Versión para imprimir

Teledetección: Humedales y Espacios Protegidos. XVI Congreso de la Asociación Española de Teledetección.
(Eds. J. Bustamante, R. Díaz-Delgado, D. Aragonés, I. Afán y D. García). pp. 244-247. Sevilla 21-23 octubre 2015
Validación de los productos GEOV1 LAI, FAPAR y FCover derivados a partir
de PROBA-V para la continuidad del servicio global de la superficie terrestre de
Copernicus.
Jorge Sánchez(1), Fernando Camacho(1), Roselyne Lacaze(2), Bruno Smets(3)
EOLAB. Parc Científic Universitat de València, Catedrático José Beltrán, 2. 46980 Paterna (Valencia), Spain. Tel:
+34 96 354 38 41. Email: [email protected]; [email protected]
(2)
HYGEOS, Observation de la Terre / Earth Observation Euratechnologies. 165 Avenue de Bretagne 59000 Lille,
France. Tel : +33 (0) 3 20 08 24 98. Email: [email protected]
(3)
VITO, VITO NV-HQ. Boeretang 200, BE-2400 Mol, Belgium. Tel: +32 14 33 68 39. Email: [email protected]
(1)
Resumen: Este estudio investiga la calidad científica del producto GEOV1 basado en observaciones de PROBA-V, que
incluye al índice de área foliar (LAI), la fracción de radiación solar absorbida por la vegetación en el espectro fotosintético
(FAPAR) y la fracción de cobertura vegetal (FCover). El procedimiento sigue las recomendaciones, protocolos y métricas
para la validación de productos globales de LAI, definidos dentro del marco de actividades del CEOS. La metodología se
divide en dos partes: inter-comparación con productos de referencia (SPOT/VGT GEOV1 y MODIS C5), y evaluación
de la exactitud de los productos mediante validación directa con datos de campo. El estudio se centra en la consistencia
entre los productos GEOV1 derivados con datos SPOT/VGT y PROBA-V, desarrollados en el marco de trabajo de
Copernicus Global Land Service, durante su periodo común (Noviembre 2013 - Mayo 2014). Adicionalmente se ha
considerado el primer año natural de PROBA-V (2014) para el resto del análisis, incluyendo la comparación con MODIS
C5. Los datos de campo han sido medidos y escalados en mapas de verdad-terreno en el contexto del proyecto FP7
IMAGINES, que da soporte a la evolución del Copernicus Global Land Service. Los resultados demuestran que los
productos PROBA-V GEOV1 son espacial y temporalmente consistentes con los productos equivalentes derivados con
SPOT/VGT presentando un buen rendimiento en comparación con un conjunto limitado de datos verdad-terreno para LAI
(exactitud, RMSE=0,52), aceptable para FAPAR (RMSE=0,11), y mostrando un ligero bias para valores altos de FCover
(RMSE=0,14).
Palabras clave: LAI, FAPAR, validación, Copernicus, IMAGINES, PROBA-V
Validation of GEOV1 LAI, FAPAR and FCover products derived from PROBA-V for the
continuity of the Copernicus Global Land Service.
Abstract: This study investigates the scientific quality of the GEOV1 Leaf Area Index (LAI), Fraction of Absorbed
Photosynthetically Active Radiation (FAPAR) and Fraction of Vegetation Cover (FCover) products based on PROBA-V
observations. The procedure follows, as much as possible, the guidelines, protocols and metrics defined by the Land
Product Validation (LPV) group of the Committee on Earth Observation Satellite (CEOS) for the validation of satellitederived land products. The methodology is divided into two parts: inter-comparison with reference satellite products
(SPOT/VGT GEOV1 and MODIS C5), and evaluation of the accuracy in comparison with ground data. This study is
focused on the consistency of SPOT/VGT and PROBA-V GEOV1 products developed in the framework of the
Copernicus Global Land Services during the overlap period (November 2013 - May 2014), providing an early validation
of PROBA-V GEOV1 products. The first natural year of PROBA-V GEOV1 products (2014) was considered for the rest
of the quality assessment including comparisons with MODIS C5. The ground data was collected and up-scaled using
high resolution imagery in the context of the FP7 IMAGINES project which gives support to the evolution of the
Copernicus Global Land Service. Our results demonstrate that GEOV1 PROBA-V products were found to be spatially
and temporally consistent with similar products (SPOT/VGT), and match limited ground truth data with an accuracy
(RMSE) of 0.52 for LAI, acceptable accuracy (RMSE=0.11) for FAPAR, and showing a slight bias for FCover for higher
values (RMSE=0.14).
