Penginderaan jauh hiperspektral dan inversi parameter biokimia pada tingkat daun dan kanopi.

Ekosistem memainkan peran penting dalam pertukaran air, energi, dan gas rumah kaca antara tanah, vegetasi, dan atmosfer. Kemampuan untuk mendeteksi perubahan dalam proses ekosistem seperti penyerapan karbon, siklus nutrisi, produktivitas primer bersih, dan dekomposisi serasah merupakan komponen penting dalam mendefinisikan siklus biogeokimia global dan mengidentifikasi perubahan iklim. Dalam model ekosistem hutan, proses-proses ini dikaitkan dengan kandungan biokimia kanopi, khususnya konsentrasi nitrogen, lignin, dan selulosa.

Karena itu, Memahami pigmen yang terdapat pada daun tanaman merupakan prasyarat penting untuk meningkatkan penilaian dan kuantifikasi fisiologi dan vitalitas tanaman.Karena memperkirakan komposisi kimia tajuk pohon menggunakan metode pengambilan sampel lapangan tradisional memakan waktu dan tidak cocok untuk studi regional dan global berskala besar, teknologi penginderaan jauh untuk biokimia daun (nutrien, pigmen), sebagai indikator fenomena stres atau hama, penyakit tanaman, dan bencana lainnya, telah lama menarik minat para pengelola hutan dan ahli ekologi.

Gambar 1. Deteksi parameter biokimia pada tingkat hutan dan kanopi.

Tiga jenis pigmen menentukan warna daun melalui penyerapan cahaya selektif: klorofil (dua jenis utama pada tumbuhan tingkat tinggi, klorofil a dan klorofil b), karotenoid (termasuk β-karoten dan xantofil), dan antosianin. Kandungan dan komposisi pigmen-pigmen ini berkaitan dengan keadaan fisiologis daun dan terdapat dalam proporsi yang berbeda selama diferensiasi dan penuaan daun. Kondisi tertentu dapat menghambat pembentukannya, seperti kekurangan nutrisi dan efek stres abiotik—polusi udara ozon atau sulfur dioksida, logam berat, serangan virus, atau kekurangan air—yang dapat menyebabkan perubahan sifat optik vegetasi. Konsentrasi klorofil menunjukkan fotosintesis dan potensi laju asimilasi karbon dioksida maksimum. Karotenoid membantu menangkap cahaya tetapi juga berperan sebagai pelindung terhadap cahaya dan menunjukkan penurunan fotosintesis.Nitrogen dan lignin berkorelasi dengan alokasi karbon dan laju siklus nutrisi, masing-masing, melalui pengaruhnya terhadap laju dekomposisi. Konsentrasi klorofil juga sangat berkorelasi dengan nitrogen, sehingga telah menjadi parameter kunci untuk mempelajari tajuk tanaman.

Banyak penelitian telah menunjukkan korelasi antara data yang diperoleh oleh spektrometer pencitraan dan sifat biokimia daun. Penelitian awal terutama menggunakan regresi bertahap untuk membangun hubungan prediktif antara data penginderaan jauh pita spektral sempit dan variabel biokimia yang diminati (misalnya, selulosa, klorofil, lignin, nitrogen, dan pati). Studi selanjutnya telah mengusulkan teknik alternatif, yaitu memperkirakan variabel biokimia menggunakan model reflektansi.

Transisi dari tingkat daun ke tingkat kanopi menimbulkan efek interferensi yang kuat, seperti pengaruh struktur kanopi (indeks luas daun, distribusi sudut daun) dan latar belakang tanah. Dibandingkan dengan kondisi laboratorium yang terkontrol, data dari udara atau luar angkasa lebih dipengaruhi oleh faktor-faktor seperti variasi sinar matahari dan kondisi atmosfer, serta karakteristik instrumen (rasio sinyal terhadap derau, lebar pita spektral, geometri pengamatan). Faktor-faktor ini secara kolektif menyebabkan banyak masalah dalam menentukan komposisi biokimia daun menggunakan data penginderaan jauh. Meskipun demikian, studi terkait telah menunjukkan bahwa pengukuran iradiasi spektral kanopi tanaman berkorelasi dengan perubahan komposisi kimia kanopi, termasuk konsentrasi lignin, nitrogen, dan selulosa.

Gambar 2. Diagram sebaran yang menunjukkan hubungan antara berbagai indeks reflektansi dan kandungan klorofil total.