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Ecological applications of imaging spectroscopy in alpine grasslands


Schweiger, Anna-Katharina. Ecological applications of imaging spectroscopy in alpine grasslands. 2015, University of Zurich, Faculty of Science.

Abstract

Ecosystem ecology investigates the processes driving ecosystems, the services ecosystems provide and how these processes and services are linked to the organism community. However, due to the complexity of ecosystems and an inherent multitude of interactions, the links between ecosystem processes and services and the organism community are only partly understood. The vegetation community serves as an indicator for various ecosystem processes and services, as plants integrate synergistic as well as antagonistic environmental factors over space and time and are relatively easy observable. However, vegetation surveys are time consuming and require area-specific expert knowledge and are thus usually limited to small research plots located within limited geographic areas. In alpine grasslands, high heterogeneity and diversity, together with restricted accessibility and sensibility to disturbance, pose additional challenges for traditional vegetation ecology studies. In the face of global change, there is an increasing demand for continuous and large scale vegetation data to enable coherent ecosystem assessment. Remote sensing enables collecting such continuous data over large, heterogeneous and poorly accessible areas within short periods of time. Imaging spectroscopy is particularly useful in vegetation ecology, as the spectral response provides detailed information on the structural and biochemical characteristics of the material measured. Moreover, current developments are directed towards increasing the spatial and spectral resolution of sensors and scaling their application from field measurements to regions covered by airborne and spaceborne sensors. Thus, establishing the causal links between the spectral response of the vegetation, plant structural, biochemical and functional traits, trait diversity and the ecological relevance of these traits provides the opportunity to bring ecosystem ecology to the landscape and global level. Together with assessing the consequences of altering trait abundances, these links can be used to address today´s most challenging environmental issues, such as resource exploitation and changes to biogeochemical cycles. This thesis introduces a common framework for merging the theory and concepts of imaging spectroscopy and vegetation ecology. Furthermore, it illustrates how imaging spectroscopy and vegetation data can be combined to successfully model, predict and map a series of vegetation community traits, i.e. plant biomass, plant nitrogen and fibre content, plant life and growth forms, strategy types and indicator values. According to our results, a sampling design covering the entire expected heterogeneity of the research area and validation data sets enabling to assess model plausibility and transferability between sites and scales seems highly advantageous. The application of vegetation quantity and quality maps for the analysis of animal movement patterns shows how imaging spectroscopy can be used to gain additional insights into a classic ecological question, i.e. resource partitioning within an animal guild. In summary, the results and products of this thesis, high resolution maps of vegetation community traits, provide the basis for assessing and monitoring ecosystem processes and species distributions in a strictly protected and highly diverse alpine ecosystem, the Swiss National Park (SNP).

ZUSAMMENFASSUNG
Die Ökosystem-Ökologie untersucht das Wirkungsgefüge von Organismengemeinschaften, Ökosystemprozessen und -dienstleistungen. Diese Wechselwirkungen sind auf Grund der vielen beteiligten Faktoren und der dadurch komplexen Interaktionen nur schwer im Einzelnen zu fassen. Vegetationsgemeinschaften können als Indikatoren für Ökosystemprozesse und -dienstleistungen dienen, da Pflanzen sowohl synergistische als auch antagonistische Ökosystemprozesse auf räumlicher und zeitlicher Ebene integrieren und zudem relativ einfach zu beobachten sind. Botanische Aufnahmen sind allerdings zeitaufwendig und benötigen standortspezifische Artenkenntnis, weshalb sie meist auf einzelne Probeflächen eines kleinen Gebiets begrenzt sind. Alpine Graslandschaften zeichnen sich zudem durch grosse Heterogenität und Diversität aus, sind oft nur schwer zugänglich und können mitunter sehr sensibel auf Störungen reagieren, was eine zusätzliche Herausforderung für traditionelle vegetationsökologische Feldaufnahmen darstellt. Angesicht des globalen Wandels bedarf es allerdings flächendeckender und grossräumiger Datensätze, um Ökosystemprozesse und die von ihnen bereitgestellten Dienstleistungen vergleichbar zu beurteilen. Fernerkundungsmethoden ermöglichen es, solche flächendeckenden Daten selbst in heterogenen und schwer zugänglichen Gebieten innerhalb kurzer Zeit zu erfassen. Das spektrale Signal von Bildspektrometern ergibt sich aus den strukturellen und biochemischen Eigenschaften der gemessenen Substanz, weshalb sich diese Methode besonders gut für die vegetationsökologische Forschung eignet. Laufende Entwicklungen im Bereich von Bildspektrometern zielen ausserdem auf die Erhöhung der räumlichen und spektralen Auflösung, sowie auf ihre Implementierung in Luftbild- und Satellitensysteme ab. Die Herstellung kausaler Verbindungen zwischen dem spektralen Signal der Vegetation und den strukturellen, biochemischen und funktionellen Pflanzeneigenschaften, deren Verteilung und Relevanz, sowie der Konsequenzen einer Veränderung dieser Eigenschaften, ermöglicht es daher, Ökosystem-Ökologie auf die landschaftliche und globale Ebene auszuweiten. Somit werden die Voraussetzungen geschaffen, um grossen aktuellen Umweltproblemen, wie der Ausbeutung von Ressourcen und der Veränderung des biogeochemischen Kreislaufs, wirkungsvoll entgegenzutreten. Die vorliegende Arbeit verknüpft die Theorien und Konzepte von Bildspektrometrie und Vegetationsökologie und fasst sie in einen gemeinsamen Rahmen. Wir zeigen, wie Biomasse, Stickstoff- und Fasergehalt der Vegetation, sowie verschiedene funktionelle Pflanzentypen (Lebensformen, Wuchsformen, Strategietypen und Indikatoren), durch die Kombination von Bildspektrometrie- und Vegetationsdaten, erfolgreich modelliert, vorhergesagt und kartiert werden können. Dabei erwiesen sich Bodendaten, welche die gesamte zu erwartende Heterogenität der Vegetation abdecken, als überaus vorteilhaft. Zusätzliche Validierungsdaten ermöglichten es, die Plausibilität und Übertragbarkeit der Modelle zu überprüfen. Die Analyse von Tierbewegungsmustern veranschaulicht, wie Karten zur Vegetationsquantität und -qualität angewandt werden können, um zusätzliche Einblicke in eine klassische ökologische Fragestellung, die Ressourcenaufteilung innerhalb einer Artengemeinschaft, zu gewinnen. Die hochauflösenden Karten funktioneller Vegetationseigenschaften des alpinen Graslands, die im Rahmen dieser Arbeit erstellt wurden, dienen als Grundlage zur Untersuchung einer Vielzahl von Ökosystemprozessen, sowie der Verbreitungsmuster verschiedener Arten im streng geschützten, hochdiversen, alpinen Ökosystems des Schweizerischen Nationalparks (SNP).



