Open Access

Note on the compatibility of ICOS, NEON, and TERN sampling designs, different camera setups for effective plant area index estimation with digital hemispherical photography

Mihkel Kaha

Mihkel Kaha

Tartu Observatory, University of TartuTõravere, Estonia
Search for this author on
Sciendo|Google Scholar
Kaha, Mihkel
, 
Mait Lang

Mait Lang

  • Tartu Observatory, University of TartuTõravere, Estonia
  • Institute of Forestry and Engineering, Estonian University of Life SciencesTartu, Estonia
Search for this author on
Sciendo|Google Scholar
Lang, Mait
, 
Shaohui Zhang

Shaohui Zhang

School of Forest Sciences, University of Eastern FinlandJoensuu, Finland
Search for this author on
Sciendo|Google Scholar
Zhang, Shaohui
 and 
Jan Pisek

Jan Pisek

Tartu Observatory, University of TartuTõravere, Estonia
Search for this author on
Sciendo|Google Scholar
Pisek, Jan
  
Apr 13, 2024
Note on the compatibility of ICOS, NEON, and TERN sampling designs, different camera setups for effective plant area index estimation with digital hemispherical photography's Cover Image
About this article
Previous Article
Next Article
Cite
Download Cover
Article Category: Research paper
Published Online: Apr 13, 2024
Page range: 21 - 36
DOI: https://doi.org/10.2478/fsmu-2023-0010
Keywords
© 2023 Mihkel Kaha et al., published by Sciendo
This work is licensed under the Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Figure 1.

Positions for digital hemispherical photography within the test site of Järvselja RAMI birch stand.Joonis 1. Mõõtmispunktide asukohad Järvseljal RAMI kaasikus vastavalt erinevatele skeemidele. 
Positions for digital hemispherical photography within the test site of Järvselja RAMI birch stand.Joonis 1. Mõõtmispunktide asukohad Järvseljal RAMI kaasikus vastavalt erinevatele skeemidele. 

Figure 2.

Comparison of the average gap fraction of the test stand with different camera setups (SI, SII, SIII) using ICOS, NEON and TERN sampling schemes.Joonis 2. ICOS, NEON ja TERN võrgustikel kolme erineva kaameraga (SI, SII, SIII) tehtud mõõtmis-test arvutatud keskmised võrastiku läbipaistvused sõltuvalt vaatesuuna seniitnurgast. 
Comparison of the average gap fraction of the test stand with different camera setups (SI, SII, SIII) using ICOS, NEON and TERN sampling schemes.Joonis 2. ICOS, NEON ja TERN võrgustikel kolme erineva kaameraga (SI, SII, SIII) tehtud mõõtmis-test arvutatud keskmised võrastiku läbipaistvused sõltuvalt vaatesuuna seniitnurgast. 

Figure 3.

Effective plant area index PAIe calculated from the data of three camera setups. RSE is the linear regression residual error. Overexposed measurements with Setup III are marked with red crossed circles and excluded from the regression.Joonis 3. Mõõtmispunktides saadud efektiivse taimkatteindeksi PAIe võrdlus erinevate kaamerate (Setup I, II ja III) kaupa. Kaamera III ülevalgustatud mõõtmised on tähistatud punaste ringristidega ja regressioonimudelist välja jäetud. RSE on mudeli jääkviga. 
Effective plant area index PAIe calculated from the data of three camera setups. RSE is the linear regression residual error. Overexposed measurements with Setup III are marked with red crossed circles and excluded from the regression.Joonis 3. Mõõtmispunktides saadud efektiivse taimkatteindeksi PAIe võrdlus erinevate kaamerate (Setup I, II ja III) kaupa. Kaamera III ülevalgustatud mõõtmised on tähistatud punaste ringristidega ja regressioonimudelist välja jäetud. RSE on mudeli jääkviga. 

Figure 4.

PAIe values from three camera measurements for the ICOS scheme and the locations of the sample images shown in Figure 7.Joonis 4. Efektiivse taimkatteindeksi PAIe väärtused mõõtmiste jadas ICOS võrgustiku punktides. Ristiga on näidatud joonisel (8) toodud näidispildi mõõtmispunkt. 
PAIe values from three camera measurements for the ICOS scheme and the locations of the sample images shown in Figure 7.Joonis 4. Efektiivse taimkatteindeksi PAIe väärtused mõõtmiste jadas ICOS võrgustiku punktides. Ristiga on näidatud joonisel (8) toodud näidispildi mõõtmispunkt. 

Figure 5.

PAIe values from three camera measurements for the NEON scheme.Joonis 5. Efektiivse taimkatteindeksi PAIe väärtused mõõtmiste jadas NEON võrgustiku punktides. 
PAIe values from three camera measurements for the NEON scheme.Joonis 5. Efektiivse taimkatteindeksi PAIe väärtused mõõtmiste jadas NEON võrgustiku punktides. 

Figure 6.

PAIe values from three camera measurements for the TERN scheme.Joonis 6. Efektiivse taimkatteindeksi PAIe väärtused mõõtmiste jadas TERN võrgustiku punktides. 
PAIe values from three camera measurements for the TERN scheme.Joonis 6. Efektiivse taimkatteindeksi PAIe väärtused mõõtmiste jadas TERN võrgustiku punktides. 

