ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΕΥΤΡΟΦΙΣΜΟΥ ΣΤΙΣ ΘΑΛΑΣΣΕΣ ΤΟΥ ΝΟΤΙΟΥ ΒΟΡΡΑ ΜΕ ΤΗ ΧΡΗΣΗ ΟΠΤΙΚΗΣ ΤΗΛΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗΣ.

Από RemoteSensing Wiki

ΣΥΓΓΡΑΦΕΙΣ: Vera De Cauwer, Kevin Ruddick, YoungJe Park, Bouchra Nechad and Michael Kyramarios

ΠΗΓΗ: EARSeL eProceedings 3, 1/2004

Πριν τη χρήση της τηλεπισκόπησης, χρησιμοποιούνταν ένα πρόγραμμα επί τόπου ανίχνευσης του ευτροφισμού (in situ monitoring programme), το οποίο όμως δεν έδινε μία ξεκάθαρη εικόνα της χωρικής διακριτικής ικανότητας της χλωροφύλλης α.

Πρέπει να σημειωθεί ότι η παρούσα μελέτη βασίστηκε σε μία ομάδα κριτηρίων: OSPAR που διευκρινίζουν την κατάσταση του ευτροφισμού σε διαφορετικές περιοχές των θαλασσών του νότιου βορρά. Συγκεκριμένα παρουσιάζονται 4 περιπτώσεις: 1) βαθμός εμπλουτισμού των θρεπτικών συστατικών (π.χ συγκεντρώσεις DIN, DIP) , 2) άμεσα αποτελέσματα του θρεπτικού εμπλουτισμού (κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης), 3) έμμεσα αποτελέσματα του εμπλουτισμού των θρεπτικών συστατικών, 4) άλλα πιθανά αποτελέσματα (π.χ τοξίνες των αλγών)

Τα είδη των τηλεπισκοπικών δεκτών που χρησιμοποιήθηκαν για την ανίχνευση των ωκεάνιων χρώματων είναι: MOS-IRS, OSMI, SeaWiFS, MODIS-Terra, MODIS-Aqua, MERIS, AGEOS-GLI, POLDER-2

Ψηφιακές επεξεργασίες

Οι συγκεντρώσεις της χλωροφύλλης που αποκτήθηκαν από τους τηλεπισκοπικούς δέκτες SeaWiFS και MODIS βασίζονται στο λόγο καναλιών μπλε / πράσινο (η οποία επιτρέπει την ανίχνευση απορρόφησης αιχμής στα 440~443 nm. Αυτή η αναλογία είναι κατάλληλη για την πρώτη περίπτωση με βάση τα κριτήρια OSPAR και όχι για την δεύτερη που αφορά κυρίως τα νερά του νότιου βορρά των θαλασσών. Μία εναλλακτική λύση θα αποτελούσε ο λόγος των καναλιών κόκκινο / κοντινό υπέρυθρο (NIR). Αυτή η μέθοδος λειτουργεί καλύτερα ειδικά αν το νερό είναι τυρβώδες έτσι ώστε να εκπέμπει έναν υψηλό συντελεστή ανάκλασης στο κοντινό υπέρυθρο. Επίσης ο τηλεπισκοπικός δέκτης MERIS, έχει ένα κανάλι στο κοντινό υπέρυθρο (709 nm) το οποίο είναι καταλληλότερο για τη χρήση λόγου καναλιών σε σχέση με το αντίστοιχο κανάλι του κοντινού υπέρυθρου του τηλεπισκοπικού δέκτη MODIS (748 nm).

Ένας σημαντικός περιορισμός είναι η αξιοποίηση μόνο του 6,2% των εικόνων SeaWiFS εξαιτίας της συχνής παρεμβολής των σύννεφων στην υπό μελέτη περιοχή.

