Διάκριση κυανοβακτηρίων και υδρόβιων μακρόφυκων χρησιμοποιώντας Landsat / TM και ETM + ταινίες υπερύθρων κυμάτων

Από RemoteSensing Wiki

Διάκριση κυανοβακτηρίων και υδρόβιων μακρόφυκων χρησιμοποιώντας Landsat / TM και ETM + ταινίες υπερύθρων κυμάτων

Συγγραφείς : Yoichi Oyama , Bunkei Matsushita, Takehiko Fukushima

Τίτλος: Distinguishing surface cyanobacterial blooms and aquatic macrophytes using Landsat/TM and ETM+ shortwave infrared bands

Πρωτότυπος τίτλος: Distinguishing surface cyanobacterial blooms and aquatic macrophytes using Landsat/TM and ETM+ shortwave infrared bands

Πηγή

Εισαγωγή

Η δορυφορική τηλεπισκόπηση μπορεί να θεωρηθεί κατάλληλη προσέγγιση για την παρακολούθηση της έκτασης των κυανοβακτηρίων σε σύγκριση με τις συμβατικές μεθόδους παρακολούθησης τους με πλοία. Αυτό οφείλεται στην ακανόνιστη και μεγάλη χωρική και χρονική μεταβλητότητα των κυανοβακτηρίων. Ωστόσο, οι περισσότεροι υπάρχοντες αλγόριθμοι, δεν είναι σε θέση να διακρίνουν την έκταση των κυανοβακτηρίων και τα υδρόβια μακρόφυτα λόγω των παρομοίων φασματικών χαρακτηριστικών των μήκων κύματος τους στο κόκκινο και στην εγγύ υπέρυθρη ακτινοβολία (NIR). Οι εκτάσεις κυανοβακτηρίων είναι ένα από τα σοβαρότερα προβλήματα στα εσωτερικά ύδατα λόγω των αρνητικών επιπτώσεων τους στις ανθρώπινες δραστηριότητες. Προκαλεί αυξημένη θολερότητα, οσμή, προβλήματα στην ανθρώπινη υγεία, δηλητηρίαση ζώων καθώς και υποβάθμιση της ποιότητας των υδάτων για πόσιμο, γεωργικό και βιομηχανικό σκοπό. Από τις αρχές της δεκαετίας του 1970, η δορυφορική τηλεπισκόπηση είναι ευρέως διαδεδομένη στην παρακολούθηση κυανοβακτηρίων. Σε αυτή τη μελέτη, προτάθηκε μια μέθοδος διάκρισης των κυανοβακτηρίων και υδρόβιων μακροφύτων από εικόνες Landsat / TM και ETM + συνδυάζοντας τους δείκτες FAI και NDWI4,5. Χρησιμοποιήθηκε πρώτα ο δείκτης FAI εξάγοντας τα νερά των λιμνών, και στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκε η ταξινόμηση του NDWI4,5 για τα υπόλοιπα εικονοστοιχεία της λίμνης ως κυανοβακτήρια ή υδρόβια μακροφύκη.

Μεθοδολογία

Σε αυτή τη μελέτη, πραγματοποιήθηκαν φασματικές μετρήσεις στο πεδίο (in situ) και αναλύσεις δορυφορικών δεδομένων για κυανοβακτήρια και υδρόβια μακροφύκη. Επιπλέον, συλλέχθηκαν επτά εικόνες Landsat για εννέα λίμνες της Ιαπωνίας και της Ινδονησίας.

Εικόνα 1: Οι τοποθεσίες των λιμνών Kasumiguara, Inba-numa and Tega-muma. στην δορυφορική ψευδοχρωματική εικόνα Landsat/TM (μπλε: TM3, πράσινο: TM4, κόκκινο: TM5) στις 11 Αυγούστου 2011. Την ημέρα αυτή παρατηρήθηκαν κυανοβακτήρια στο δυτικό τμήμα της λίμνης Kasumigaura, ενώ υδρόβια μακρόφυτα βρέθηκαν στις λίμνες Inba-numa και Tega-numa.

Στην έρευνα πεδίου, δείγματα νερού πάρθηκαν και αναλύθηκαν με σπεκτροφωτομετρική μέθοδο με σκοπό την οπτική πυκνότητα του εκχυλίσματος χλωροφύλλης η οποία μετρήθηκε σε 4 μήκη κύματος 750, 663, 645 και 630 nm και υπολογίστηκαν οι συγκεντρώσεις Chl-a χρησιμοποιώντας εξισώσεις SCOR-UNESCO.

