Εντοπισμός επιφανειακών άνθεων άλγης χρησιμοποιώντας τον πρόσφατα αναπτυγμένο αλγόριθμο SABI

Από RemoteSensing Wiki

Εντοπισμός επιφανειακών άνθεων άλγης χρησιμοποιώντας τον πρόσφατα αναπτυγμένο αλγόριθμο SABI

Πρωτότυπος τίτλος: Detection of surface algal blooms using the newly developed algorithm surface algal bloom index (SABI)

Συγγραφέας: Fahad Alawadi

Δημοσιεύθηκε: Remote Sensing of the Ocean, Sea Ice and Large Water Regions, 2010, Proc. Of SPIE, Vol 7825

Η ποσοτικοποίηση των ιδιοτήτων των ωκεάνιων χρωμάτων έχει εξελιχθεί τις τελευταίες δύο δεκαετίες. Αρχικό στάδιο ήταν ικανότητα εκτίμησης της συγκέντρωσης χλωροφύλλης με τη χρήση οπτικών δορυφορικών αισθητήρων όπως οι MODIS και MERIS, όμως πλέον είναι δυνατή η χαρτογράφηση και ο ακριβής εντοπισμός της στο υδάτινο περιβάλλον. Η άλγη είναι ένας φωτοσυνθετικός οργανισμός ο οποίος συγκεντρώνει είναι ένας δείκτης βιομάζας και οι σχηματισμοί της στην επιφάνεια του νερού επηρεάζουν τη χωρική κατανομή της χλωροφύλλης. Η εκτίμηση της συγκέντρωσης χλωροφύλλης προκύπτει από την ποσοτικοποίηση της φασματικής σχέσης μεταξύ του μπλε και του πράσινου καναλιού που ανακλάται στο νερό. Σε ορισμένες περιπτώσεις, οι σχηματισμοί αυτοί εμφανίζονται ως κοιτάσματα πετρελαιοκηλίδας σε δορυφορικές εικόνες, και αυτό οφείλεται στην υψηλή τους συγκέντρωση.

Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται φαινόμενο της «κόκκινης άκρης» (red edge effect)και συμβαίνει στην υψηλότερη τιμή ανάκλασης μεταξύ της μέγιστης απορρόφησης στο κόκκινο λόγω του περιβάλλοντος ωκεάνιου νερού και της μέγιστης ανακλαστικότητας στην υπέρυθρη ακτινοβολία λόγω των φωτοσυνθετικών χρωστικών που υπάρχουν στα επιφανειακά άλγη. Έτσι, δόθηκε η αφορμή για τη δημιουργία του αλγορίθμου SABI, ο οποίος αποτελεί έναν δείκτη που περιγράφει τη χωρική κατανομή αιωρούμενων ειδών μικροάλγης, όπως τα κυανοβακτήρια ή η εκτεθειμένη ενδοπαλιρροιακή βλάστηση όπως η θαλάσσια βλάστηση. Ο αλγόριθμος προσαρμόσθηκε ειδικά στο θαλάσσιο περιβάλλον για να συμπεριλαμβάνοντας όλες τις ευαίσθητες ωκεάνιες ζώνες που εντοπίζονται με βάση την αναλογία του χρώματος στο νερό (ωκεάνιο χρώμα).

O SABI είναι ένας εμπειρικός αλγόριθμος, ο οποίος αναπτύχθηκε ώστε να εντοπίζει τη βιομάζα στο νερό, όπου έχει παρόμοια φασματική συμπεριφορά στο κοντινό υπέρυθρο με την εδαφική βλάστηση. Ο υπολογισμός του προκύπτει από το λόγο της διαφοράς του κοντινού υπέρυθρου με το κόκκινο προς το άθροισμα του μπλε με το πράσινο. Ο αλγόριθμος εξαρτάται από την αναλογία, γεγονός που του δίνει πλεονέκτημα στα σφάλματα από τις μεταβολές στην ένταση του προσπίπτοντος φωτός, διότι το συνοδεύουν διαφορετικές γωνίες ηλίου, σύννεφα / σκιά και ατμοσφαιρικές συνθήκες.

