Environmental variables modeling based on remote sensing data using time series analysis: forestry and agricultural applications

En la actualidad, el seguimiento de la dinámica de los procesos medio ambientales está considerado como un punto de gran interés en el campo medioambiental. La cobertura espacio temporal de los datos de teledetección proporciona información continua con una alta frecuencia temporal, permitiendo el análisis de la evolución de los ecosistemas desde diferentes escalas espacio-temporales. Aunque el valor de la teledetección ha sido ampliamente probado, en la actualidad solo existe un número reducido de metodologías que permiten su análisis de una forma cuantitativa. En la presente tesis se propone un esquema de trabajo para explotar las series temporales de datos de teledetección, basado en la combinación del análisis estadístico de series de tiempo y la fenometría. El objetivo principal es demostrar el uso de las series temporales de datos de teledetección para analizar la dinámica de variables medio ambientales de una forma cuantitativa. Los objetivos específicos son: (1) evaluar dichas variables medio ambientales y (2) desarrollar modelos empíricos para predecir su comportamiento futuro. Estos objetivos se materializan en cuatro aplicaciones cuyos objetivos específicos son: (1) evaluar y cartografiar estados fenológicos del cultivo del algodón mediante análisis espectral y fenometría, (2) evaluar y modelizar la estacionalidad de incendios forestales en dos regiones bioclimáticas mediante modelos dinámicos, (3) predecir el riesgo de incendios forestales a nivel pixel utilizando modelos dinámicos y (4) evaluar el funcionamiento de la vegetación en base a la autocorrelación temporal y la fenometría. Los resultados de esta tesis muestran la utilidad del ajuste de funciones para modelizar los índices espectrales AS1 y AS2. Los parámetros fenológicos derivados del ajuste de funciones permiten la identificación de distintos estados fenológicos del cultivo del algodón. El análisis espectral ha demostrado, de una forma cuantitativa, la presencia de un ciclo en el índice AS2 y de dos ciclos en el AS1 así como el comportamiento unimodal y bimodal de la estacionalidad de incendios en las regiones mediterránea y templada respectivamente. Modelos autorregresivos han sido utilizados para caracterizar la dinámica de la estacionalidad de incendios y para predecir de una forma muy precisa el riesgo de incendios forestales a nivel pixel. Ha sido demostrada la utilidad de la autocorrelación temporal para definir y caracterizar el funcionamiento de la vegetación a nivel pixel. Finalmente el concepto “Optical Functional Type” ha sido definido, donde se propone que los pixeles deberían ser considerados como unidades temporales y analizados en función de su dinámica temporal. ix SUMMARY A good understanding of land surface processes is considered as a key subject in environmental sciences. The spatial-temporal coverage of remote sensing data provides continuous observations with a high temporal frequency allowing the assessment of ecosystem evolution at different temporal and spatial scales. Although the value of remote sensing time series has been firmly proved, only few time series methods have been developed for analyzing this data in a quantitative and continuous manner. In the present dissertation a working framework to exploit Remote Sensing time series is proposed based on the combination of Time Series Analysis and phenometric approach. The main goal is to demonstrate the use of remote sensing time series to analyze quantitatively environmental variable dynamics. The specific objectives are (1) to assess environmental variables based on remote sensing time series and (2) to develop empirical models to forecast environmental variables. These objectives have been achieved in four applications which specific objectives are (1) assessing and mapping cotton crop phenological stages using spectral and phenometric analyses, (2) assessing and modeling fire seasonality in two different ecoregions by dynamic models, (3) forecasting forest fire risk on a pixel basis by dynamic models, and (4) assessing vegetation functioning based on temporal autocorrelation and phenometric analysis. The results of this dissertation show the usefulness of function fitting procedures to model AS1 and AS2. Phenometrics derived from function fitting procedure makes it possible to identify cotton crop phenological stages. Spectral analysis has demonstrated quantitatively the presence of one cycle in AS2 and two in AS1 and the unimodal and bimodal behaviour of fire seasonality in the Mediterranean and temperate ecoregions respectively. Autoregressive models has been used to characterize the dynamics of fire seasonality in two ecoregions and to forecasts accurately fire risk on a pixel basis. The usefulness of temporal autocorrelation to define and characterized land surface functioning has been demonstrated. And finally the “Optical Functional Types” concept has been proposed, in this approach pixels could be as temporal unities based on its temporal dynamics or functioning.