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Abstract

Ecosystem ecology investigates the processes driving ecosystems, the services ecosystems provide and how these processes and services are linked to the organism community. However, due to the complexity of ecosystems and an inherent multitude of interactions, the links between ecosystem processes and services and the organism community are only partly understood. The vegetation community serves as an indicator for various ecosystem processes and services, as plants integrate synergistic as well as antagonistic environmental factors over space and time and are relatively easy observable. However, vegetation surveys are time consuming and require area-specific expert knowledge and are thus usually limited to small research plots located within limited geographic areas. In alpine grasslands, high heterogeneity and diversity, together with restricted accessibility and sensibility to disturbance, pose additional challenges for traditional vegetation ecology studies. In the face of global change, there is an increasing demand for continuous and large scale vegetation data to enable coherent ecosystem assessment. Remote sensing enables collecting such continuous data over large, heterogeneous and poorly accessible areas within short periods of time. Imaging spectroscopy is particularly useful in vegetation ecology, as the spectral response provides detailed information on the structural and biochemical characteristics of the material measured. Moreover, current developments are directed towards increasing the spatial and spectral resolution of sensors and scaling their application from field measurements to regions covered by airborne and spaceborne sensors. Thus, establishing the causal links between the spectral response of the vegetation, plant structural, biochemical and functional traits, trait diversity and the ecological relevance of these traits provides the opportunity to bring ecosystem ecology to the landscape and global level. Together with assessing the consequences of altering trait abundances, these links can be used to address today´s most challenging environmental issues, such as resource exploitation and changes to biogeochemical cycles. This thesis introduces a common framework for merging the theory and concepts of imaging spectroscopy and vegetation ecology. Furthermore, it illustrates how imaging spectroscopy and vegetation data can be combined to successfully model, predict and map a series of vegetation community traits, i.e. plant biomass, plant nitrogen and fibre content, plant life and growth forms, strategy types and indicator values. According to our results, a sampling design covering the entire expected heterogeneity of the research area and validation data sets enabling to assess model plausibility and transferability between sites and scales seems highly advantageous. The application of vegetation quantity and quality maps for the analysis of animal movement patterns shows how imaging spectroscopy can be used to gain additional insights into a classic ecological question, i.e. resource partitioning within an animal guild. In summary, the results and products of this thesis, high resolution maps of vegetation community traits, provide the basis for assessing and monitoring ecosystem processes and species distributions in a strictly protected and highly diverse alpine ecosystem, the Swiss National Park (SNP).