Keywords: LAI, FAPAR, validation, Copernicus, IMAGINES, PROBA-V
1.
INTRODUCCIÓN
Desde el 1 de Enero de 2013, el servicio global de la
superficie terrestre de Copernicus es operacional,
proporcionando en tiempo real un conjunto de variables
biofísicas de manera global, derivadas a 1 km de
resolución espacial y 10 días de frecuencia temporal. La
primera versión de las variables LAI, FAPAR y FCover,
llamada GEOV1 se basa en observaciones de
SPOT/VGT, estando disponible desde 1999 hasta el final
http://ocs.ebd.csic.es/index.php/AET/2015/schedConf/presentations
de su misión, en Mayo de 2014 (Baret et al., 2013). La
continuidad de GEOV1 utiliza las observaciones de
PROBA-V a 1 km. Para proporcional la continuidad de
los productos, las líneas de procesado han sido adaptadas
para utilizar los datos de la nueva misión PROBA-V, que
empezó su ciclo de vida en Noviembre de 2013. La
validación de los productos PROBA-V GEOV1 es un
paso previo imprescindible antes de que estos sean
entregados a los usuarios.
244
Este trabajo describe los principales resultados del primer
análisis científico que evalúa la calidad de PROBA-V
GEOV1 LAI, FAPAR, FCover. Estos resultados
preliminares se basan en la consistencia con los
productos SPOT/VGT GEOV1 durante el periodo común
de ambas misiones (Noviembre 2013 - Mayo 2014). Los
productos MODIS C5 LAI/FAPAR han sido también
incluidos en la inter-comparación.
El procedimiento sigue las recomendaciones y métricas
definidas en el marco de actividades del comité de
observación de la Tierra mediante satélites (CEOS), en
concreto por el grupo de validación de productos de la
superficie terrestre (LPV). Varios criterios de calidad han
sido evaluados, incluyendo la continuidad espaciotemporal, la consistencia espacial y temporal, la precisión
intra-anual y la exactitud. La exactitud se ha evaluado
mediante validación directa sobre un número de
localizaciones agrícolas. Los datos de campo se han
recogido en el contexto del proyecto FP7 IMAGINES,
creado en soporte a la evolución del servicio global de la
superficie terrestre de Copernicus.
2.
METODOLOGÍA DE VALIDACIÓN
Varios criterios de calidad han sido evaluados en
consonancia con previos ejercicios de validación
(Camacho et al., 2013), la herramienta OLIVE (On Line
Validation Exercise) alojada en el portal cal/val del
CEOS (Weiss et al., 2014), y con las recomendaciones de
validación para productos globales de LAI definidas en
el CEOS (Fernandes et al., 2014). Dicha metodología se
divide en 2 partes: la inter-comparación espacio-temporal
con productos similares, y la validación directa usando
mapas verdad-terreno para cuantificar la exactitud de los
productos.
2.1.
generando mapas verdad-terreno usando funciones de
transferencia empíricas (Camacho et al., 2013). Siete
emplazamientos hay disponibles para el año 2014
pertenecientes al proyecto FP7 IMAGINES. Se puede
acceder libremente a esta base de datos a través del portal
web
del
proyecto
(http://fp7imagines.eu/pages/services/ground-data.php).
