Δορυφορική παρακολούθηση της ποιότητας του νερού με τη βοήθεια φασματοσκοπίας
Από RemoteSensing Wiki
Τίτλος
Spectroscopy-assisted satellite water quality monitoring
Πηγή
Συγγραφείς
Diofantos Hadjimitsis and Chris Clayton
Η παρακολούθηση της ποιότητας του νερού τυπικά περιλαμβάνει δαπανηρές και χρονοβόρες επιτόπιες έρευνες, όπου λαμβάνονται δείγματα νερού και μεταφέρονται σε εργαστήρια. Εκεί τα δείγματα αναλύονται και μετρώνται δείκτες ποιότητας νερού, όπως χλωροφύλλη α (Chl-α), σωματιδιακός οργανικός άνθρακας (POC), και αιωρούμενα στερεά (SS). Αυτή η διαδικασία δύο σταδίων επιτρέπει την ακριβή μέτρηση σε ένα υδάτινο σώμα, αλλά μόνο στα διακριτά σημεία όπου τα δείγματα αποκτήθηκαν. Για την παράκαμψη της δειγματοληψίας, η δορυφορική τηλεπισκόπηση παρέχει πλήρη και συνοπτική γεωγραφική κάλυψη της ποιότητας του νερού των εσωτερικών υδατικών συστημάτων, όπως λίμνες, ταμιευτήρες, ποτάμια και φράγματα. Με την τηλεπισκόπηση προκαθορίζεται φασματοσκοπικά η βέλτιστη περιοχή φάσματος για τους δείκτες ποιότητας του νερού πριν την επεξεργασία των δορυφορικών εικόνων, με στόχο τη βελτίωση των μοντέλων πρόβλεψης για την ποιότητα του νερού.
Πολλά δορυφορικά συστήματα χρησιμοποιούνται για την παρακολούθηση της ποιότητας του νερού στην ενδοχώρα, συμπεριλαμβανομένων των Land Satellite (Landsat), Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER) και Medium Resolution Imaging Spectrometer (MERIS). Οι εικόνες των παραπάνω δορυφόρων χρησιμοποιούνται σε συνδυασμό με in situ δειγματοληπτικές μετρήσεις της ποιότητας του νερού για τον προσδιορισμό του επιπέδου ρύπανσης. Περαιτέρω, στατιστικές τεχνικές χρησιμοποιούνται για τον προσδιορισμό συσχετίσεων μεταξύ δορυφορικών φασματικών καναλιών ή συνδυασμούς αυτών, και των επιθυμητών δεικτών ποιότητας των υδάτων. Οι συσχετίσεις αυτές χρησιμοποιούνται στη συνέχεια για την ανάπτυξη υπολογιστικών εξισώσεων για τα επίπεδα Chl-α, POC και SS.
Παρά το γεγονός ότι έχουν υπάρξει αναφορές σχετικά με τη χρήση της δορυφορικής τηλεπισκόπησης των εσωτερικών υδάτων, σχετικά λίγες μελέτες έχουν εξετάσει το πρόβλημα της ατμοσφαιρικής παρέμβασης στο δορυφορικό σήμα. Για παράδειγμα, η ακτινοβολία από την επιφάνεια της Γης υφίσταται σημαντική αλληλεπίδραση με την ατμόσφαιρα προτού φτάσει στο δορυφορικό αισθητήρα. Αυτές οι αλληλεπιδράσεις είναι πιο σοβαρές όταν οι στοχευμένες επιφάνειες αποτελούνται από υδάτινα σώματα, ιδίως όταν πρόκειται για πολυφασματικά δεδομένα δορυφορικών χρονοσειρών. Οι ατμοσφαιρικές επιδράσεις αποτελούν το μεγαλύτερο μέρος στη μέτρηση της ακτινοβολίας στο ορατό φάσμα όταν πρόκειται για εσωτερικά ύδατα (60-90%). Επομένως, είναι απαραίτητη μία αξιόπιστη και αποτελεσματική ατμοσφαιρική διόρθωση κατά την προ-επεξεργασία των ψηφιακών δορυφορικών δεδομένων.