ZUSAMMENFASSUNG
Die Ökosystem-Ökologie untersucht das Wirkungsgefüge von Organismengemeinschaften, Ökosystemprozessen und -dienstleistungen. Diese Wechselwirkungen sind auf Grund der vielen beteiligten Faktoren und der dadurch komplexen Interaktionen nur schwer im Einzelnen zu fassen. Vegetationsgemeinschaften können als Indikatoren für Ökosystemprozesse und -dienstleistungen dienen, da Pflanzen sowohl synergistische als auch antagonistische Ökosystemprozesse auf räumlicher und zeitlicher Ebene integrieren und zudem relativ einfach zu beobachten sind. Botanische Aufnahmen sind allerdings zeitaufwendig und benötigen standortspezifische Artenkenntnis, weshalb sie meist auf einzelne Probeflächen eines kleinen Gebiets begrenzt sind. Alpine Graslandschaften zeichnen sich zudem durch grosse Heterogenität und Diversität aus, sind oft nur schwer zugänglich und können mitunter sehr sensibel auf Störungen reagieren, was eine zusätzliche Herausforderung für traditionelle vegetationsökologische Feldaufnahmen darstellt. Angesicht des globalen Wandels bedarf es allerdings flächendeckender und grossräumiger Datensätze, um Ökosystemprozesse und die von ihnen bereitgestellten Dienstleistungen vergleichbar zu beurteilen. Fernerkundungsmethoden ermöglichen es, solche flächendeckenden Daten selbst in heterogenen und schwer zugänglichen Gebieten innerhalb kurzer Zeit zu erfassen. Das spektrale Signal von Bildspektrometern ergibt sich aus den strukturellen und biochemischen Eigenschaften der gemessenen Substanz, weshalb sich diese Methode besonders gut für die vegetationsökologische Forschung eignet. Laufende Entwicklungen im Bereich von Bildspektrometern zielen ausserdem auf die Erhöhung der räumlichen und spektralen Auflösung, sowie auf ihre Implementierung in Luftbild- und Satellitensysteme ab. Die Herstellung kausaler Verbindungen zwischen dem spektralen Signal der Vegetation und den strukturellen, biochemischen und funktionellen Pflanzeneigenschaften, deren Verteilung und Relevanz, sowie der Konsequenzen einer Veränderung dieser Eigenschaften, ermöglicht es daher, Ökosystem-Ökologie auf die landschaftliche und globale Ebene auszuweiten. Somit werden die Voraussetzungen geschaffen, um grossen aktuellen Umweltproblemen, wie der Ausbeutung von Ressourcen und der Veränderung des biogeochemischen Kreislaufs, wirkungsvoll entgegenzutreten. Die vorliegende Arbeit verknüpft die Theorien und Konzepte von Bildspektrometrie und Vegetationsökologie und fasst sie in einen gemeinsamen Rahmen. Wir zeigen, wie Biomasse, Stickstoff- und Fasergehalt der Vegetation, sowie verschiedene funktionelle Pflanzentypen (Lebensformen, Wuchsformen, Strategietypen und Indikatoren), durch die Kombination von Bildspektrometrie- und Vegetationsdaten, erfolgreich modelliert, vorhergesagt und kartiert werden können. Dabei erwiesen sich Bodendaten, welche die gesamte zu erwartende Heterogenität der Vegetation abdecken, als überaus vorteilhaft. Zusätzliche Validierungsdaten ermöglichten es, die Plausibilität und Übertragbarkeit der Modelle zu überprüfen. Die Analyse von Tierbewegungsmustern veranschaulicht, wie Karten zur Vegetationsquantität und -qualität angewandt werden können, um zusätzliche Einblicke in eine klassische ökologische Fragestellung, die Ressourcenaufteilung innerhalb einer Artengemeinschaft, zu gewinnen. Die hochauflösenden Karten funktioneller Vegetationseigenschaften des alpinen Graslands, die im Rahmen dieser Arbeit erstellt wurden, dienen als Grundlage zur Untersuchung einer Vielzahl von Ökosystemprozessen, sowie der Verbreitungsmuster verschiedener Arten im streng geschützten, hochdiversen, alpinen Ökosystems des Schweizerischen Nationalparks (SNP).



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Item Type:Dissertation (monographical)
Referees:Schaepman Michael E, Weibel Robert, Risch Anita C, Schütz Martin, Kneubühler Mathias, Haller Rudolf
Communities & Collections:07 Faculty of Science > Institute of Geography
UZH Dissertations
Dewey Decimal Classification:910 Geography & travel
Uncontrolled Keywords:Dissertationen Abt. Fernerkundung, Vegetation: Alpine Zone, Hochgebirgszone, Lb: Vegetationskunde (Ökologie, Pflanzenkrankheiten), Biomasse, Conservation Wetland
Language:English
Place of Publication:Zürich
Date:2015
Deposited On:17 Feb 2017 09:44
Last Modified:19 Mar 2020 07:42
Publisher:Remote Sensing Laboratories, Department of Geography, University of Zurich
Series Name:Remote sensing series
Number of Pages:78
ISBN:978-3-9524551-6-6
OA Status:Green
Related URLs:https://www.recherche-portal.ch/permalink/f/5u2s2l/ebi01_prod010633489 (Library Catalogue)

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