Dado que el número de observaciones de campo
concurrentes (año 2014) es limitado, el número de
observaciones de campo ha sido ampliado con los datos
de otros años, usados en los trabajos de Camacho et al.,
2013 y disponibles en el portal CEOS OLIVE Cal/Val
(http://calvalportal.ceos.org/). Estos datos han sido
filtrados analizando la estabilidad inter-anual del
producto de FAPAR MODIS C5, ya que MODIS ofrece
series que se extienden desde 2000 hasta la actualidad.
Únicamente han sido considerados los emplazamientos
estables sobre bosques y zonas herbáceas utilizando
como umbral una diferencia máxima de ±0.05 unidades
de FAPAR entre el valor con la fecha concomitante con
el datos de satélite y su fecha equivalente en su año
original (medida de campo). Un total de 20 sites
adicionales han sido considerados.
3.
RESULTADOS
La Figura 1 muestra la evolución temporal de la fracción
de valores ausentes en SPOT/VGT y PROBA-V GEOV1.
Durante el periodo común, SPOT/VGT ofrece una ligera
mejor fracción de observaciones válidas (sobre 5%). Esto
es debido, en parte, a la diferente hora de paso de los
satélites (PROBA-V sobre 10:45 a.m., y SPOT/VGT 45
minutos antes).
Inter-comparación de productos
Los siguientes productos de referencia han sido
utilizados: GEOV1 basado en observaciones de
SPOT/VGT (Baret et al., 2013) y la colección 5
(MOD15A2) de Terra MODIS LAI/FAPAR (Knyazikhin
et al., 1998). Además, para comparar dichos productos se
debe utilizar el mismo soporte temporal y espacial. En
este caso se ha utilizado una frecuencia temporal de 10
días, que se corresponde con la resolución temporal de
los productos GEOV1, y una resolución que se
corresponde con el valor medio sobre una ventana de 3x3
píxeles de 1 km.
Los productos se comparan sobre la red BELMANIP2.1
(Weiss et al., 2014), diseñada para representar
globalmente la variabilidad, tanto en términos de tipo de
bioma como en términos climáticos.
2.2. Validación directa
El análisis de la exactitud ha sido evaluado sobre un
conjunto de datos de campo, que han sido procesados de
acuerdo a las recomendaciones del CEOS LPV para la
validación de LAI. La base de datos usada se ha generado
en el marco de trabajo del proyecto FP7 IMAGINES
sobre localizaciones agrícolas. Los datos de campo han
sido escalados a imágenes de satélite de alta resolución,
http://ocs.ebd.csic.es/index.php/AET/2015/schedConf/presentations
Figura 1. Variación temporal de los valores ausentes
(gaps) para los productos GEOV1 SPOT/VGT (azul) y
PROBA-V (violeta) durante el periodo entre Noviembre
2013 y Diciembre 2014.
3.1.
Distribución de los valores por bioma
La Figura 2 muestra la distribución de valores de LAI por
tipo de bioma para los tres productos de satélite bajo
estudio. Amos productos GEOV1 (PROBA-V y
SPOT/VGT) muestran distribuciones muy similares para
todo tipo de bioma. En la comparación con MODIS C5,
las mayores diferencias se encuentran sobre bosques
tropicales. Por el contrario, MODIS presenta mayores
valores para biomas con vegetación escasa ó dispersa,
algo que es más evidente aún en el FAPAR (Camacho et
al., 2013).
245
SPOT/VGT (Figura 4). Ambos productos GEOV1
presentan una buena suavidad temporal, indicando gran
precisión intra-anual. En cambio, MODIS presenta
mayor ruido, como se observa en la distribución de los
valores de suavidad, circunstancia que se observa
claramente en los perfiles temporales (Camacho et al.,
2015).
3.4.
Figura 2. Distribución de valores de LAI de cada
producto sobre BELMANIP2.1 durante Noviembre 2013
- Mayo 2014 para cada tipo de bioma.
3.2.
Incertidumbres relativas
La consistencia de PROBA-V GEOV1 con los dos
productos de referencia globales ha sido evaluada sobre
BELMANIP2.1 con una frecuencia temporal de 10 días
durante Noviembre 2013 - Mayo 2014.
