลือกรุ่น VIs, NN และ PLS ทั้งสามประเภทของรูปแบบได้อย่างถูกต้องประเมินเนื้อหา Chlcoefficient ของการเปลี่ยนแปลงด้านล่าง 12% สำหรับทุกสายพันธุ์ที่สามกับ VI แสดงประสิทธิภาพสูงสุด NN และ PLSใช้ reflectance ในแถบสเปกตรัมที่สี่ได้มีการประเมินเนื้อหา coefficient ของรถอย่างถูกต้องการเปลี่ยนแปลงด้านล่าง 14% กรอบเชิงปริมาณที่นำเสนอที่นี่ให้บริการแบบใหม่ของการประเมินกับเนื้อหาผงไม่ต้อง parameterization รุ่นใหม่สำหรับสายพันธุ์ที่แตกต่างกัน วิธีการทดสอบใช้แถบสเปกตรัมของดาวเทียม 2 เซนทิเนลในอนาคตและผลของแบบจำลองนี้แสดงให้เห็นว่าการประเมินที่แม่นยำรงควัตถุจากดาวเทียมจะเป็นไปได้เม็ดสีก็เกี่ยวข้องกับการทำงานทางสรีรวิทยาของใบไม้ Chlorophylls (Chl) ดูดซับพลังงานแสง และโอนเข้าเครื่องสังเคราะห์แสง นอกจากนี้ยังสามารถช่วย carotenoids (รถยนต์)พลังงานระบบการสังเคราะห์แสง เมื่อตกกระทบแสงพลังงานเกินกว่าที่จำเป็นสำหรับการสังเคราะห์แสง รถที่ประกอบรอบ xanthophyll กระจายพลังงานส่วนเกินที่หลีกเลี่ยงความเสียหายระบบสังเคราะห์แสง (Demmig Adams และ Adams, 1996)เนื่องจากความสำคัญของสีสำหรับฟังก์ชันพืชเม็ดเนื้อหาอาจให้ข้อมูลเกี่ยวกับผลผลิตของพืชและสถานะทางสรีรวิทยามีหลายเหตุผลที่ทำไมใบสีมีความสำคัญจากมุมมองที่ใช้ในการจัดการที่ดินและ ecophysiol-∗ผู้ที่เกี่ยวข้อง: คณะโยธาและวิศวกรรมสิ่งแวดล้อม อิสราเอลเมือง Technion สถาบันเทคโนโลยี Technion ไฮฟา อิสราเอล โทร: 972 52 9544862โทรสาร: 972 4 8295708อีเมล์: [e-mail] (A. Gitelson)http://dx.doi.org/10.1016/j.jag.2015.01.0030303-2434 / © 2015 Elsevier b.v สงวนลิขสิทธิ์© 2015 Elsevier b.v สงวนลิขสิทธิ์ogists (ริชาร์ดสัน et al. 2002) ครั้งแรก จำนวนของรังสีอาทิตย์ดูดซึม โดยใบไม้เป็นส่วนใหญ่ฟังก์ชั่นของเนื้อหากับสีสังเคราะห์แสง และ Chl เนื้อหาเกี่ยวข้องโดยตรงศักยภาพการสังเคราะห์แสงและผลิตหลักจึง (Curranet al. 1990 Filella et al. 1995 Kergoat et al. 2008) วินาที มากใบไนโตรเจนรวมอยู่ใน Chl เพื่อควอนไทซ์ Chl เนื้อหาให้การวัดทางอ้อมของสถานะสารอาหาร (Filella et al. 1995 ตี้โมแรนet al. 2000 Baret et al. 2007 Kergoat et al. 2008 Schlemmeret al. 2013) ที่สาม เม็ดสีสามารถจะเกี่ยวข้องกับความเครียดสรีรวิทยา เป็นเนื้อหาของรถที่เพิ่มขึ้นและเนื้อหาของ Chl โดยทั่วไปลดลงภาย ใต้ความเครียด และในช่วง (Pe˜nuelas และFilella, 1998) สี่ เป็นที่รู้จักกันหาญาติของเม็ดสีการเปลี่ยนแปลงปัจจัย abiotic เช่นแสง (เช่น แดดใบมีอัตราส่วน Chl-ที่/Chl b สูง Larcher, 1995) ดังนั้น เชิงปริมาณเหล่านี้และสัดส่วนสามารถให้ข้อมูลที่สำคัญเกี่ยวกับความสัมพันธ์ระหว่างพืชและสภาพแวดล้อมวิธีการแบบดั้งเดิมของการวิเคราะห์รงควัตถุ สกัด และ spectrophotometricการ HPLC ต้องทำลายการวัดใบ และไม่อนุญาตให้มีการวัดการเปลี่ยนแปลงในสีช่วงเวลาสำหรับการเดี่ยว เทคนิคเหล่านี้มีเวลา

