Original paper

PROSPECT Inversions of Leaf Laboratory Imaging Spectroscopy – a Comparison of Spectral Range and Inversion Technique Influences

Buddenbaum, Henning; Hill, Joachim

Abstract

Very high spatial resolution hyperspectral images of leaves were recorded using stationary pushbroom scanners and a translation stage. Separate images were recorded in the visible/near infrared (VNIR, 400 nm – 1000 nm) and in the shortwave infrared range (SWIR, 1000 nm – 2500 nm). We inverted the leaf reflectance model PROSPECT-5b on the image data in two different ways, by numerical inversion and by a lookup table approach. Inversion results using only VNIR images and combined VNIR/SWIR images were compared. We found that the inversion technique has only minor influence on inversion results, but the spectral range of the input data is crucial for some variables: While results for the PROSPECT structure parameter N, chlorophyll content (Cab), carotenoid content (Car) and brown pigments (Cbrown) are similar for both input datasets, results for water content (Cw) and dry matter (Cm) are not correlated between VNIR inversion and VNIR/SWIR inversion. Laboratory-based imaging spectroscopy in combination with radiative transfer model inversion is a technique capable of mapping chemical leaf parameters on a sub-millimetre scale.

Kurzfassung

Höchstaufgelöste hyperspektrale Bilddatensätze von Blättern wurden mit einem stationären Pushbroom-Scanner mit einem Translationsschlitten aufgenommen. Dabei wurden separate Bilder im VNIR- (400 nm – 1000 nm) und im SWIR-Bereich (1000 nm – 2500 nm) angefertigt. Das Blattreflexionsmodell PROSPECT-5b wurde auf zwei unterschiedliche Weisen invertiert: Durch numerische Inversion und durch einen Lookup-Table-Ansatz. Die Inversionsergebnisse aus dem VNIR-Datensatz alleine wurden mit denen aus dem kombinierten VNIR/SWIR-Datensatz verglichen. Es stellte sich heraus, dass die Inversionsmethode nur einen geringen Einfluss auf das Inversionsergebnis hat, wohingegen der Einfluss des Spektralbereichs für einige Variablen entscheidend ist. Während die Ergebnisse für den PROSPECT-Strukturparameter N, den Chlorophyllgehalt (Cab), den Carotenoidgehalt (Car) und die braunen Pigmente (Cbrown) für beide Eingangsdatensätze ähnlich sind, sind die Ergebnisse für den Wassergehalt (Cw) und die Trockenmasse (Cm) zwischen VNIR-Inversion und VNIR/SWIR-Inversion nicht korreliert. Es konnte gezeigt werden, dass laborbasierte abbildende Spektroskopie in Kombination mit der Inversion eines Strahlungstransfermodells in der Lage ist, chemische Blattparameter im Sub-Millimetermaßstab abzuleiten.

Keywords

inversionreflectance modelshyperspectralswirleaflutvnir