Consistencia temporal
Las variaciones temporales de PROBA-V GEOV1 se han
comparado con SPOT/VGT GEOV1 y MODIS C5 para
la red BELMANIP2.1 (Weiss et al., 2014), obteniendo
una buena consistencia para todo tipo de bioma,
especialmente entre los dos productos GEOV1
(SPOT/VGT o PROBA-V). La Figura 3 muestra un
ejemplo sobre un emplazamiento agrícola. Cabe destaca
la buena continuidad de SPOT/VGT y PROBA-V.
Figura 5. Gráfica de dispersión entre LAI, FAPAR y
FCover PROBA-V GEOV1 versus SPOT/VGT GEOV1
sobre BELMANIP2.1 durante Noviembre2013-Mayo
2014. Los términos B y S representan la media y la
desviación estándar de la diferencia.
Figura 3. Perfil temporal de LAI (arriba), FAPAR
(medio) y FCover (abajo) para los products bajo
estudio sobre un site agrícola de BELMANIP2.1.
3.3.
Precisión intra-anual
Como indicador de la precisión intra-anual o suavidad se
evalúa la variación lineal de los productos de LAI con sus
observaciones vecinas (Weiss et al., 2014):
𝛿 = |𝑃(𝑑𝑛+1 ) − 𝑃(𝑑𝑛 ) −
𝑃(𝑑𝑛 )−𝑃(𝑑𝑛+2 )
𝑑𝑛 −𝑑𝑛+2
(𝑑𝑛 − 𝑑𝑛+1 )|
(1)
Figura 4. Histogramas de la función delta (suavidad)
para productos de LAI y FAPAR sobre BLEMANIP2.1
durante Noviembre 2013-Mayo 2014. La curva ha sido
ajustada a una exponencial negativa, donde se muestra
su constante de decaimiento.
Figura 6. Gráfica de dispersión entre LAI y FAPAR
PROBA-V GEOV1 versus SPOT/VGT GEOV1 sobre
BELMANIP2.1 durante Noviembre2013-Mayo 2014.
Los términos B y S representan la media y la desviación
estándar de la diferencia.
Los scatter-plots entre los productos GEOV1 (PROBAV vs SPOT/VT) muestran una óptima consistencia entre
ambos, observando correlaciones mayores a 0,96,
ausencia de desviaciones sistemáticas, e incertidumbres
(RMSE) alrededor de 0,3, 0,03 y 0,04 para LAI, FAPAR
y FCover respectivamente (Figura 5).
Las incertidumbres entre PROBA-V y MODIS (Figura
6) son mayores, observando algo de dispersión para LAI
y FAPAR, y desviaciones sistemáticas para valores bajos
y altos de FAPAR. Las incertidumbres entre PROBA-V
y MODIS son de 0,7 y 0,09 para LAI y FAPAR
respectivamente.
La suavidad de PROBA-V GEOV1 es prácticamente
idéntica que su producto equivalente con datos
http://ocs.ebd.csic.es/index.php/AET/2015/schedConf/presentations
246
3.5.
Validación Directa
Además del error cuadrático media (RMSE), se ha usado
un método de regresión robusta para calcular la exactitud
ponderada de los productos (RMSE_W) con el fin de
reducir el efecto de los outliers. Los productos de LAI
PROBA-V GEOV1 muestran una buena exactitud
(RMSE=0,52, RMSE_W=0,51) con diferencias medias
muy bajas (0,10) usando todos los datos disponibles, con
una ligera desviación positiva para los datos
concomitantes sobre cultivos (Figura 7). MODIS
presenta una exactitud muy similar (RMSE=0,69),
presentando un rendimiento ligeramente inferior debido
en gran parte a la inestabilidad del producto en cortos
periodos de tiempo.
Figure 7. Comparación de los productos de satélite
(PROBA-V GEOV1 izq. y MODIS C5 dcha.) con mapas
verdad-terreno de LAI. Los símbolos rellenos
representan datos concomitantes de 2014 procedentes
de IMAGINES, y los vacíos datos de años diferentes Las
cruces son outliers (peso<0,3).
