Καταγραφή μεταβλητότητας της διαύγειας του παράκτιου νερού με την χρήση Landsat 8

Από RemoteSensing Wiki

Πρωτότυπος τίτλος: Capturing coastal water clarity variability with Landsat 8

Συγγραφείς: Kelly M.A. Luisa, Jennie E. Rheuban, Maria T. Kavanaugh, David M. Glover, Jianwei Wei, Zhongping Lee, Scott C. Doney

Πηγή: Marine Pollution Bulletin, 2019, Issue 145, Pages: 96 – 104 [1]

Αντικείμενο

Στην παρούσα εργασία παρουσιάζεται η χρήση αλγορίθμου παραμετροποίησης μετρήσεων βάθους δίσκου Secchi ( zsd ) για εικόνες Landsat 8 σε 4 λιμάνια των Ηνωμένων Πολιτείων, με σκοπό την εκτίμηση της ακρίβειας του μεταξύ διαφορετικών περιβαλλοντικών συνθηκών. Για την επικύρωση των μετρήσεων από τον αλγόριθμο χρησιμοποιήθηκαν in situ μετρήσεις zsd των περιοχών.

Μεθοδολογία

Μια μέτρηση zsd θεωρείται το βάθος που τοποθετείται ο δίσκος Secchi, στο οποίο ο δίσκος δεν είναι εμφανής από την επιφάνεια του νερού. Τα λιμάνια που εξετάστηκαν είναι τα Boston Harbor, Buzzards Bay, Cape Cod Bay, και Narragansett Bay. Από εκεί συλλέχθησαν, αρχικά, οι in situ μετρήσεις μέσω του Secchi και λήφθηκαν συνολικά 58 λήψεις του Landsat 8 με καθαρό ουρανό, μεταξύ Απρίλιου του 2013 και Δεκέμβριου του 2017. Ο αλγόριθμος που χρησιμοποιήθηκε για τον υπολογισμό του zsd παρουσιάζεται στην εικόνα 1, όπου το Kdtr εκφράζει τον ελάχιστο συντελεστή απόσβεσης ενός σώματος εντός του νερού πάνω από το ορατό πεδίο ( 400 – 700 nm ) και το Rrstr την αντίστοιχη ανακλαστικότητα τηλεπισκόπησης στο συγκεκριμένο μήκος κύματος.

Εικόνα 1. Αλγόριθμος zsd

Η ακρίβεια της εκτίμησης του zsd αξιολογήθηκε με in situ μετρήσεις zsd της ίδιας ημέρας, η μεταβλητότητα του εύρους και της διανομής του zsd και οι εποχιακές παραλλαγές του zsd από το 2013 έως το 2017, όπως παρουσιάζονται στις εικόνες 3, 4 και 5 αντίστοιχα. Για την μέτρηση της συνοχής των μετρήσεων της ημέρας χρησιμοποιήθηκαν οι συντελεστές σφάλματος ρίζας μέσου τετραγώνου ( RMSE ) και η διαφορά του ποσοστού μέσου απολύτου ( MAPD ), όπως παρουσιάζονται στην εικόνα 2.

Εικόνα 2. RMSE και MAPD

Εικόνα 3. Συνδυασμός μετρήσεων zsd in situ και L8 για κάθε λιμάνι. Οι ράβδοι λάθους in situ zsd εκφράζουν το λάθος που σχετίζεται με τις ταινίες μετρήσεως και οι ράβδοι λάθους L8 zsd εκφράζουν την τυπική απόκλιση των 3 x 3 L8 εικονοστοιχείων

Εικόνα 4. Ιστογράμματα και σχέδια του εύρους και διανομής των in situ και L8 zsd μετρήσεων των 58 Landsat 8 λήψεων

Εικόνα 5. Διαγράμματα χρονικής σειράς ( 2013 – 2017 ) zsd μετρήσεων in situ και L8 στα 4 λιμάνια