Χρήση επιπρόσθετων βάσεων δεδομένων

Σε 107 σημεία στις θάλασσες του νότιου βορρά πραγματοποιήθηκαν in situ μετρήσεις των ραδιομετρικών φασμάτων και των συγκεντρώσεων της χλωροφύλλης α.

Όσον αφορά στις μετρήσεις των ραδιομετρικών φασμάτων πραγματοποιήθηκαν με τη χρήση 3 υπερφασματικών spectroradiometers : TriOS RAMSES, δύο από τα οποία μέτρησαν ακτινοβολία (θάλασσας και ουρανού) και ένα μέτρησε την προσπίπτουσα ακτινοβολία (downwellin irradiance). Τα δεδομένα αποκτιούνται μέσω του λογισμικού MSDA μέσω της χρήσης της λειτουργίας της καταγραφής των αρχείων και της ταυτόχρονης ραδιομετρικής βαθμονόμησης των σταθερών Ed(λ), Lu(λ) και Lsky(λ). Απορρίπτεται ένας μικρός αριθμός μετρήσεων που χαρακτηρίζεται από αρνητικές τιμές.

Όσον αφορά στις συγκεντρώσεις των μετρήσεων της χλωροφύλλης, κυμαίνονται από 0.2 έως 33.2 mg/m³ και πραγματοποιήθηκαν μέσω της φυσικής μεθόδου ανάλυσης : Yγρής Χρωματογραφίας Υψηλής Διαχωριστότητας, HPLC. Η διαδικασία της δειγματοληψίας έγινε σύμφωνα με τα πρότυπα του πρωτοκόλλου MUMM (BMM - Meetdienst Oostende, 1998).

Ειδικές και προχωρημένες επεξεργασίες και αποτελέσματα

Στην συγκεριμένη μελέτη παρουσιάζονται 4 αλγόριθμοι :SeaWiFS OC4v4, MODIS default (εμπειρικοί αλγόριθμοι όσον αφορά στην χλωροφύλλη), MERIS (neural network) και ο GR03 (όσον αφορά στο τυρβώδες νερό).

Πραγματοποιήθηκε σύγκριση των τιμών της χλωροφύλλης α που προκύπτουν από τους παραπάνω αλγόριθμους και από τα in situ δεδομένα μέσω γραμμικής και log – log κλίμακας. Επίσης έγινε στατιστική ανάλυση των αποτελεσμάτων των αλγόριθμων.

Ο συσχετισμός των παραπάνω είναι περιορισμένος στην περίπτωση της log-log κλίμακας. Ο αλγόριθμος GR03 αποδίδει καλά στην περίπτωση γραμμικής κλίμακας σε αντίθεση με τους αλγόριθμους SeaWiFS OC4v4 και MODIS. Επίσης ο αλγόριθμος GR03 παρουσιάζει χαμηλή απόδοση στην περίπτωση χαμηλών συγκεντρώσεων χλωροφύλλης α. Από καλύτερη ανίχνευση των συγκεντρώσεων της χλωροφύλλης α < 7 mg/m³ χαρακτηρίζονται οι αλγόριθμοι SeaWiFS OC4v4 και MODIS.

Επιπροσθέτως, η χρήση των αλγόριθμων για τον εντοπισμό υψηλών συγκεντρώσεων χλωροφύλλης α επιβεβαίωσε την ισχυρή ικανότητα ανίχνευσης τους από τον αλγόριθμο GR03 (95,5%). Επομένως είναι δυνατή η threshold χαρτογράφηση βασισμένη σε δορυφορικά δεδομένα στα πλαίσια των παραμέτρων αξιολόγησης OSPAR.

Όσον αφορά στην διερεύνηση του εάν η ανάκτηση της χλωροφύλλης α υποβιβάζεται από ανακρίβειες που προέρχονται από τις μετρήσεις του συντελεστή ανάκλασης, τα δεδομένα χωρίστηκαν σε sunny και non sunny. H στατιστική ανάλυση των αποτελεσμάτων των αλγορίθμων και η σύγκριση των τιμών της χλωροφύλλης α που προκύπτουν από τους αλγόριθμους και από τα in situ δεδομένα μέσω γραμμικής κλίμακας έδωσε καλύτερα αποτελέσματα στην πρώτη κατηγορία (sunny).