Εικόνα 3: Τα μετρούμενα φάσματα ανάκλασης στο πεδίο. Η εικόνα δείχνει την ανάκληση για (α) νερό λίμνης, (β) κυανοβακτήρια και (γ) υδρόβια μακροφύκη.

Χρησιμοποιήθηκαν εικόνες με αισθητήρες ΤΜ και ETM+. Ο αισθητήρας ΤΜ έχει 4 ζώνες στο ορατό και στο εγγύ φάσμα (TM1: 450-520 nm, TM2: 520-600 nm, TM3: 630-690 nm, TM: 760- 900 nm ), 2 ζώνες μικρού μήκους υπερύρθων (TM5: 1550–1570nm, TM7: 2080−2350nm) και 1 στο θερμικό μήκος (ΤΜ6: 10400-12500 nm). Ο ETM+ αισθητήρας έχει τις ίδιες ζώνες και μια πρόσθετη μεταξύ 520 nm και 900nm. Η χωρική ανάλυση των 30m των ΤΜ και ETM+ απαιτείται για την παρακολούθηση των μικρών εσωτερικών υδάτων. Οι ψηφιακοί αριθμοί (DN- Digital Number) των TM και ETM + μετατράπηκαν πρώτα σε ακτινοβολία (L). Στη συνέχεια, οι τιμές ακτινοβολίας μετατράπηκαν σε ακτινοβολία στα όρια της ατμόσφαιρας (ΤΟΑ -Top Of The Atmosphere) και της ανάκλασης (RTOA -Top-of-Atmosphere reflectance).

Για την ταξινόμηση των κυανοβακτηριών και των υδρόβιων μακροφύτων στα νερά των λιμνών υπολογίστηκαν οι εξής επιλεγμένοι δείκτες :

• ο κανονικοποιημένος δείκτης βλάστησης (NDVI - Normalized Difference Vegetation Index),

Ο κανονικοποιημένος δείκτης βλάστησης (NDVI) σύμφωνα με την διεύθυνση είναι ένας δείκτης που υπολογίζει την ζωτικότητα της βλάστησης και βασίζεται σε δορυφορικά δεδομένα. Βασίζεται στην ακόλουθο αρχή:

η χρωστική των φύλλων των φυτών, η χλωροφύλλη, απορροφά σε υψηλά ποσοστά το ορατό φως (από 0,4 έως 0,7 µm) για χρήση κατά τη φωτοσύνθεση. Από την άλλη πλευρά,
η κυτταρική δομή των φύλλων ανακλά σε μεγάλο βαθμό το εγγύς υπέρυθρο φως (από 0,7 έως 1,1 µm). Εάν η ανακλώμενη ακτινοβολία στο εγγύς υπέρυθρο μήκος κύματος
είναι πολύ περισσότερη από ό,τι στο ορατό μήκος φωτός, τότε η βλάστηση στο συγκεκριμένο εικονοστοιχείο είναι πιθανό να είναι πυκνή και ενδέχεται να αποτελείται 

από κάποιο είδος δάσους.

Εικόνα 4: Ο τύπος NDVI.

• πέντε τύποι κανονικοποιημένου δείκτη διαφοράς νερού (NDWI-Normalized Difference Water Index) o οποίος μελετά την πρόσληψη νερού από τα φυτά

Εικόνα 5: Ο τύπος NDWI.

και 

• του δείκτη αιωρούμενης άλγης (FAI - Floating Algae Index)

Ο δείκτης FAI ορίζεται ως η διαφορά της ανακλαστικότητας μεταξύ του κοντινού υπέρυθρου NIR (Near Infrared) και μιας διορθωμένης ανακλαστικότητας του κοντινού υπέρυθρου, η οποία προέρχεται από τη χρήση των γειτονικών φασμάτων του κόκκινου R (Red) και των μικρών μήκους υπέρυθρων κυμάτων SWIR (Sort Wave Infrared )

Εικόνα 6: Οι τύποι όπως χρησιμοποιήθηκαν σε αυτό το μοντέλο.

