Αξιολόγηση της χλωροφύλλης , με αλγόριθμο οπτικής ανίχνευσης
Από RemoteSensing Wiki
Πρωτότυπος Τίτλος: « Evaluation of chlorophyll-a remote sensing algorithms for an optically complex estuary »
Συγγραφείς: By Chengfeng Le , Chuanmin Hu , Jennifer Cannizzaro , David English ,Frank Muller-Karger and Zhongping
posted on 2 November, 2012 in Articles, Remote Sensing of Environment 129 (2013) 75–89
Πηγή: Elsevier
« Αξιολόγηση της χλωροφύλλης , με αλγόριθμο οπτικής ανίχνευσης »
H εκτίμηση της συγκεντρώσεις χλωροφύλλης (Chla σε mg m-3) στο νερό με τη χρήση τηλεπισκόπισης είναι δύσκολη επειδή οι παραδοσιακοί εμπειρικοί (π.χ., OCX μπλε / πράσινη μπάντα αναλογίες) ή ημι-αναλυτικοί αλγόριθμοι (Π.χ., GSM ή QAA) βασίζονται σε μπλε-πράσινα μήκη κύματος, όπου οι οπτικές ιδιότητες των συστατικων του νερού συχνά κυριαρχούν. Ορισμένες πρόσφατες προσπάθειες έχουν γίνει για υπολογιστεί η Chla βάση του κόκκινου και υπέρυθρου μήκη κύματος για την αποφυγή τέτοιων προβλημάτων. Με in situ δεδομένα που καταγράφηκαν από τις 9 κρουαζιέρες μεταξύ 1998 και 2010 στην Tampa Bay, που βρίσκεται στη Φλόριντα (ΗΠΑ). Δοκιμάσθηκαν τρεις Chla αλγόριθμοι και ένας σύνθετος δείκτης χλωροφύλλης (SCI)
Εισαγωγη
Σημαντικές πρόοδοι έχουν γίνει την τελευταία δεκαετία όσον αφορά την εφαρμογή τηλεπισκόπησης στην παρακολούθηση της ποιότητας του νερού παράκτια και εσωτερικά. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζουν τα στοιχεία που παρέχονται από τους δορυφορικούς αισθητήρες όπως ο MODIS, SeaWiFS και MERIS Οι παρατηρήσεις αυτές είναι κρίσιμες στην άρση του φαινομένου aliasing στις χρονικές και χωρικές έρευνες. Επιτυχίες έχουν καταδειχθεί σε αρκετές πρόσφατες δημοσιεύσεις σε μακροπρόθεσμα δορυφορικά δεδομένα για την εκτίμηση μεταβολής της ποιότητας του νερού στις εκβολές των ποταμών και των λιμνών.Πολλές από αυτές τις μελέτες έχουν επικεντρωθεί στις ιδιότητες όπως θολερότητα και διαύγεια του νερού διότι είναι σχετικά εύκολο να προέρχονται από δορυφορικές μετρήσεις. Η θολότητα είναι ένα προσεγγιστικό μέτρο της συγκέντρωσης των σωματιδίων στο νερό και κατ 'αρχήν μπορεί να μετράτε από την ανελαστικότητα σε κόκκινες ζώνες, οι οποίες είναι λιγότερο επιρρεπείς από την μπλε-πράσινο ζώνες που εμπεριέχουν σφάλματα λογω ατμοσφαιρικής επιρροής Η διαύγεια του νερού είναι ένα μέτρο του συνόλου απορρόφησης φωτός και σκέδασης των συστατικών στο νερό. Αυτές οι πρωτοποριακές μελέτες έδειξαν μια δυνατότητα με χρήση των δορυφορικών μετρήσεων για τη μακροσκοπική παρακολούθηση της ποιότητας των παράκτιων και εσωτερικών υδάτων. Εκτίμηση βιομάζας φυτοπλαγκτού και χλωροφύλλη-α (Chla σε mg m-3) σε θολά ύδατα των εκβολών ποταμών είναι πολύ δύσκολο. Δύο σημαντικά προβλήματα είναι η έλλειψη μεθόδου για την επαρκή διόρθωση της ατμοσφαιρικής επίδρασης για τον υπολογισμό της μπλε-πράσινο ανάκλασης και η έλλειψη ισχυρή βιο-οπτικών αλγορίθμων για να διαφοροποιήσει της Chla από άλλα συστατικά του νερού. Παρά το γεγονός ότι στις τελευταίες προσπάθειες αποφευχθεί η εμφάνιση μαύρων-pixel, χρησιμοποιώντας μεγαλύτερα μήκη κύματος, τα προβλήματα εξακολουθούν να υπάρχουν για τα μπλε μήκη κύματος όπου μερικές φορές οφείλεται στην απορρόφηση από τα αερολύματα. Η θεμελιώδης εξίσωση βιο-οπτικό συσχέτισης εκφράζεται ως Rrs(λ)=G * b(λ) / ( a(λ) + b(λ) ) Όπου Rrs είναι η τηλεπισκόπηση ανάκλαση το G είναι ανεξάρτητη παράμετρος η οποία εξαρτάται από την γεωμετρία και την ηλιακή θέαση b (λ) είναι η συνολική οπισθοσκέδαση a (λ) είναι η συνολική απορρόφηση
Οι Βιο-οπτικοι αλγόριθμοι χρησιμοποιούνται παραδοσιακά για προσδιορισμό της Chla στα ωκεάνια νερά από το μπλε / πράσινο κανάλι. Οι αλγόριθμοι αυτοί δεν αποδίδουν σε εκβολές ποταμών. Πολλές νέες προσεγγίσεις έχουν προταθεί για την χρησιμοποιήσει φασματικών ζωνών στο κόκκινο και στο εγγύς υπέρυθρο για την αποφυγή τέτοιων προβλημάτων, αλλά τα αποτελέσματα βασίζονται κυρίως σε επί τόπου παρατηρήσεις και η εφαρμογή τους σε δορυφορικά δεδομένα σπάνια έχει τεκμηριωθεί. Σε αυτή η μελέτη, θα αξιολογούν τις επιδόσεις των τεσσάρων αλγορίθμων, χρησιμοποιώντας όλα τα κόκκινο-NIR μήκη κύματος, με στόχο να αναζητήσει του καταλληλότερου αλγόριθμου για δορυφορικά δεδομένα πάνω σε θολές εκβολές ποταμών. Ο κόλπος Tampa Bay έχει επιφάνεια περίπου 1000 km2 και μέσο βάθος νερού 4m, είναι στη Φλόριντα, και σε αυτόν δοκιμάστηκα τέσσερεις μέθοδοι. Οι βιο-οπτικές ιδιότητες στα ύδατα του κόλπου Tampa Bay επηρεάζεται έντονα επίγεια κατά τη διάρκεια της υγρής περιόδου (Ιούνιος-Οκτωβρίου) και από τον άνεμο κατά την ξηρή περίοδο (Νοέμβριος-Μάιος). Δύο in situ σύνολα δεδομένων χρησιμοποιήθηκαν σε αυτή τη μελέτη, από εν πλω έρευνες με στόχο τη μέτρηση των βιο-οπτικών ιδιοτήτων και από τις μηνιαίες μετρήσεις Chla της επιφάνειας σε προκαθορισμένους σταθμούς. Το πρώτο σύνολο δεδομένων που περιέχονται ενενήντα επτά μετρήσεις ανελαστικότητα της Chla (Rrs (λ), της απορρόφησης από το φυτοπλαγκτόν (aph), (Σχ. 1). Τα δεδομένα MODIS-Aqua και MERIS τα πήραν από τη NASA Goddard Space Flight Center (http://oceancolor.gsfc.nasa.gov/), και η επεξεργασία έγινε με το λογισμικό SeaDAS, έκδοση 6,1. Τα MODIS δεδομένα είναι 1km ανάλυση, και MERIS δεδομένα είναι 300m ανάλυση, τα οποία είναι διαθέσιμα μόνο μετά το 2009 μέσω της NASA GSFC. Για την ανάπτυξη και επικύρωση του αλγόριθμου, χρησιμοποιήθηκαν τα ακόλουθα κριτήρια : 1) οι μετρήσεις θα πρέπει να είναι μέσα σε ένα στενό παράθυρο χρόνου ± 3 ώρες 2) μια δοκιμή ομοιογένειας χρησιμοποιείται για να διασφαλιστεί ότι το pixel εικόνας δεν έχει ετερόκλητα στοιχεια 3) και η μέση τιμή από ένα 3 × 3 πίνακα pixel χρησιμοποιούνται για το φιλτράρισμα του αισθητήρα από θόρυβο
Μεθοδολογία