Τέλος έτρεξαν όλοι οι αλγόριθμοι για το επίπεδο 2 της εικόνας MERIS, η λήψη της οποίας έγινε στις 29 Ιουλίου 2002 και τα αποτελέσματα τους συγκρίθηκαν με τις πρότυπες τιμές της χλωροφύλλης α των MERIS δεδομένων που αναφέρονται ως algal2 (Schiller H & R Doerffer, 1999). Οι παρακάτω εικόνες δείχνουν πόσο διαφορετικά είναι τα αποτελέσματα για τους 4 αλγόριθμους οι οποίοι είναι καλά τεκμηριωμένοι και δοκιμασμένοι. Δεν είναι δυνατό να δηλωθεί σαφώς ποιο προϊόν είναι πιο κοντά στην πραγματικότητα λόγω του χαμηλού ποσοστού επικύρωσης των κανονικών μετρήσεων που μπορούν να ληφθούν μέσα σε μισή ώρα πριν από/μετά το δορυφορικό πέρασμα. Ένα πρόσθετο πρόβλημα της δορυφορικής επικύρωσης είναι ότι (συνήθως) τα δεδομένα των σημείων συγκρίνονται με ένα pixel που καλύπτει περίπου 1 χλμ Χ 1 χλμ. Επίσης παρουσιάστηκε πρόβλημα χαμηλής αναλογίας σημάτων/θόρυβο για το κόκκινο και κοντινό υπέρυθρο κανάλι που χρησιμοποιήθηκαν στο GR03 αλγόριθμο.

Συμπεράσματα

Tα αποτελέσματα επιβεβαιώνουν τη δυσκολία χαρτογράφησης της χλωροφύλλης α βασισμένη στην περίπτωση 2 των παραμέτρων OSPAR. Ο αλγόριθμος του τυρβώδους νερού GR03 υπόσχεται πολλά καθώς ανιχνεύει μέγιστες συγκέντρωσεις χλωροφύλλης στα πλαίσια των παραμέτρων αξιολόγησης OSPAR. Εν αντιθέσει, οι αλγόριθμοι SeaWiFS OC4v4 και MODIS δεν είναι αρκετά ακριβείς στην περίπτωση των θαλασσών του νότιου βορρά.

Η σύγκριση των τριών αλγορίθμων και neural network αλγόριθμου, MERIS, στην ίδια εικόνα MERIS ήταν ενδιαφέρουσα διότι επιβεβαίωσε τις σημαντικές διαφορές μεταξύ των προϊόντων χλωροφύλλης.

Εντούτοις, η επικύρωση πέρα από τέτοιες μεγάλες περιοχές παραμένει ένα πρόβλημα. Πρόσθετες συγκρίσεις προτύπων προϊόντων χλωροφύλλης επίκτητες την ίδια ημέρα (σε περιόδους που είναι ελεύθερες από σύννεφα) είναι απαραίτητες για την αξιολόγηση μίας προσέγγισης πολλών δεκτών (multi sensor).

Είναι σαφές ότι η in situ συλλογή δεδομένων παραμένει η πιο αξιόπιστη πηγή στοιχείων για τους διευθυντές ευτροφισμού αυτή τη στιγμή, αν και χαρακτηρίζεται από σοβαρά προβλήματα χωροχρονικής σποραδικότητας. Οι δορυφορικοί χάρτες χλωροφύλλης και οι μετρήσεις πεδίου είναι σίγουρα απαραίτητες, συμπληρωματικές μέθοδοι για την εκτίμηση των ελάχιστων και μέγιστων συγκεντρώσεων της χλωροφύλλης α.