Για την εφαρμογή του αλγορίθμου χρησιμοποιήθηκαν εικόνες του δορυφορικού δέκτη MODIS, για 4 διαφορετικές περιοχές, τον κόλπο του Μεξικού, τη Βαλτική, την αραβική και την κίτρινη θάλασσα (εικόνα 1). Κάθε μία από τις εικόνες υπέστησαν κάποιες προεπεξεργασίες, αυτές είναι η μετατροπή των ψηφιακών τιμών σε τιμές ανακλαστικότητας, η ατμοσφαιρική διόρθωση αποκόπτοντας τα νέφη και υπολογίσθηκε η θερμοκρασία για την επιφάνεια της θάλασσας (SST = Sea Surface Temperature). Παρακάτω αναφέρονται τα αποτελέσματα για την κάθε περιοχή μελέτης.

1) Κόλπος του Μεξικού

Οι εικόνες που χρησιμοποιήθηκαν για τον κόλπο του Μεξικού λήφθηκαν στις 2 Ιουνίου του 2006 και είναι από το δέκτη MODIS του δορυφόρου Terra, τα έγχρωμα σύνθετα με κωδικό 143 και 211 (εικόνα 2). Στην περιοχή εντοπίστηκε το είδος φυκιού σάργασσο (Sargassum), ένα καφέ είδος φυκιού με μικρά σφαιρικά φύλλα φουσκωμένα με αέρα, για να επιπλέει ελεύθερα και πάρθηκε δείγμα. Το SST (δεν απεικονίζεται) δεν έδειξε ιδιαίτερη θερμοκρασιακή διακύμανση στη θάλασσα και τα σύννεφα ήταν εύκολα διακριτά. Με την εφαρμογή του SABI στα έγχρωμα σύνθετα φαίνεται ότι η χλωροφύλλη είναι παρούσα στο νερό σε μεγάλο βαθμό, αφήνοντας ένα μικρό αριθμό εικονοστοιχείων λάθος ταξινομημένο.

2) Βαλτική Θάλασσα

Στη Βαλτική θάλασσα εντοπίζεται το είδος “nodularia spumigena” ένα ηπατοτοξικό κυανοβακτήριο, το οποίο χρωματίζει το νερό πράσινο, μπλε-πράσινο ή κίτρινο. Χρησιμοποιήθηκαν τα έγχρωμα σύνθετα 211, 143 όπως και για τον κόλπο του Μεξικού για τις 8 Ιουλίου του 2008. Μελετώντας το SST υπάρχουν συγκεκριμένα σημεία με υψηλές θερμοκρασίες (Hot spots), το οποίο είναι ένδειξη ύπαρξης φυτοπλαγκτόν. Εφαρμόζοντας το SABI η υπόθεση αυτή επιβεβαιώθηκε.

3) Αραβική Θάλασσα

Στην Αραβική Θάλασσα εντοπίζεται το είδος Noctiluca miliaris, το οποίο είναι μη φωτοσυνθετικό είδος, αλλά έχει παρόμοια δομή με τα φύκια. Στην εικόνα 4 παρατηρείται μία ανθοφορία του είδους στις εικόνες SABI, SST, Chlor-a, 143 και NDVI που ελήφθησαν από το MODIS Aqua στις 18 Φεβρουαρίου 2010. Ακόμα, στην ίδια εικόνα φαίνεται ένα γράφημα με τον NDVI και το SABI, όπου υπάρχει μείωση κατά 15% και 3%, καθώς στο κανάλι 1, το αεροζόλ, άλλαξε την πυκνότητά του από το χαμηλό (tau_869 = 0,07) στο υψηλό (tau_869 = 0,17) αντίστοιχα. Στο γράφημα κάτω δεξιά, παρατηρείται ότι ο SABI ήταν λιγότερο ευαίσθητος στην επίδραση της ηλιακής λάμψης από το NDVI. Μόνο το 2% των αποτυχημένων εικονοστοιχείων Chlor-a είχαν θετικές τιμές SABI (αυτά που επιπλέουν στην επιφάνεια του νερού), αφήνοντας το μεγαλύτερο μέρος των αποτυχημένων εικονοστοιχείων που έχουν αρνητικές τιμές SABI, να είναι φύκια βυθισμένα κάτω από το νερό αλλά κοντά στην επιφάνεια. Οι θετικές τιμές εικονοστοιχείων SABI επισημάνθηκαν επίσης στο προϊόν SST για τους ίδιους λόγους που περιεγράφηκαν προηγουμένως για την περιοχή της Βαλτικής Θάλασσας.

