Dedaunan tanaman, termasuk daun, jarum, dan bahan hijau lainnya, sering terlihat mirip dengan pengamat biasa, tetapi mereka sangat bervariasi dalam bentuk dan komposisi kimia. Komposisi kimiawi daun sering dapat diperkirakan menggunakan VIs, tetapi untuk itu diperlukan pengetahuan tentang komposisi dasar daun dan bagaimana mereka berubah dalam kondisi lingkungan yang berbeda. Komponen daun terpenting yang mempengaruhi sifat spektralnya adalah:
- Pigmen
- Air
- Karbon
- Nitrogen
Komponen-komponen ini dijelaskan di bagian selanjutnya. Komponen lain (seperti fosfor, kalsium, dan sebagainya) penting untuk fungsi tanaman, tetapi mereka tidak secara langsung berkontribusi pada sifat spektral daun, dan karena itu tidak dapat diukur secara langsung menggunakan data penginderaan jauh.
Pigmen
Ada tiga kategori utama pigmen daun pada tumbuhan: klorofil, karotenoid, dan antosianin. Pigmen ini melayani berbagai tujuan, dan sangat penting untuk fungsi dan kesehatan tumbuhan, meskipun konsentrasi relatif pigmen ini dalam tumbuhan dapat sangat bervariasi. Vegetasi dengan konsentrasi klorofil tinggi umumnya sangat sehat, karena klorofil dikaitkan dengan efisiensi penggunaan cahaya atau laju fotosintesis yang lebih besar. Sebaliknya, pigmen karotenoid dan antosianin sering muncul dalam konsentrasi yang lebih tinggi pada tumbuhan yang kurang sehat, biasanya karena stres atau permulaan penuaan (tumbuhan yang tidak aktif atau sekarat yang tampak merah, kuning, atau coklat).
Klorofil, pigmen paling terkenal dan terpenting, menyebabkan warna hijau daun tanaman yang sehat. Ini terutama bertanggung jawab untuk fotosintesis, proses di mana tanaman mengambil karbon dioksida (CO2) dari atmosfer dan mengubahnya menjadi bentuk organik seperti gula dan pati. Konsentrasi klorofil pada daun secara luas berkorelasi dengan laju fotosintesis. Pigmen klorofil-a dan klorofil-b paling erat kaitannya dengan fotosintesis.
Karotenoid adalah sekelompok pigmen yang mengandung pigmen alfa-karoten, beta-karoten, dan xantofil (misalnya, zeaxanthin). Karoten adalah pigmen kuning-oranye yang ditemukan di daun pohon saat mereka berubah dari hijau menjadi coklat (seperti yang terlihat selama musim gugur). Pigmen karotenoid memiliki banyak fungsi, tetapi umumnya ditemukan dalam konsentrasi yang lebih tinggi pada daun tanaman yang mengalami stres (terlihat pada kekeringan atau penipisan nutrisi), tua, atau mati. Karotenoid membantu proses penyerapan cahaya pada tanaman, dan membantu melindungi tanaman dari efek berbahaya kondisi tingkat cahaya yang sangat tinggi.
Antosianin juga memiliki banyak fungsi, tetapi biasanya terkait dengan perubahan dedaunan. Antosianin adalah pigmen kemerahan yang melimpah baik di daun yang baru terbentuk maupun di daun yang mengalami penuaan. Antosianin juga berfungsi melindungi daun dari kerusakan akibat radiasi ultraviolet.
Sebagai sebuah kelompok, pigmen daun hanya mempengaruhi bagian visibel dari spektrum gelombang pendek (400 nm sampai 700 nm), meskipun pengaruhnya bervariasi tergantung pada jenis pigmen. Gambar berikut menunjukkan penyerapan setiap jenis pigmen sebagai fungsi panjang gelombang di seluruh rentang gelombang tampak.
Air
Tumbuhan dari spesies yang berbeda secara keturunan mengandung jumlah air yang berbeda berdasarkan geometri daun, arsitektur kanopi, dan kebutuhan airnya. Di antara tumbuhan dalam satu spesies, masih terdapat variasi yang signifikan, tergantung pada ketebalan daun, ketersediaan air, dan kesehatan tanaman. Air sangat penting untuk banyak proses tanaman, khususnya fotosintesis. Secara umum, vegetasi dari jenis yang sama dengan kadar air lebih tinggi lebih produktif dan tidak mudah terbakar.
Air pada daun mempengaruhi reflektansi tanaman di daerah spektrum inframerah-dekat dan gelombang inframerah pendek (lihat gambar berikut). Air memiliki absorpsi maksimum yang berpusat di sekitar 1400 dan 1900 nm, tetapi daerah spektral ini biasanya tidak dapat diamati dari sensor udara atau ruang angkasa karena penyerapan air di atmosfer, mencegah penggunaan praktisnya dalam pembuatan Indeks Vegetasi. Fitur air yang berada di sekitar 970 nm dan 1190 nm terlihat menonjol dan dapat diukur dengan mudah dengan sensor hiperspektral. Spektral ini umumnya tidak disampling oleh sensor multispektral.
Karbon
Tumbuhan mengandung karbon dalam berbagai bentuk, antara lain gula, pati, selulosa, dan lignin. Gula dan pati adalah produk langsung dari fotosintesis; mereka dipindahkan ke lokasi lain pada tumbuhan untuk membangun selulosa dan lignin. Selulosa terutama digunakan dalam pembangunan dinding sel di jaringan tanaman. Lignin digunakan untuk bagian tanaman yang paling kuat secara struktural, seperti vakuola daun, urat, jaringan kayu, dan akar. Selulosa dan lignin menampilkan fitur spektral dalam jangkauan gelombang inframerah pendek dari spektrum gelombang optik pendek, seperti yang ditunjukkan gambar berikut.
Nitrogen
Daun mengandung nitrogen yang terikat pada pigmen klorofil, protein, dan molekul lainnya. Konsentrasi nitrogen dalam dedaunan terkait dengan laju fotosintesis maksimum dan produksi utama. Indeks Vegetasi sensitif terhadap kandungan klorofil (yang kira-kira 6% nitrogen) seringkali juga sensitif terhadap kandungan nitrogen. Beberapa protein yang mengandung nitrogen mempengaruhi sifat spektral daun pada kisaran 1500 nm hingga 1720 nm.
Tingkat Penyerapan Daun Gabungan
Interaksi radiasi dengan dedaunan terutama merupakan fungsi dari sifat reflektansi komponen daun. Pada wilayah spektrum tampak, sinyal utama berasal dari penyerapan radiasi oleh pigmen daun klorofil, karotenoid, dan antosianin. Pada inframerah-dekat, kontribusi utama berasal dari penyerapan air. Reflektansi dalam rentang gelombang inframerah pendek sebagian ditentukan oleh air, tetapi reflektansi juga menerima kontribusi signifikan dari reflektansi nitrogen dan berbagai bentuk karbon.
Gambar berikut menunjukkan contoh pantulan daun dan spektrum transmitansi:
