Δορυφορική τηλεπισκόπηση της φαινολογίας του φυτοπλαγκτού στη λίμνη Balaton χρησιμοποιώντας 10 έτη παρατηρήσεων MERIS
Από RemoteSensing Wiki
Δορυφορική τηλεπισκόπηση της φαινολογίας του φυτοπλαγκτού στη λίμνη Balaton χρησιμοποιώντας 10 έτη παρατηρήσεων MERIS
Συγγραφείς: S.C.J. Palmer, D. Odermatt, P.D. Hunter, C. Brockmann, M. Présing, H. Balzter, V.R. Tótha
ΠΕΡΙΛΗΨΗ
Η παρακολούθηση της βιομάζας του φυτοπλαγκτόν στις λίμνες είναι πολύ σημαντική επειδή επηρεάζει την ποιότητά της. Η εργασία αυτή παρακολουθεί τη συγκέντρωση του φυτοπλαγκτόν χρησιμοποιώντας το μέτριας ανάλυσης φασματόμετρο (MERIS). Για την εξαγωγή και χαρτογράφηση των μετρημένων φαινολογίας χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό TIMESAT. Επίσης αναδεικνύονται o υψηλός βαθμός χωρικής και χρονικής μεταβλητότητας, καθώς επίσης και οι μεθοδολογικοί περιορισμοί και συσχετισμοί μεταξύ των μετρήσεων φαινολογίας.
1.Εισαγωγή
Το φυτοπλαγκτόν του γλυκού νερού έχει μικρό κύκλο ζωής. Τα αποτελέσματα του ευτροφισμό, όπως η επιβλαβής ανθίζουσα άλγη, συμβαίνουν συχνότερα με την θέρμανση του πλανήτη (Moss, 2012). Η εποχικότητα της βιομάζας φυτοπλαγκτού, γνωστή ως φαινολογία εποπτεύεται από τον Ευρωπαϊκό Οργανισμό Διαστήματος μέσω του MERIS και έχει συμβάλει σημαντικά στην τηλεπισκόπηση των εσωτερικών υδάτων λόγω της υψηλής φασματικής, χρονικής, ραδιομετρικής και χωρικής του ικανότητας (Palmer et al., 2015).
2.Υλικά και μέθοδοι
2.1. Περιοχή μελέτης και επί τόπου δεδομένα
Η εφαρμογή τέθηκε στη λίμνη Balaton της Ουγγαρίας. Το μικρό βάθος της λίμνης σε συνδυασμό με τα θρεπτικά συστατικά που εισέρχονται από τον ποταμό Zala, ευνοούν την ανάπτυξη φυτοπλαγκτού, κυρίως, στο τέλος καλοκαιριού με αρχές φθινοπώρου. Συνεπώς, απαιτείται δειγματοληψία κάθε μήνα. Τα δείγματα παίρνονται από το ΜΕRΙΣ και αναλύονται φασματικά χρησιμοποιώντας φίλτρα Whatman GF/C 1,2μm.
2.2. MERIS χλωροφύλλη-α χαρτογράφηση και συσσωμάτωση χρονοσειρών
Στα δεδομένα MERIS εφαρμόστηκαν μοντέλα ατμοσφαιρικών διορθώσεων για το Ύψος γραμμής φθορισμού (FLH), καθώς και η διόρθωση ανάκλασης Raleigh χρησιμοποιώντας τα κανάλια 7 (619nm), 8 (681nm), και 9 (709nm) του MERIS. Αρνητικές τιμές FLH σημαίνει άνθιση κυανοβακτηρίων και θετικές τιμές μή ύπαρξη κυανοβακτηρίων. Τα κυανοβακτήρια συνδέονται με το φαινόμενο του ευτροφισμού.
2.3. Εξαγωγή χαρακτηριστικών φαινολογίας
Μέσω του προγράμματος TIMESAT επιλέχθηκαν οι παράμετροι εξομάλυνσης που χρησιμοποιήθηκαν για τη χαρτογράφηση έντεκα φαινολογικών χαρακτηριστικών. Για μέση συγκέντρωση χλωροφύλλης από 10 mg m−3 και πάνω επιλέχθηκαν για να ορίσουν την έναρξη της άνθισης. Ως τέλος άνθισης ορίστηκε το σημείο όπου μετά από μία ακραία μέγιστη τιμή η συγκέντρωση πέφτει κάτω από 12 mg m−3.
2.4. Επικύρωση και χαρτογράφηση χαρακτηριστικών φαινολογίας
Τα δεδομένα MERIS είναι από το 2003-2011. Παρήχθησαν χάρτες όλων των χαρακτηριστικών φαινολογίας για κάθε θερινή ανθοφορία από τις χρονοσειρές του MERIS. Επίσης, υπολογίστηκε το ποσοστό που καταλαμβάνει η ανθοφορία επί της λιμναίας επιφάνειας.
