Estimating Biophysical Parameters of Native Grasslands Using Spectral Data Derived from Close Range Hyperspectral and Satellite Data

Abstract

Estimating biophysical parameters of native grassland enables management changes that affect ecological processes and economic benefits. Although multiple hyperspectral studies were focused on native grasslands, just a few compare data at different scales and among ecoregions. In this study, we compared data collected at different spectral and spatial scales and among Canadian Prairie ecoregions. Field observations indicate that the Fescue Ecoregion grasslands has specific dominant species, while the Moist-Mixed and Mixed Ecoregions share similar dominant species, which is important in determining parameters such as leaf area index (LAI) and canopy height. Hyperspectral measurements showed a specific signature for the Fescue Ecoregion, due to denser canopies, while the Moist-Mixed and Mixed Ecoregions showed similar spectral characteristics to each other. The correlation between biophysical parameters and spectral indices reveals the importance of LAI, since it was significantly correlated with all spectral indices analyzed. The Normalized Difference Vegetation Index (NDVI), Normalized Difference Moisture Index (NDMI), and the Plant Senescence Reflectance Index (PSRI) showed significant correlations with biophysical parameters. The comparison results indicated the PSRI being overestimated at all sites (satellite data) and NDVI underestimated at all sites. Finally, the satellite-derived LAI showed a significant positive relationship with the field-measured LAI.

RÉSUMÉ

L'estimation des paramètres biophysiques des prairies naturelles permet d'effectuer des changements de gestion qui influencent les processus écologiques et les rendements économiques. Dans les nombreuses études hyperspectrales axées sur les prairies naturelles, peu d'études comparent les données à différentes échelles et entre les écorégions. Dans cette étude, nous avons comparé les données recueillies à différentes échelles spectrales et spatiales et entre les écorégions des prairies canadiennes. Les observations sur le terrain indiquent que les prairies de l'écorégion de la fétuque ont des espèces dominantes spécifiques, tandis que les écorégions humide-mixte et mixte partagent des espèces dominantes similaires, ce qui est important pour déterminer des paramètres tels que l'indice de surface foliaire (LAI) et la hauteur du couvert. Les mesures hyperspectrales ont montré une signature spécifique pour l'écorégion de la fétuque, due à des canopées plus denses, tandis que les écorégions humide-mixte et mixte ont montré des caractéristiques spectrales similaires les unes aux autres. La corrélation entre les paramètres biophysiques et les indices spectraux révèle l'importance du LAI, puisqu'il était significativement corrélé avec tous les indices spectraux analysés. L'indice de végétation par différence normalisée (NDVI), l'indice d'humidité par différence normalisée (NDMI) et l'indice de réflectance de la sénescence des plantes (PSRI) ont montré des corrélations significatives avec les paramètres biophysiques. Les résultats ont révélé que le PSRI était surestimé sur tous les sites (données satellitaires) et le NDVI sous-estimé sur tous les sites. Enfin, l'indice LAI dérivé du satellite a montré une relation positive significative avec l'indice LAI mesuré sur le terrain.

Acknowledgements

The authors are grateful for the contribution of Anne Farineau and Emily Lindsay in collecting field data and to Gerald Slomp and Craig Demaere for facilitating access to field sites.

Disclosure statement

No potential conflict of interest was reported by the author(s).

Notes

1 https://sis.agr.gc.ca/cansis/nsdb/ecostrat/gis_data.html

2 https://earthexplorer.usgs.gov

3 https://step.esa.int/main/download/snap-download/

Additional information

Funding

The authors are grateful to Agriculture and Agri-Food Canada, University of Saskatchewan, and The Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC) for funding and for the opportunity to participate in a joint project.