4) Κίτρινη Θάλασσα

Το Ulva prolifera είναι μη προσδεδεμένο νηματοειδές πράσινο μακροφύκι και εντοπίζεται στην Κίτρινη Θάλασσα. Στην εικόνα 5 φαίνεται μια ανθοφορία για τα είδη Ulva prolifera απευθείας κάτω από τη λάμψη του ήλιου όπως εμφανίζονται στα SST, 211, NDVI και SABI. Οι εικόνες αφορούν την ακτή του Qingdao, στην ανατολική Κίνα και λήφθηκαν από τον MODIS Terra στις 25 Ιουνίου 2008. Αν και τα δεδομένα ταχύτητας του ανέμου δεν ήταν διαθέσιμα, είναι δυνατόν να εκτιμηθεί ότι δεν είναι μεγαλύτερη από ~ 8 ms-1, δεδομένου ότι η αύξηση της ταχύτητας του ανέμου άνω των 6-8 ms-1 έχει ως αποτέλεσμα τη διασπορά τέτοιων αδρανών φυκιών. Το προϊόν Chlor-a δεν μπόρεσε να ανακτηθεί κυρίως λόγω της λάμψης του ήλιου, η οποία άλλαξε το μέγεθος ανάκλασης και όχι τη φασματική υπογραφή, και πιθανώς λόγω της υψηλής θολερότητας που προκαλείται από τα αιωρούμενα ιζήματα, τα οποία επηρεάζουν τη διανομή τουπλαγκτονικούς και βενθικούς οργανισμούς στα παράκτια ύδατα της Κίτρινης Θάλασσας.

Στην εικόνα 6, γίνεται αντιληπτή η ύπαρξη μίας πετρελαιοκηλίδας στα δεδομένα για τη Βαλτική θάλασσα. Ο SABΙ παρουσιάστηκε λιγότερο ευαίσθητος σε αυτό από ότι ο NDVI και αυτό συμβαίνει γιατί η επιφάνεια του πετρελαίου είχε παρόμοιες φασματικές τιμές με αυτή του νερού. Η ευαισθησία των δεικτών στο πετρέλαιο εξαρτάται και από τον τύπο του πετρελαίου αλλά και από την υφή του. Πετρελαιοκηλίδα εντοπίζεται και στον κόλπο του Μεξικού (εικόνα 7) στις 25 Απριλίου 2010. Ομοίως, οι τιμές του SABI δεν έδειξαν κάποια μεταβολή. Είναι πιθανό η διάκριση μεταξύ του στρώματος άλγης και πετρελαιοκηλίδας να μην είναι ακριβής με δείκτες καθώς μπορεί το σχήμα του στρώματος να μοιάζει στην επιφάνεια του νερού αλλά η υφή διαφέρει.