La silvicultura como primera operación de transformación de la madera Forestry as the first operation of wood transformation

Se analiza la influencia de las principales actuaciones selvicolas en la calidad de la madera. Turno, Espaciamiento, Poda, Abonado, Riego y Tratamiento contra plagas.

Teaching Planning of Forestry Engineering in Spain : origins and evolution

This paper addresses the historical evolution of, from its inception, to the present day, within the changing context of EHEA and linked to professional competences. The research methodology, although it is mainly a historical document review, expert opinions on university educational planning of university education of forestry engineering in Spain are also included. The results show the evolution of centralized planning, based on technical knowledge transmission to an approach based on competences (technical, contextual and behavioral) focusing on learning for improving employability.

Modelling agro-forestry scenarios for ammonia abatement in the landscape

Ammonia emissions from livestock production can have negative impacts on nearby protected sites and ecosystems that are sensitive to eutrophication and acidification. Trees are effective scavengers of both gaseous and particulate pollutants from the atmosphere making tree belts potentially effective landscape features to support strategies aiming to reduce ammonia impacts. This research used the MODDAS-THETIS a coupled turbulence and deposition turbulence model, to examine the relationships between tree canopy structure and ammonia capture for three source types?animal housing, slurry lagoon, and livestock under a tree canopy. By altering the canopy length, leaf area index, leaf area density, and height of the canopy in the model the capture efficiencies varied substantially. A maximum of 27% of the emitted ammonia was captured by tree canopy for the animal housing source, for the slurry lagoon the maximum was 19%, while the livestock under trees attained a maximum of 60% recapture. Using agro-forestry systems of differing tree structures near ?hot spots? of ammonia in the landscape could provide an effective abatement option for the livestock industry that complements existing source reduction measures.

The role of visualizations in urban forestry. Conclusions from managers’ perspectives