Για να διευκρινιστούν τα όρια των κυανοβακτηρίων και των μακρόφυτων επιλέχθηκαν 150 pixels κυανοβακτήρια και 150 pixels μακρόφυτων στην εικόνα που πάρθηκε 8/11/2011 και περιείχε τις λίμνες Kasumigaura, Inba-numa και Tega-numa . Υπολογίστηκαν όλοι οι δείκτες για τις τρείς λίμνες και συγκρίθηκαν τα εύρη. Οι δείκτες χωρίς επικαλύψεις μεταξύ δύο ομάδων επιλέχθηκαν για τον διαχωρισμό των κυανοβακτηριακών ανθών και των υδρόβιων μακροφύτων.

Αποτελέσματα - Συμπεράσματα

Τα φάσματα ανακλαστικότητας μετρήθηκαν για τα νερά των λιμνών και για τα κυανοβακτηρια σε 13 περιοχές με διαφορετικά επίπεδα συγκέντρωσης χλωροφύλλης-α (από 54 έως 21.736 μg L-1) και τέσσερις τύπους υδρόβιων μακροφύτων (δύο αναδυόμενους και δύο κυλινδρικούς μακρόφυτους) με το μήκος κύματος να κυμαίνεται από 350 έως 2500 nm. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι τα φασματικά χαρακτηριστικά των κυανοβακτηρίων ήταν σημαντικά διαφορετικά από εκείνων των υδρόβιων μακροφύτων στην περιοχή μικρών μήκους υπέρυθρων κυμάτων SWIR (Sort Wave Infrared), υποδηλώνοντας ότι οι ζώνες SWIR είναι σημαντικές για τη διάκριση των κυανοβακτηρίων και των υδρόβιων μακροφύτων. Μεταξύ των επιλεγμένων δεικτών, οι NDVI, NDWI4,2 και FAI έδειξαν δυνατότητα για τον διαχωρισμό του νερού της λίμνης και κυανοβακτηρίων, ενώ οι ζώνες SWIR δεν ήταν πολύ χρήσιμες για τη διάκριση του νερού της λίμνης και των κυανοβακτηρίων. Οι τιμές ανάκλασης στην περιοχή NIR ήταν πολύ υψηλότερες από εκείνες στην ορατή περιοχή, κυρίως λόγω της κυτταρικής δομής των φύλλων. Τα αποτελέσματα έδειξαν επίσης ότι ο συνδυασμός FAI και NDWI4,5 ήταν μια αποτελεσματική μέθοδος για την ταξινόμηση των περιοχών. Στην αρχή χρησιμοποιήθηκε το FAI εξάγοντας τα νερά των λιμνών και στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκε το NDWI4,5 για να ταξινομηθούν οι υπόλοιπες περιοχές με βάση την έκταση των κυανοβακτηρίων ή των υδρόβιων μακροφύτων. Τα αποτελέσματα έδειξαν επίσης ότι το κατώφλι του NDWI4,5 ήταν λιγότερο ευαίσθητο στα αποτελέσματα τόσο της ατμόσφαιρας όσο και των μικτών εικονοστοιχείων σε σύγκριση με τους άλλους δείκτες. Η εφαρμογή του κατώτατου ορίου της FAI των 0,05 και το όριο NDWI4,5 0,63 έως έξι λίμνες στην Ιαπωνία και την Ινδονησία έδειξε ότι η προτεινόμενη μέθοδος θα μπορούσε να διακρίνει με επιτυχία το νερό της λίμνης, τα κυανοβακτηριακά άνθη και τα υδρόβια μακροφύκη.

Εικόνα 8: Εικόνες Landsat των τριών λιμνών στις οποίες εμφανίστηκαν κυανοβακτηρία αλλά δεν διανεμήθηκαν καθόλου ή εμφανίστηκαν μικρά επίπεδα υδρόβιων μακρόφυτων. a-c: έγχρωμη εικόνα πραγματικού χρώματο RGB. d-f: εικόνες FAI. Οι εικόνες διαχωρίστηκαν αρχικά σε νερό στη λίμνη και άλλες χρησιμοποιώντας το όριο FAI 0,05 (g-i). Άλλος περαιτέρω διαχωρισμός σε κυανοβακτήρια και υδρόβια μακροχρώματα χρησιμοποιώντας το όριο TM 7 0,025 (j-1), το όριο NDWI2,5 0,27 (m-o) και το όριοNDWI4,5 0,63 (p-r).

Εικόνα 9: Παρόμοια με την εικόνα 8 αλλά παρουσιάζει τρεις λίμνες όπου κατανεμήθηκαν υδρόβια μακροφύτα και δεν εμφανίστηκαν κυανοβακτήριες εκτάσεις.