Το θηκόγραμμα (εικόνα 8) που προέκυψε από στατιστική ανάλυση, δείχνει αποτελέσματα για δείγμα δύο κατηγοριών, δοχείων SABI (αριθμός δείγματος N = 606) και NDVI (N = 824), για επιφανειακά επιπλέουσα άλγη, από το σύνολο όλων των εξεταζόμενων δεδομένων. Οι μέσες τιμές SABI φαίνεται ότι έχουν μεγαλύτερη σταθερότητα σε σχέση με τις διάφορες ατμοσφαιρικές συνθήκες και τα είδη ειδών. Όπως στην περίπτωση της Κίτρινης Θάλασσας, η ακραία μέση τιμή ανάκλασης μπορεί να αποδοθεί: (1) στην παρουσία της ανθοφορίας απευθείας κάτω από την ηλιακή λάμψη, (2) την υψηλή συγκέντρωση Chlor-a που υπήρχε στο είδος floating Ulva prolifera την εποχή εκείνη, (3) την υψηλή θολερότητα στη Θάλασσα της Ανατολικής Κίνας, η οποία είναι ένα τυπικό θαλάσσιο περιβάλλον, όπου οι συγκεντρώσεις των χρωστικών φυτοπλαγκτόν, αιωρούμενων ουσιών και χρωμοφορικής διαλυμένης οργανικής ύλης (CDOM) είναι υψηλότερες από αυτές των ανοιχτών ωκεανών. Σε όλα τα παραδείγματα, η διαφορά μεταξύ των μέγιστων τιμών SABI και του μέσου ήταν μεγαλύτερη από τη διαφορά από το ελάχιστο λόγω της αφθονίας της κατηγορίας νερού στα δείγματα. Το τυπικό σφάλμα που υπολογίστηκε από τα συλλογικά μέσα όλων των συνόλων δεδομένων ήταν 0,14 και 0,24 για τα SABI και NDVI αντίστοιχα, γεγονός που δείχνει και πάλι τη σταθερότητα του αλγορίθμου SABI.

Στην εικόνα 9, ο SABI έχει επιδείξει καλύτερα αποτελέσματα οριοθέτησης για επιφανειακά επιπλέουσες άλγες από τον NDVI. Αυτό πιθανότατα οφείλεται στο γεγονός ότι το 90% της σκέδασης προέρχεται από την ατμόσφαιρα, ιδιαίτερα στα βραχύτερα ορατά μήκη κύματος και επομένως, σύμφωνα με τον μαθηματικό τύπο του SABI, η συνολική τιμή του θα είναι πολύ μικρότερη από την NDVI.

Συμπερασματικά, προκύπτει πως ο δείκτης επιφανειακής ανάπτυξης φυκών (SABI) είναι ένας αλγόριθμος τεσσάρων ζωνών που αναπτύχθηκε για να χαρτογραφεί τη χωρική κατανομή της επιφάνειας των φυκιών σε παγκόσμια ωκεανούς. Αυτό επιτυγχάνεται χρησιμοποιώντας το εφέ κόκκινου άκρου ως εργαλείο για τη διάκριση των αιωρούμενων φυκιών στο ένα υπόβαθρο από διαυγές μπλε νερό και / ή πράσινο πλαγκτόνικο αναμεμειγμένο άνθος. Η ευρωστία του SABI αποδίδεται στους ακόλουθους παράγοντες: 1) είναι μια σχέση που βασίζεται στην αναλογία που ισχύει για τις φασματικές ακτινοβολίες (εάν μετριέται με την ίδια ακτινοβολία) και ανακλάσεις, καθιστώντας τη σχετικά μη ευαίσθητη σε πολλές από τις αβεβαιότητες που εισήγαγε η αμφίδρομη λειτουργία κατανομής ανάκλασης (BRDF). 2) είναι μια σχέση τεσσάρων ζωνών, η οποία κατανέμει το βάρος κάθε οπτικής απόκρισης αναλογικά 3) η συμπερίληψη ζωνών βραχέων κυμάτων (πράσινο και μπλε) στον παρονομαστή της αναλογίας καθιστώντας το: α) εξαιρετικά κατάλληλο για τη συσχέτιση κατανομών κοντά στην επιφάνεια του άνθους με εκείνες που συμβαίνουν στην επιφάνεια του νερού β) εξαιρετικά σταθερή έναντι της ηλιακής λάμψης καθώς επίσης και μια σειρά οπτικών πηγών σκέδασης στην ατμόσφαιρα, όπως μόρια και ορισμένα σωματίδια.