La presente tesis examina el uso potencial y actual de las técnicas de simulación visual aplicadas al campo de la gestión y la planificación del arbolado urbano. El estudio incluye las aplicaciones potenciales de las visualizaciones por ordenador, así como los beneficios que esto acarrearía. También se analizan las posibles barreras que surgirían de la implementación de esta nueva herramienta y se ofrece una lista de recomendaciones para superarlas. La investigación tiene un carácter exploratorio que utiliza una combinación de técnicas de investigación cuantitativas y cualitativas, dónde se emplean cuestionarios y entrevistas personales semi-estructuradas para estudiar y analizar las opiniones y reacciones de los gestores de arbolado urbano de los distritos de la ciudad de Londres (Reino Unido), denominados Tree Officers (LTOs). Para el desarrollo de la tesis se recopilaron y analizaron las respuestas al cuestionario del 41 por ciento de los LTOs pertenecientes al 88 por ciento de los distritos de Londres y se realizaron un total de 17 entrevistas personales. Los resultados del análisis estadístico de las respuestas del cuestionario y los análisis cruzados de las distintas variables se complementaron con las conclusiones obtenidas del análisis temático de los datos cualitativos recopilados durante las entrevistas. Los usos potenciales de las técnicas de simulación visual aplicadas a la gestión y planificación del arbolado urbano sugeridos fueron obtenidos combinado las conclusiones de, primero, la comparación de las cuestiones que los LTOs consideraron que más tiempo y recursos necesitaban y que actualmente no era posible resolverlas satisfactoriamente con las herramientas y los procesos disponibles, con la información acerca de cómo se habían empleado las visualizaciones en situaciones similares en otros campos tales como planificación urbano, el paisajismo o la gestión forestal. Segundo, se analizaron las reacciones y opiniones de los LTOs ante un conjunto de visualizaciones presentadas durante las entrevistas, desarrolladas ad hoc para mostrar un abanico representativo de ejemplos de utilización de las técnicas de simulación visual, que, a su vez se complementaron con los usos adicionales que los propios LTOs sugirieron tras ver las visualizaciones presentadas. Los resultados muestran que el uso actual de simulaciones visuales por parte de los LTOs es muy limitado pero si que reciben un gran número de visualizaciones de otros departamentos y como parte de la documentación presentada en las solicitudes de permisos para edificación o desarrollo urbanístico. Los resultados indican que las visualizaciones que son presentadas a los LTOs no son objetivas ni precisas por lo que se argumenta que esta situación es un factor importante que impide una toma de decisiones adecuada y una correcta transmisión de infracción al público y al resto de partes implicadas. Se sugiere la creación de un código que regule el uso de visualizaciones en el campo de la gestión y planificación del arbolado urbano. ABSTRACT This thesis examined the use of computer visualizations in urban forestry management and planning. Potential roles of visualizations were determined the benefits that its use would provide. Additionally, the possible barriers in the implementation of visualizations in urban forestry management and planning were also studied and recommendations on how to overcome them were provided The research conducted was an exploratory study using survey research methods and personal semi-structured interviews. The perspectives and reactions of London (UK) boroughs’ tree officers (LTOs) were analysed combining quantitative and qualitative research methods. The study surveyed 41 percent of all Tree Officers in London, obtaining responses from 88 percent of the boroughs and performed 17 personal interviews. Statistical analysis of the data and cross-variables analysis provided rich information that was then complemented with the conclusions from thematic analysis of the qualitative data from the interviews. Potential roles of visualizations were determined first by understanding the challenges that LTOs are facing today and comparing them with how visualizations have helped in similar situations in urban forestry and other related fields like landscape architecture, urban planning and forestry; second, the reactions of LTOs to a set of examples of proposed uses of visualizations were also complemented with the additional uses proposed by LTOs after seeing the visualizations. The visualizations were created ad hoc to show a variety of representative examples of the sue of visualization in urban forestry management and planning and were presented during the interviews to LTOS. Results show that the current production of visualizations is very reduced among tree officers but that they are frequent receptors of visualizations coming from other departments and as part of the documentation of planning applications. Findings show that the current visualizations that get to Tree Officers are biased and inaccurate and therefore it is argued the the current use of visualizations is a threat to legitimate informed decision making and public information. The development of a code for the use of visualizations in urban forestry management and planning is suggested.

Bulletin / Department of Agriculture, Forestry Division.

13

Bulletin / Department of Agriculture, Forestry Division.

8 pt. 2

Bulletin / Department of Agriculture, Forestry Division.

no. 24 pt. 1

The Contribution of Agriculture, Forestry and other Land Use activities to Global Warming, 1990-2012

Date of Acceptance: 16/12/2014 Acknowledgements: This work was carried out with generous funding by the Governments of Germany (GCP/GLO/286/GER) and Norway (GCP/GLO/325/NOR) to the ‘Monitoring and Assessment of GHG Emissions and Mitigation Potential from Agriculture’ Project of the FAO Climate, Energy and Tenure Division. P. Smith is a Royal Society Wolfson Merit Award holder, and his input contributes to the University of Aberdeen Environment and Food Security Theme and to Scotland's ClimateXChange. J. House was funded by a Leverhulme Research Fellowship. The FAO Statistics Division maintains the FAOSTAT Emissions database with regular program funds allocated through Strategic Objective 6. © 2015 John Wiley & Sons Ltd.

Bulletin / Department of Agriculture, Forestry Division.

10-12

American forestry.

17, 1911

American forestry.

23, 1917

American forestry.

16, 1910

American forestry.

20, 1914

American forestry.

25, 1919