Generating vegetation-spectra as a basis for global monitoring of annual vegetation cycles using DOAS satellite observations

Vegetation-cycles are of general interest for many applications. Be it for harvest-predictions, global monitoring of climate-change or as input to atmospheric models.rnrnCommon Vegetation Indices use the fact that for vegetation the difference between Red and Near Infrared reflection is higher than in any other material on Earth’s surface. This gives a very high degree of confidence for vegetation-detection.rnrnThe spectrally resolving data from the GOME and SCIAMACHY satellite-instrumentsrnprovide the chance to analyse finer spectral features throughout the Red and Near Infrared spectrum using Differential Optical Absorption Spectroscopy (DOAS). Although originally developed to retrieve information on atmospheric trace gases, we use it to gain information on vegetation. Another advantage is that this method automatically corrects for changes in the atmosphere. This renders the vegetation-information easily comparable over long time-spans.rnThe first results using previously available reference spectra were encouraging, but also indicated substantial limitations of the available reflectance spectra of vegetation. This was the motivation to create new and more suitable vegetation reference spectra within this thesis.rnThe set of reference spectra obtained is unique in its extent and also with respect to its spectral resolution and the quality of the spectral calibration. For the first time, this allowed a comprehensive investigation of the high-frequency spectral structures of vegetation reflectance and of their dependence on the viewing geometry.rnrnThe results indicate that high-frequency reflectance from vegetation is very complex and highly variable. While this is an interesting finding in itself, it also complicates the application of the obtained reference spectra to the spectral analysis of satellite observations.rnrnThe new set of vegetation reference spectra created in this thesis opens new perspectives for research. Besides refined satellite analyses, these spectra might also be used for applications on other platforms such as aircraft. First promising studies have been presented in this thesis, but the full potential for the remote sensing of vegetation from satellite (or aircraft) could bernfurther exploited in future studies.

Vegetationszyklen sind für viele Anwendungen interessant. Sei es zur Erntevorhersage, zur Beobachtung des Klimawandels oder als Eingabeparameter für Atmosphärenmodelle.rnrnGewöhnlich nutzen Vegetationsindizes die Tatsache aus, dass der Unterschied der Reflektion der Pflanzen im Roten und nahen Infrarot höher ist als bei irgend einem anderen Material auf der Erdoberfläche. Dies macht die Erkennung von Vegetation sehr zuverlässig. rnrnDie spektral auflösenden Daten der Satelliteninstrumente GOME und SCIAMACHY erlauben nun die Konzentration auf feinere spektrale Strukturen im Spektrum von Rot und nahem Infrarot. Dazu benutzen wir Differenzielle Optische Absorptions Spektroskopie (DOAS). Obwohl diese Methode ursprünglich entwickelt wurde, um Spurengase in der Atmosphäre zu untersuchen, nutzen wir sie hier, um Informationen über Vegetation zu gewinnen. Ein anderer Vorteil dieser Methode ist, dass sie automatisch die Veränderungen in der Atmosphäre korrigiert und so einen einfachen Vergleich der Vegetationsinformationen über lange Zeitsräume erlaubt.rnrnDie ersten Versuche mit schon vorhandenen Vegetationsspektren waren ermutigend, zeigten aber auch substantielle Grenzen auf. Deshalb wurde deutlich, dass neue, besser angepaßte Vegetationsreferenzspektren nötig sind, die hier vorgestellt werden. Bei der Erzeugung dieser neuen Vegetationsreferenzspektren wurde große Sorgfalt darauf verwendet, alle erdenklichen externen Einflüsse auf die Messungen auszuschließen.rnrnDer Unfang und die spektrale Qualität dieser erzeugten Referenzdaten sind in ihrer Art einmalig. Erstmals wurde es so möglich, die hochfrequenten spektralen Strukturen der Reflektion von Pflanzen und ihre Abhängigkeit von der geometrischen Konfiguration des Lichts und des Meßinstruments zu untersuchen.rnrnDie Ergebnisse zeigen, dass die hochfrequente Reflektion der Vegetation sehr komplex und hoch variabel ist. Während dies an sich ein interessantes Ergebnis ist, kompliziert es die Anwendung der erzeugten Referenzspektren auf Satellitenauswertungen.rnrnDie in dieser Arbeit vorgestellten neuen Referenzspektren öffnen neue Perspektiven für die Forschung. Zusätzlich zur verbesserten Auswertung von Satellitendaten können diese Spektren auch von anderen Anwendungen und Plattformen wie z.B. Flugzeugen, genutzt werden. Erste viel versprechende Studien werden in dieser Arbeit vorgestellt, aber das volle Potential für die Satelliten (oder Flugzeug) -gestützte Vegetations-Fernerkundung kann erst in zukünftigen weiteren Untersuchungen ausgenutzt werden.rn