Για τον καθορισμό της ανάκλασης στην επιφάνεια του νερού πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις στο έδαφος, σε μηδενικό περίπου βάθος. Χρησιμοποιήθηκε ένα φασματοραδιόμετρο (GER1500, Spectra Vista Corporation), το οποίο καλύπτει τη φασματική περιοχή 350-1050nm. Αφού επιλέχθηκαν οι δεξαμενές επεξεργασίας νερού της κάτω κοιλάδας του Τάμεση (Ηνωμένο Βασίλειο) ως περιοχή μελέτης (βλ. εικόνα 1), πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις τόσο στις δεξαμενές όσο και σε ένα λευκό πάνελ spectralon (το οποίο χρησιμοποιήθηκε για τη μέτρηση της εισερχόμενης ηλιακής ακτινοβολίας). Με ένα φασματοραδιόμετρο πεδίου συναρμολογημένο με έναν ανιχνευτή οπτικών ινών, μετρήθηκαν οι τιμές ανακλαστικότητας σε διάφορα βάθη νερού από 0 έως 6m (βλ. εικόνα 2). Στη συνέχεια υπολογίσθηκαν οι τιμές ανάκλασης επιφάνειας που ισοδύναμούν με τα κανάλια 1-4 του Landsat-5 TM, όπου το κανάλι 1 ανιχνεύει τα μήκη κύματος 0,45-0.52μm, το κανάλι 2 ανιχνεύει 0.52-0.60μm, το κανάλι 3 ανιχνεύει 0,63-0.69μm και το κανάλι 4 ανιχνεύει 0.76-0.90μm. Για την απόδοση της in-band ανακλαστικότητος, επακολούθησε φιλτράρισμα των πειραματικών μετρήσεων μέσω των σχετικών φασματικών συναρτήσεων αποκρίσεως του Landsat-5 TM και λήφθηκε η μέση τιμή εντός των ορίων των τεσσάρων καναλιών.
Εντοπίσθηκαν οι πιθανοί προγνωστικοί παράγοντες για Chl-α και POC χρησιμοποιώντας γραμμική ανάλυση παλινδρόμησης μεταξύ των καταμετρηθέντων μέσων τιμών ανακλαστικότητας εντός του φασματικού εύρους του φασματοραδιομέτρου και των συγκεντρώσεων (μg/L) του Chl-α και POC στα δείγματα νερού. Κάθε μοντέλο παλινδρόμησης-512 στο σύνολο-αντιστοιχούσε σε ένα μετρημένο μήκος κύματος, όπου οι υψηλότερες τιμές συντελεστών συσχέτισης (r2) για Chl-α και POC αντιστοιχούσαν στα μήκη κύματος που βρέθηκαν. Συγκεκριμένα, βρέθηκαν συσχετίσεις για Chl-α στα 400-450nm (r2 = 0,80 έως 0,60) και 730-735nm (r2> 0,60: βλ. σχήμα 1). Για POC βρήκαμε συσχετίσεις στα 400-530nm (r2 = 0,80 έως 0,60) και 728-735nm (με r2> 0,60: βλ. σχήμα 2). Αυτά τα μήκη κύματος αντιστοιχούν στο βέλτιστο μήκος κύματος που τα Chl-α και POC μπορούν να ανακτηθούν μέσω δορυφόρου. Δηλαδή οι φασματικές περιοχές Landsat TM για Chl-α είναι το κανάλι 1 και για POC τα κανάλια 1 και 2. Τέλος εφαρμόσθηκε αλγόριθμος ατμοσφαιρικής διόρθωσης στα μοντέλα παλινδρόμησης και υποβλήθηκαν σε επεξεργασία πρόσφατα αρχειοθετημένες εικόνες Landsat TM/ETM+ για περαιτέρω ρύθμιση και επικύρωση της προ-επεξεργασίας.
Συνοπτικά, αναπτύχθηκε μια νέα μέθοδος για τον καθορισμό της βέλτιστης φασματικής περιοχής – με τη χρήση in situ φασματοραδιομετρικών μετρήσεων πεδίου - κατά την οποία οι παράμετροι ποιότητας του νερού μπορούν να ανακτηθούν από δεδομένα δορυφορικής εικόνας. Αρκετά γραμμικά και πολλαπλά γραμμικά υποδείγματα παλινδρόμησης εφαρμόστηκαν σχετίζοντας από την ατμοσφαιρικά διορθωμένες τιμές ανακλαστικότητας και συγκεντρώσεις Chl-a και POC.