3. Αποτελέσματα
3.1. TIMESAT εξομάλυνση και παραμετροποίηση
Οι τρεις διαθέσιμες επιλογές για εξομάλυνση στο TIMESAT, δηλαδή η ασύμμετρη Gaussian, διπλή λογιστική και Savitzky-Golay, συγκρίθηκαν για δέκα τυχαία επιλεγμένα εικονοστοιχεία από όλη τη λίμνη, δίνοντας όμοια αποτελέσματα. Ωστόσο, το φιλτράρισμα Savitzky-Golay αποδείχθηκε το καταλληλότερο για παρακολούθηση της δυναμικής των ανθίσεων της φυτομάζας.
3.2. Φαινολογική μελέτη, χαρτογράφηση, μεταβλητότητα και ανάλυση συσχέτισης
Η συσχέτιση μεταξύ των δεδομένων του MERIS και του TIMESAT έχουν συσχέτιση της τάξης του 0.72<R2<0.84 (Εικόνα 1). Επιπλέον, παρουσιάζεται η αρχή άνθισης κάθε έτους (Εικόνα 2), ενώ η μέση κάλυψη της επιφάνειας της λίμνης από φυτοπλαγκτόν είναι περίπου 56%, με μέγιστη τιμή 77% το 2003. 8 από τα 11 φαινολογικά στοιχεία χαρτογραφήθηκαν παρουσιάζοντας σχετικά υψηλή συσχέτιση, έως και 89% (Εικόνα 3).
4. Συζήτηση
Οι τεχνικές που χρησιμοποιήθηκαν στη συγκεκριμένη λίμνη δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε όλες τις λίμνες του πλανήτη, αφού πρέπει να ληφθούν υπόψη οι τοπικοί παράγοντες. Σε γενικά πλαίσια τα φαινολογικά στοιχεία ποικίλουν, θετικά ή αρνητικά, ανάλογα με την τροφική κλίση (Istvánovics et al., 2007). Σημαντικό αίτιο του ευτροφισμού είναι και τα στοιχεία που μεταφέρουν οι ποταμοί στις λίμνες. Ανασταλτικός παράγοντας είναι τα μικτά εικονοστοιχεία που περιέχουν λίμνη και έδαφος, ενώ καίριο ρόλο παίζει η εξομάλυνση του θορύβου. Το σημαντικότερο εξαγόμενο της εργασίας ήταν η αναγνώριση συγκέντρωσης κυανοβακτηρίων, τα οποία είναι συνδεδεμένα με ευτροφικές συνθήκες (Smith, 2003). Η θερμοκρασία, η διαθεσιμότητα θρεπτικών συστατικών, η πίεση βόσκησης και οι συνθήκες φωτισμού είναι οι οδηγοί της δυναμικής του φυτοπλαγκτού σε λίμνες όπως η Balaton (Winder et al., 2012).
5.Συμπεράσματα
Η εργασία επικεντρώθηκε στη χαρτογράφηση φαινολογικών στοιχείων φυτοπλαγκτού σε λίμνη χρησιμοποιώντας δορυφορικές απεικονίσεις. Η χωρική κατανομή του φαινομένου του ευτροφισμού παρουσιάσθηκε μέσω της επιφάνειας της λίμνης που αυτό καταλαμβάνει τους καλοκαιρινούς μήνες. Ίσως το πιο σημαντικό δεδομένο της έρευνας είναι η ταυτόχρονη αξιοποίηση δορυφορικών και επιτόπιων δεδομένων.
Αναφορές
Istvánovics, V., Clement, A., Somlyody, L., Specziar, A., G.-Toth, L., & Padisak, J. (2007). Updating water quality targets for shallow Lake Balaton (Hungary), recovering from eutrophication. Hydrobiologia, 581, 305–318.
Moss, B. (2012). Cogs in the endless machine: Lakes, climate change and nutrient cycles: A review. Science of the Total Environment, 434, 130–142.
Palmer, S.C.J., Hunter, P.D., Lankester, T., Hubbard, S., Spyrakos, E., Tyler, A.N., et al.(2015). Validation of Envisat MERIS algorithms for chlorophyll retrieval in a large, turbid and optically-complex shallow lake. Remote Sensing of Environment, 157, 158–169.
Smith, V.H. (2003). Eutrophication of freshwater and coastal marine ecosystems a global problem. Environmental Science and Pollution Research, 10(2), 126–139.
Winder, M., Berger, S.A., Lewandowska, A., Aberle, N., Lengfellner, K., Sommer, U., et al. (2012). Spring phenological responses of marine and freshwater plankton to changing temperature and light conditions. Marine Biology, 159, 2491–2501.