Τρεις υφιστάμενους αλγορίθμους, που εφαρμόζουν λόγους στα προεπιλεγμένα κανάλια μπλε-πράσινο για να υπολογιστεί η χλωροφύλλη. Οι αλγόριθμοι βασίζονται σε παλινδρόμηση μεταξύ καναλιών μπλε / πράσινο με Chla, και η FLH και MCI . Στη συνέχεια, δοκιμάστηκαν τέσσερις προσεγγίσεις για να υπολογιστεί από το Rrs (λ) η Chla. Αυτές περιλαμβάνουν τα ακόλουθα: (Ι) προσέγγιση δύο-καναλιων αναλογία με τη μορφή της Rrs (λ2) / Rrs (λ1) όπου λ1 βρίσκεται γύρω από την απορρόφηση φυτοπλαγκτόν με κορυφή στα 675 nm και λ2 βρίσκεται συνήθως μεταξύ 700 και 720 nm. Η προσέγγιση αυτή βασίζεται στις υποθέσεις ότι στο (λ1) κυριαρχείται από την απορρόφηση φυτοπλαγκτόν, στο (λ2) κυριαρχείται από την απορρόφηση του νερού και τέλος το b (λ) είναι ανεξάρτητο του λ μεταξύ λ1 και λ2. Στη συνέχεια, η Rrs (λ) μπορεί να προσεγγιστεί ως: Rrs(λ2) / Rrs(λ1) = [(aph(λ1) + aw(λ2)] / aw(λ2)
(ΙΙ) προσέγγιση τριών ζωνών για μετρίως θολά νερά οπου η απορρόφηση από τα αιωρούμενα σωματίδια δεν μπορεί να παραμεληθεί. Έχει αναπτυχτεί μια προσέγγιση με μορφή [Rrs (λ1)^-1 - Rrs (λ2)^-1] * Rrs (λ3) (όπου λ1 στο κόκκινο κανάλι, και λ2 και λ3 ήταν στην ζώνη NIR). [Rrs (λ1)^-1 - Rrs (λ2)^-1] * Rrs (λ3) = [(aph(λ1) + aw(λ1) - aw(λ2)] / aw(λ2)
(III) προσέγγιση τεσσάρων ζωνών για πολύ θολά νερά, όπου η απορρόφηση και η οπισθοσκέδαση των σωματιδίων στο λ3 δεν είναι πλέον αμελητέα. [Rrs (λ1)^-1 - Rrs (λ2)^-1] / [Rrs (λ4)^-1 - Rrs (λ3)^-1] = [(aph(λ1) + aw(λ1) - aw(λ2)] / [(aw(λ4) - aw(λ3)]
(IV) προσέγγιση με χρήση ενός σύνθετου δείκτη χλωροφύλλης για την ελαχιστοποίηση της επίδρασης της υψηλής θολότητας στο FLH αλγόριθμο. Ο δείκτης SCI προτάθηκε για να εξάγει το Rrs (λ)
Συμπεράσματα
Αρκετά νέα ευρήματα ελήφθησαν από αυτή τη μελέτη. Στην εικόνα 2 υπάρχουν τα αποτελέσματα της μεθόδου που βασίζεται στα κανάλια μπλε / πράσινο είτε Rrs (488) / Rrs (547) για τον αλγόριθμο OC3 ή Rrs (510) / Rrs (555) για τον αλγόριθμο OC4. Οι αλγόριθμοι αυτοί δεν χρησιμοποιήθηκαν για τις θολές εκβολές επειδή το μπλε φως είναι κατά κύριο λόγο επηρεάζεται από CDOM αντί της Chla.
Στην εικόνα 3 υπάρχουν τα αποτελέσματα της μεθόδου για 2 , 3 και 4 κανάλια. Οι σχέσεις μεταξύ των τριών αλγόριθμων και των in situ μετρήσεων Chla παρουσιάζονται στα δεξιά πάνελ του Σχεδ. 3. Υπάρχει υψηλή συσχέτιση για όλες τις περιπτώσεις, με ένα συντελεστή προσδιορισμού (R2) > 0,95 και μέσο σφάλμα (MRes) 30%. Όλες οι προσεγγίσεις (2-band, 3-band, 4-band, και SCI) έδειξαν την δυνατότητα υπολογισμού της χλωροφύλλης σε εκβολές. Οι αναλύσεις εικόνας έδειξε ότι η 2-band προσέγγιση ήταν η καλύτερη επιλογή για MERIS δεδομένα, με κάποιους περιορισμούς για νερά με χαμηλή Chla . Ο αλγόριθμος 2-band MERIS μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ανάπτυξη χρονοσειρών (2002-σήμερα) για Tampa Bay. Αυτό αντιπροσωπεύει μία σημαντικό ορόσημο για τη χρήση δορυφορικών δεδομένων για τη μακροπρόθεσμη αξιολόγηση των αλλαγών Chla σε εκβολές ποταμών νερά. Επίσης σημαντικό είναι ότι αν και όλοι οι αλγόριθμοι έδειξαν την δυναμική τους ικανότητα στα διαγράμματα διασποράς για τον υπολογισμο τις χλοροφυλης εντουτης στην αξιολογηση αναλύσεις εικόνας, σημείο-προς-σημείο ο αλγορίθμος 2-band ήταν η η μόνη επιλογή που παρέχεται ρεαλιστική εικόνα. Τέλος, αν και η εστίασή μας ήταν στην Tampa Bay, η προσέγγιση που χρησιμοποιείται εδώ θα μπορούσε να επεκταθεί σε πολλες άλλες εκβολές με παρόμοια βιο-οπτική μεταβλητότητα, όπως φαίνεται στο παράδειγμα Chesapeake Bay.