Figure 7.

Zoomed-in central parts of the blue channel of the photos taken from ICOS point A8 with setup I (A), setup II (B), and setup III (C).Joonis 7. Suurendus kaameratega (I, II ja III) ICOS võrgustiku punktis A8 tehtud ülesvõtte keskosast. Kaamera III pildil on näha tugeva ülevalgustatuse ilminguid. 
Zoomed-in central parts of the blue channel of the photos taken from ICOS point A8 with setup I (A), setup II (B), and setup III (C).Joonis 7. Suurendus kaameratega (I, II ja III) ICOS võrgustiku punktis A8 tehtud ülesvõtte keskosast. Kaamera III pildil on näha tugeva ülevalgustatuse ilminguid. 

Figure 8.

Comparison of differences in average gap fractions in the ICOS scheme calculated from measurements with setup I and setup II and processed by the camera operators OpI or OpII. The influence of the image analyst is small compared to the camera factor.Joonis 8. ICOS mõõtmisvõrgu andmetel saadud võrastiku keskmise läbipaistvuse erinevus kaamerate I ja II andmetel. Sama kaamera piltide töötlemisel on operaatori mõju (OpI, OpII) väike võrreldes kaamera faktoriga. 
Comparison of differences in average gap fractions in the ICOS scheme calculated from measurements with setup I and setup II and processed by the camera operators OpI or OpII. The influence of the image analyst is small compared to the camera factor.Joonis 8. ICOS mõõtmisvõrgu andmetel saadud võrastiku keskmise läbipaistvuse erinevus kaamerate I ja II andmetel. Sama kaamera piltide töötlemisel on operaatori mõju (OpI, OpII) väike võrreldes kaamera faktoriga. 

Linear relationships between effective plant area index between three camera setups by sampling schemes and using only correct (C) i_e_ non-overexposed images of setup III or all (A)_ RSE is model residual error and N is the number of observations_Tabel 3_ Lineaarsed regressioonmudelid kaamerate ning mõõtmisskeemide kaupa_ Kaamera III mudelid on antud kõikide (A) või ainult korrektsete mõõtmiste ehk ülevalgustamata piltide andmete (C) järgi_ RSE on mudeli jääkviga ning N on vaatluste arv_

Camera setup Sampling Linear regression Sy = a + bSx
Sx Sy Network Subset R2 a b RSE N
I II ICOS A 0.97 0.21 0.89 0.06 36
I II NEON A 0.90 0.05 0.94 0.10 36
I II TERN A 0.92 0.21 0.88 0.09 36
I III ICOS A 0.28 1.55 0.45 0.27 36
I III ICOS C 0.92 0.10 0.96 0.10 21
I III NEON A 0.23 1.90 0.40 0.23 36
I III NEON C 0.84 −0.52 1.15 0.12 23
I III TERN A 0.71 0.55 0.81 0.18 36
I III TERN C 0.84 0.10 0.97 0.13 24
II III ICOS A 0.29 1.44 0.50 0.27 36
II III ICOS C 0.93 0.02 1.02 0.09 21
II III NEON A 0.17 2.15 0.35 0.24 36
II III NEON C 0.85 −0.73 1.28 0.12 23
II III TERN A 0.77 0.36 0.92 0.16 36
II III TERN C 0.87 0.16 1.01 0.12 24

Camera setup specifications_Tabel 1_ Mõõtmisteks kasutatud kaamerad_ 

Variable Camera setup
I II III
Camera model Canon EOS 5D Canon EOS 600D Canon EOS 2000D
Fisheye Lens Sigma 8 mm F3.5 EX DG Sigma 4.5 mm F2.8 EX Sigma 4.5 mm F2.8 EX
Camera height 1.3 m 1.3 m 1.3 m
Camera orientation magnetic north magnetic north magnetic north
Initial ISO 640 400 100
Initial exposure compensation 0 0 −1
Initial shutter speed 1/32 1/60 Aperture priority
Image aquisition single single auto-bracketing
F-stop f/8 f/8 f/8
Light metering Spot Evaluative Evaluative
Sensor size, pixels 12.8×106 18.0×106 24.1×106
Raw image radius* 1386 1450 1730

Estimations of effective plant area index PAIe for each sampling scheme taken with each setup and their corresponding standard errors (SE)_Tabel 2_ Mõõtmisvõrgustike (ICOS, NEON, TERN) ja kaamerate (Setup I, II ja III) kaupa võrastiku läbipaistvusest arvutatud efektiivne taimkatteindeks PAIe ja selle standardviga (SE)_

Camera Sampling network
ICOS NEON TERN
PAIe SE PAIe SE PAIe SE
Setup I 3.11 0.06 3.38 0.05 3.11 0.06
Setup II 2.99 0.06 3.22 0.05 2.94 0.05
Setup III 2.90 0.05 3.21 0.04 3.08 0.06
Language:
English
Publication timeframe:
2 times per year
Journal Subjects:
Life Sciences, Plant Science, Ecology, Life Sciences, other
Journal RSS Feed