Οι θετικές τιμές SABI είναι ένα σχετικό μέτρο της φωτοσυνθετικής δραστηριότητας που επιδεικνύουν τα επιφανειακά άλγη. Ενώ οι αρνητικές τιμές δείχνουν την κατάσταση πλευστότητας του είδους στο νερό σε σχέση με τη φωτοσυνθετική του δραστηριότητα. Αυτό, σημαίνει πως είτε ότι τα είδη βρίσκονται βαθύτερα στη στήλη ύδατος, οδηγώντας σε υψηλή απορρόφηση νερού στο NIR και αποτρέποντας την ανίχνευση του ερυθρού άκρου ή τα είδη απλώς δεν είναι πλέον φωτοσυνθετικά ενεργά. Τα λιμνάζοντα νερά και τα εξαιρετικά παραγωγικά σε άλγη θαλάσσια ύδατα μπορεί να έχουν σημαντική συμβολή στο NIR, ασυμβίβαστη με τα σκοτεινά εικονοστοιχεία που χρησιμοποιούνται στην τυπική λειτουργία ατμοσφαιρικής διόρθωσης. Αυτό μπορεί να οδηγήσει σε σημαντική υποτίμηση των παραγόμενων ακτινοβολιών που εκτείνονται στο νερό. Ομοίως, εντοπίστηκαν οι μάσκες MODIS για σύννεφα και ηλιοφάνεια έγκυρων εικονοστοιχείων που περιέχουν επιφανειακά άλγη. Για το λόγο αυτό χρησιμοποιήθηκε η φαινόμενη ανακλαστικότητα αντί της επιφάνειας αντανάκλασης του νερού. Τα βιο-φυσικά προϊόντα MODIS όπως το Chlor-a και το SST είναι χρήσιμα στοιχεία για την παροχή συμπληρωματικών πληροφοριών στην επιφάνεια των αλγών. Για παράδειγμα, οι θετικές τιμές SABI ήταν ένας από τους λόγους για την αποτυχία του Chlor-a, αν και όχι αποκλειστικά. Τα άνθη στην επιφάνεια παρουσίασαν μέση αύξηση της θερμοκρασίας κατά 2 ° C σε σύγκριση με τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος νερού. Αυτό πιθανότατα προκάλεσε την παρουσία επιφανειακών φυκιών που απορροφούν περισσότερο από την ηλιακή ενέργεια στο άμεσο επιφανειακό στρώμα. Για την ανίχνευση επιφανειακών άλγης, τόσο ο NDVI όσο και ο SABI μοιράζονται τον ίδιο όρο κόκκινων ακμών στους αριθμητές τους. Ωστόσο, επειδή ο SABI έχει συμπεριλάβει στον παρονομαστή τις πολύ ευαίσθητες ζώνες ωκεάνιων χρωμάτων, έχει δείξει ανώτερη ευστάθεια έναντι των διαφόρων συνθηκών παρεμβολής, όπως η ηλιακή λάμψη, τα αερολύματα και τα λιμνάζοντα νερά. Σύμφωνα με την κλίμακα SABI, το έλαιο θα έχει πάντοτε μικρότερες τιμές SABI από τις αιωρούμενες άλγες ή από αυτές κοντά στην επιφάνεια (δηλ. <- 0,1), ανεξάρτητα από τον τύπο του πετρελαίου που εμπλέκεται στη διαρροή. Το χαρακτηριστικό αυτό χαρακτηρίζει τον αλγόριθμο SABI ως καλό χωρίς διακρίσεις πετρελαίου από αυτά τα παρόμοια είδη. Παρόλα αυτά, το πετρέλαιο δεν παρουσίασε σημαντική θερμοκρασία μεταβλητότητα στο περιβάλλον νερό, όπως έκαναν τα φύκια.

Σύνδεσμος πρωτότυπου κειμένου: [1]