Retrieving seasonal variation in chlorophyll content of overstory and understory sugar maple leaves from leaf-level hyperspectral data

Abstract

Leaf chlorophyll content is a useful parameter for assessing vegetation physiological status and dominates the spectral signal of leaf and canopy reflectance at visible wavelengths. Using hyperspectral instruments, we quantified leaf chlorophyll content and optical properties for 255 overstory and understory leaf samples through the growing season in a mature sugar maple (Acer saccharum) stand. Strong seasonal and canopy-height-related differences were observed in both leaf chlorophyll content and leaf reflectance and transmittance spectra. Seasonal and canopy-height-related variation in leaf spectra were closely related to leaf chlorophyll content. We estimated leaf chlorophyll content using two approaches, namely empirical spectral indices, and a mathematical inversion of the leaf optical model PROSPECT. Both estimates were highly correlated with the measured leaf chlorophyll content; however, the spectral indices resulted in greater accuracy, with the best-performing index (modified simple ratio) showing an accuracy of R² = 0.88 and RMSE = 3.94 µg/cm². A leaf thickness factor was introduced in the PROSPECT model to take into account the effects of changes in leaf structure on light absorption. The model inversion was improved after incorporating leaf thickness factors based on observed seasonal and canopy-height-related variation in leaf thickness. The improved model had the best performance, with an accuracy of R² = 0.93 and RMSE = 3.09 µg/cm² in retrieved leaf chlorophyll concentration in comparison with laboratory measurements.

La teneur en chlorophylle des feuilles est un paramètre utile pour l'évaluation de l'état physiologique de la végétation et cette dernière domine le signal spectral de la réflectance des feuilles et du couvert dans les longueurs d'onde du visible. À l'aide d'instruments oeuvrant dans l'hyperspectral, nous avons quantifié la teneur en chlorophylle des feuilles ainsi que les propriétés optiques de 255 échantillons de feuilles de l'étage supérieur et inférieur du couvert au cours de la saison de croissance dans un peuplement d'érables à sucre (Acer saccharum). Des différentes considérables ont été observées selon les saisons et au niveau de la hauteur du couvert à la fois dans la teneur en chlorophylle des feuilles et les spectres de réflectance et de transmittance des feuilles. Les variations saisonnières et de la hauteur du couvert dans les spectres des feuilles étaient étroitement reliées à la teneur en chlorophylle des feuilles. Nous avons estimé la teneur en chlorophylle des feuilles en utilisant deux approches : les indices spectraux empiriques et une inversion mathématique du modèle optique des feuilles PROSPECT. Les deux estimations étaient fortement corrélées avec la teneur en chlorophylle des feuilles mesurée; toutefois, les indices spectraux ont donné une plus grande précision, l'indice le plus performant (ratio simple modifié) affichant une précision de R² = 0,88 et RMSE = 3,94 µg/cm². Nous avons introduit un facteur pour l'épaisseur des feuilles dans le modèle PROSPECT pour tenir compte des effets des changements dans la structure des feuilles sur l'absorption de la lumière. L'inversion du modèle a été améliorée grâce à l'intégration de facteurs pour l'épaisseur des feuilles basés sur les variations saisonnières et de la hauteur du couvert observées au niveau de l'épaisseur des feuilles. Le modèle amélioré affichait la meilleure performance, avec une précision de R² = 0,93 et RMSE = 3,09 µg/cm² dans l'extraction de la concentration de la chlorophylle des feuilles comparativement aux mesures en laboratoire.

[Traduit par la Rédaction]