Original paper

Evaluating Phenological Metrics derived from the MODIS Time Series over the European Continent

[Ableitung und Evaluierung phänologischer Kenngrößen aus MODIS-Zeitreihen für den Europäischen Kontinent]

Klisch, Anja; Atzberger, Clement

Abstract

Regularly updated and consistent time series of the normalised difference vegetation index (NDVI) are important data sources for environmental monitoring. BOKU has setup an operational processing chain for a large European window (40° × 40°) using the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) NDVI with a 16-day compositing period and 250 m ground resolution from the year 2000 onwards. Recently, this MODIS time series has been compared with the newly released GIMMS NDVI3g dataset derived from National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) satellite with (1/12)° spatial and bi-monthly temporal resolution (Atzberger et al. 2014). The NDVI time series has shown an overall moderately good agreement. However, when deriving phenological metrics from both time series, the start of season exhibited large discrepancies, which could be partly related to differences in the temporal NDVI profiles. With the present study, the validation efforts are continued. We focus on evaluating the start of season (SOS) data derived from MODIS NDVI from 2003 to 2011 with (1/12)° spatial resolution using the extraction algorithm implemented at BOKU. The study particularly considers the spatial and temporal variability over the European continent and Maghreb by comparing them with other published results. The spatial pattern of the SOS at a continental level showed a good agreement with previous work of Han (2012). A moderate (R = 0.53) and good (R = 0.79) relationship between SOS and altitude could be established along transects in Scandinavia. Inter-annual SOS anomalies derived for the island of Ireland coincided very well with the research results of O'Connor et al. (2012). A good agreement (R = 0.90) for all pixels and years in Europe and Maghreb could be reported when compared with results of the state-of-the-art TIMESAT software (Jönsso & Eklund 2004)

Kurzfassung

Regelmäßig aktualisierte und konsistente Zeitreihen des normalisierten differenzierten Vegetationsindex (NDVI) sind eine wichtige Voraussetzung für die Überwachung und Modellierung von Umweltprozessen in großen Untersuchungsgebieten. Basierend auf NDVI-Zeitreihen des Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) wurde an der BOKU eine Prozessierungskette für ein Europäisches Fenster (40° × 40°) aufgesetzt. Die MODIS-NDVI-Zeitreihen Iiegen seit 2000 als 16-Tages-Komposite mit einer räumlichen Auflösung von 250 m vor. Diese Zeitreihe wurde unlängst mit den GIMMS NDVI3g Daten der National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) Satelliten verglichen, die zweimonatlich mit (1/12)° räumlicher Auflösung zur Verfügung stehen (Atzberger et al. 2014). Die NDVI-Zeitreihen zeigten eine gute Übereinstimmung. Allerdings ergaben sich relativ große Unterschiede bei dem daraus abgeleiteten Wachstumsbeginn, die sich nur z. T. auf Unterschiede in den NDVI-Profilen zurückführen lassen. In der vorliegenden Arbeit werden diese Untersuchungen fortgesetzt. Es wird der Wachstumsbeginn (start of season, SOS) der Jahre 2003 bis 2011 näher analysiert. Die OS-Daten wurden aus den räumlich degradierten MODIS-NDVI-Zeitreihen (1/12)° für Europa und Maghreb extrahiert. Im Fokus der Analyse steht dabei die Beurteilung der in den Daten abgebildeten räumlichen und zeitlichen Variabilität durch den Vergleich mit bereits veröffentlichen Studien. Auf europäischer Ebene zeigte das räumliche Muster des SOS eine gute Übereinstimmung mit den Ergebnissen von Han (2012). Weiterhin konnte eine mäßige (R2 = 0.53) und gute (R2 = 0.79) Abhängigkeit des SOS von der Geländehöhe entlang von zwei Profilen in Skandinavien festgestellt werden. Zwischenjährliche SOS-Anomalien in Irland stimmten sehr gut mit den Ergebnissen von O'Connor et al. (2012) überein. Schließlich wurden die SOS mit Ergebnissen der State-of-the-Art TIMESAT-Software (Jönsson & Eklund 2004) verglichen. Auch hier wurde eine gute Übereinstimmung über alle Pixel (R2 = 0.90) in Europa und Maghreb erreicht.

Keywords

change detectionmodisphenologystart of seasonwhittaker smoother