ผลลัพธ์ (ไทย) 2:

วารสารนานาชาติประยุกต์สังเกตการณ์โลกและ Geoinformation 38 (2015) 251-260
สารบัญรายการสามารถดูได้ที่ ScienceDirect
วารสารนานาชาติประยุกต์สังเกตการณ์โลกและ
Geoinformation
หน้าแรกวารสาร: www.elsevier.com/locate/jag~~V
การประมาณค่าแบบไม่ทำลายของคลอโรฟิทางใบและ carotenoid
เนื้อหา : มุ่งเน้นวงดนตรีสเปกตรัมข้อมูล
ออนซ์คิระB ราฟาเอล Linker , Anatoly Gitelson A, B, * คณะวิศวกรรมโยธาและสิ่งแวดล้อมอิสราเอลสถาบันเทคโนโลยี Technion, Technion เมืองอิสราเอลโรงเรียนทรัพยากรธรรมชาติมหาวิทยาลัย เนบราสก้า, Lincoln, USA ข้อมูลบทความประวัติศาสตร์บทความที่ได้รับ 30 กันยายน 2014 ที่ได้รับในรูปแบบปรับปรุง28 ธันวาคม 2014 ได้รับการยอมรับ 7 มกราคม 2015 ที่มีจำหน่ายออนไลน์ 7 กุมภาพันธ์ 2015 คำสำคัญ: Carotenoids คลอโรฟิลเครือข่ายประสาทเทคนิคแบบไม่ทำลายเรื่อง FL ectance บทนำนามธรรมเนื้อหาเม็ดสีใบให้ข้อมูลเชิงลึกที่มีคุณค่าใน ผลผลิตทางสรีรวิทยาและ phenological สถานะของพืช การวัดสเปกตรัม ectance ฟลอริด้าอีกครั้งอย่างรวดเร็วมีวิธีไม่ทำลายเม็ดสีสำหรับการประมาณค่า จำนวนของวิธีการถูกนำมาใช้ก่อนหน้านี้สำหรับการประมาณค่าของเม็ดสีใบ แต่วงดนตรีสเปกตรัมลูกจ้างที่แตกต่างกันอย่างกว้างขวางในหมู่รุ่นและข้อมูลที่ใช้ วัตถุประสงค์ของเราคือการ fi ND วงดนตรีสเปกตรัมข้อมูลในสามประเภทของแบบจำลองดัชนีพืชพรรณ (vi), เครือข่ายประสาท (NN) และสี่เหลี่ยมอย่างน้อยบางส่วน (PLS) ระดับการถดถอยสำหรับการประเมินคลอโรฟิลใบ (Chl) และนอยด์ (รถยนต์) เนื้อหาในสามที่ไม่เกี่ยวข้องกัน ต้นไม้ชนิดและเพื่อประเมินความถูกต้องของแบบจำลองที่ใช้จำนวนน้อยที่สุดของวงดนตรี. วงเลือกโดย PLS, NN และ VIS อยู่ในข้อตกลงที่ใกล้ชิดและไม่ได้ขึ้นอยู่กับข้อมูลที่ใช้. ผลของการกำจัดวิธี PLS ตัวแปร uninformative ที่ พารามิเตอร์ความน่าเชื่อถือที่ถูกนำมาใช้เป็นตัวบ่งชี้ของข้อมูลที่มีอยู่ในวงดนตรีที่สเปกตรัมการ Con Fi rmed วงดนตรีที่เลือกโดยพิพาท, NN และรูปแบบ PLS ทั้งสามประเภทของแบบจำลองก็สามารถที่จะประเมินได้อย่างถูกต้องเนื้อหา Chl กับCOEF Fi ประสิทธิภาพของการเปลี่ยนแปลงต่ำกว่า 12% สำหรับทั้งสามสายพันธุ์ที่มี VI แสดงประสิทธิภาพที่ดีที่สุด NN และ PLS ใช้อีกครั้งในฟลอริด้า ectance สี่วงสเปกตรัมก็สามารถที่จะประเมินได้อย่างถูกต้องเนื้อหารถพร้อม COEF Fi ประสิทธิภาพของการเปลี่ยนแปลงด้านล่าง 14% กรอบการทำงานเชิงปริมาณนำเสนอที่นี่มีวิธีการใหม่ของการประเมินทางใบเนื้อหาเม็ดสีที่ไม่ต้องรุ่นใหม่ parameterization สำหรับสายพันธุ์ที่แตกต่างกัน วิธีการที่ได้รับการทดสอบโดยใช้วงดนตรีสเปกตรัมของอนาคต Sentinel-2 ดาวเทียมและผลของการจำลองเหล่านี้แสดงให้เห็นว่าการประมาณค่าสีที่ถูกต้องจากดาวเทียมจะเป็นไปได้. รงควัตถุที่เกี่ยวข้องบูรณาการการทำงานของทางสรีรวิทยาของใบ chlorophylls (Chl) ดูดซับพลังงานแสงและการถ่ายโอนลงในเครื่องสังเคราะห์แสง นอยด์ (รถยนต์) นอกจากนี้ยังสามารถนำพลังงานไปยังระบบการสังเคราะห์แสง เมื่อพลังงานแสงเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นเกินกว่าที่จำเป็นสำหรับการสังเคราะห์แสงรถยนต์ที่ประกอบวงจรแซนโทฟิกระจายพลังงานส่วนเกินที่หลีกเลี่ยงความเสียหายกับระบบสังเคราะห์แสง (Demmig-ดัมส์และอดัมส์, 1996). เพราะความสำคัญของเม็ดสีสำหรับการทำงานของพืช, เนื้อหาเม็ดสีอาจให้ ข้อมูลเกี่ยวกับการผลิตพืช. และรัฐทางสรีรวิทยามีเหตุผลหลายประการที่ใบคล้ำเป็นสิ่งสำคัญจากมุมมองนำไปใช้กับทั้งผู้จัดการที่ดินและ ecophysiol- * ผู้เขียนที่สอดคล้องกันได้ที่: คณะวิศวกรรมโยธาและสิ่งแวดล้อมอิสราเอลสถาบันเทคโนโลยี Technion, Technion เมือง อิสราเอล Tel .: [phone]; Fax: [phone]. . E-mail address: [e-mail] ( A. Gitelson) http://dx.doi.org/10.1016/j.jag.2015.01.003 0303-2434 / 2015 © Elsevier BV สงวนลิขสิทธิ์. © 2015 Elsevier BV สงวนลิขสิทธิ์. ogists (ริชาร์ด et al., 2002) ครั้งแรกปริมาณของรังสีแสงอาทิตย์ดูดซึมโดยใบเป็นส่วนใหญ่การทำงานของเนื้อหาทางใบของเม็ดสีสังเคราะห์และเนื้อหาจึง Chl เกี่ยวข้องโดยตรงในการผลิตที่มีศักยภาพและด้วยเหตุนี้หลักสังเคราะห์ (เคอร์แร, et al, 1990;. Filella et al, 1995. ; Kergoat et al, 2008). ประการที่สองมากของไนโตรเจนใบจดทะเบียนใน Chl ดังนั้นปริมาณเนื้อหา Chl ให้มาตรการทางอ้อมของสถานะสารอาหาร (Filella, et al, 1995;. แรน. et al, 2000; Baret et al, 2007;. Kergoat et al, 2008. Schlemmer et al., 2013) ประการที่สามผิวคล้ำอาจจะเกี่ยวข้องโดยตรงกับความเครียดสรีรวิทยาเป็นเนื้อหาของการเพิ่มขึ้นของรถและเนื้อหาของ Chl โดยทั่วไปลดลงภายใต้ความกดดันและในระหว่างการชราภาพ (PE ~ nuelas และFilella, 1998) ประการที่สี่การเนื้อหาญาติของเม็ดสีที่เป็นที่รู้จักกันในการเปลี่ยนแปลงที่มีปัจจัยแวดล้อมเช่นแสง (เช่นดวงอาทิตย์ใบมีสูง Chl-อัตราส่วน / Chl-B; Larcher, 1995) และเพื่อให้ปริมาณเหล่านี้สัดส่วนที่สามารถให้ข้อมูลที่สำคัญเกี่ยวกับความสัมพันธ์ระหว่าง พืชและสภาพแวดล้อมของพวกเขา. วิธีการดั้งเดิมของการวิเคราะห์สีสกัดและสเปกหรือ HPLC วัดจำเป็นต้องมีการทำลายของใบวัดและไม่อนุญาตให้มีการวัดการเปลี่ยนแปลงในเม็ดสีในช่วงเวลาสำหรับเป็นใบเดี่ยว เทคนิคเหล่านี้มีเวลา