Figura 8. Como en Figura 7 para FAPAR.
Figura 9. Como en Figura 7 para FCover.
Para FAPAR (Figura 8), PROBA-V GEOV1 muestra una
exactitud aceptable (RMSE=0,11, RMSE_W=0,1), con
una ligera desviación positiva (0,05) y una muy buena
correlación. Para datos concurrentes, no se observan
grandes diferencias, pero sí una ligera sobreestimación,
que se corresponde principalmente con puntos de arroz
sobre el área de la Albufera. MODIS presenta un
rendimiento similar (RMSE=0,01), con una ligera
sobreestimación para bajos valores. Finalmente, para
FCover (Figura 9) la exactitud (RMSE) obtenida es 0,14
(0,1 en términos de RMSE_W), con una desviación
positiva de 0,1. Las mayores discrepancias se observan
sobre bosques, hecho que no fue observado para
SPOT/VGT GEOV1, y que debería confirmarse para
http://ocs.ebd.csic.es/index.php/AET/2015/schedConf/presentations
datos concomitantes cuando haya medidas disponibles.
Para datos concurrentes sobre zonas agrícolas, también
se observa una sobreestimación. Estos resultados indican
que el producto de FCover tiende a sobreestimar los
valores de campo usados como referencia, aunque hay
que tener en cuenta que este conjunto de datos es todavía
limitado y que los valores in-situ están también sujetos a
incertidumbres asociadas a su medida.
4.
CONCLUSIONES
En este estudio se ha realizado una primera validación
científica de los productos GEOV1 basados en datos de
PROBA-V. El análisis se centra en el comportamiento
entre PROBA-V GEOV1 y SPOT/VGT GEOV1,
ofreciendo resultados positivos entre ambos, lo que
asegura la continuidad del servicio global de la superficie
terrestre de Copernicus. Ambos productos son
consistentes tanto espacial como temporalmente, y
presentan una continuidad espacio-temporal similar.
La validación directa ofrece una exactitud similar para
PROBA-V GEOV1 y MODIS C5, en comparación con
mapas de verdad-terreno. Se observan buenos resultados
para LAI (RMSE=0,54), aceptables para FAPAR
(RMSE=0,11), y sólo una sobreestimación positiva para
FCover (RMSE=0,14, bias=0,1). Para más información
ver Camacho et al., (2015).
5.
BIBLIOGRAFÍA
Baret, F., M. et al 2013. GEOV1: LAI and FAPAR
essential climate variables and FCOVER global time
series capitalizing over existing products. Part1:
Principles of development and production. Remote
Sensing of Environment 137: 299–309.
Camacho, et al 2013. GEOV1: LAI, FAPAR Essential
Climate Variables and FCover global time series
capitalizing over existing products. Part 2:
Validation and intercomparison with reference
products. Remote Sensing of Environment 137: 310–
329.
Camacho, et al 2015. GEOV1 PROBA-V LAI Validation
Report (available on-line at
http://land.copernicus.eu/global/sites/default/files/pr
oducts/GIOGL1_QAR_PROBAVGEOV1_I3.00.pdf)
Fernandes, R., et al 2014. Global Leaf Area Index
Product Validation Good Practices. CEOS Working
Group on Calibration and Validation - Land Product
Validation Sub-Group. Version 2.0. Public version
available on-line: http://lpvs.gsfc.nasa.gov/.
Knyazikhin, Y., et al 1998. Synergetic algorithm for
estimating vegetation canopy leaf area index and
fractionof absorbed photosynthetically active
radiation from MODIS and MISR data. Journalof
Geophysical Research, 103(D24), 32,257–32,275.
Weiss, M., et al 2014. On Line Validation Exercise
(OLIVE): A Web Based Service for the Validation of
Medium Resolution Land Products. Application to
FAPAR products. Remote Sensing: 2014. 6(5):41904216.
247