Αποτελέσματα

Παρ'όλες τις διαφορές του υποκείμενου σώματος νερού, της περιόδου και την παρατήρηση των in situ μετρήσεων από διαφορετικούς παρατηρητές, παρατηρείται καλή συμφωνία μεταξύ των δύο ανεξάρτητων προσδιορισμών, in situ και L8, για το Buzzards Bay ( N = 42, RMSE = 0.96m, MAPD = 28%, R2 = 0.58 ), το Cape Cod Bay (N = 11, RMSE = 0.62m, MAPD = 10%, R2 = 0.93 ) και το Narragansett Bay ( N = 8, RMSE = 0.59m, MAPD = 36%, R2 = 0.05 ), όπως φαίνεται στην εικόνα 3. Στις μετρήσεις του Boston Harbor, από την άλλη, εμφανίζεται κακή συμφωνία στις μετρήσεις της ίδιας μέρας ( N = 99, RMSE = 1.52m, MAPD = 64%, R2 = 0.07 ). Για να αποφευχθεί η αλλοίωση των αποτελεσμάτων από τα γειτονικά εικονοστοιχεία της στεριάς, οι παράκτιοι σταθμοί του λιμανιού, εντός απόστασης 90 m, εξαιρέθηκαν από την επικύρωση και τα αποτελέσματα της σύνδεσης των μετρήσεων ελάχιστα βελτιώθηκαν ( N = 9, RMSE = 1.26m, MAPD = 45%, R2 = 0.14 ). Οι τιμές των μετρήσεων L8 zsd αποτυπώνουν το εύρος και την διανομή της καθαρότητας του νερού, όπως φαίνεται στην εικόνα 4. Στα λιμάνια Boston Harbor, Buzzards Bay, και Narragansett Bay οι τιμές κυμαίνονται μεταξύ 1 και 5 m, με την πλειονότητα αυτών να κυμαίνεται μεταξύ 2 – 3 m. Για το Cape Cod Bay, το εύρος είναι μεταξύ 4 και 10 m και η πλειονότητα των μετρήσεων κυμαίνεται μεταξύ 5 – 6 m. Στη συνέχεια, δημιουργήθηκαν χάρτες L8 zsd για το Buzzards Bay, Cape Cod Bay και Narragansett Bay για την ημέρα της 14ης Μαρτίου 2014, που παρουσιάζονται στην εικόνα 6, 7 και 8 αντίστοιχα μαζί με τα αποτελέσματα των μετρήσεων.

Εικόνα 6. A) Χάρτης L8 zsd του Buzzards Bay B) Διατομή μεταξύ Potter’s Cove και Central Buzzard Bay C) Διατομή μεταξύ Manomet και Central Buzzard Bay

Εικόνα 7. A) Χάρτης L8 zsd του Cape Cod Bay B) Διατομή μεταξύ τοποθεσιών 7S και 8M C) Διατομή μεταξύ τοποθεσιών 5N και 9S

Εικόνα 8. A) Χάρτης L8 zsd του Upper Narragansett Bay B) Διατομή μεταξύ Edgewood Yacht Club και Bullock’s Reach Buoy

Συμπεράσματα

Οι εκτιμήσεις των in situ και L8 zsd μετρήσεων όσον αφορά την επικύρωση, το εύρος, την μεταβλητότητα και την χωροχρονική διαύγεια του νερού, προσδίδουν εμπιστοσύνη στην εφαρμογή του αλγορίθμου L8 zsd στα λιμάνια Buzzards Bay, Cape Cod Bay και Narragansett Bay. Η εφαρμογή του αλγορίθμου L8 zsd προτρέπει μια πιο αυστηρή εκτίμηση των προτύπων καθαρότητας νερού από σχετικούς χάρτες και διατομές. Επιπροσθέτως, επεκτείνοντας αυτή την ανάλυση σε όλο το αρχείο του Landsat και παραμετροποιώντας τον αλγόριθμο για το ESA Sentinel2 MultiSpectral Instrument (MSI), θα αυξήσει την χρονική κάλυψη της καθαρότητας του νερού και θα αυξήσει την κατανόηση της μακροπρόθεσμης αλλαγής της καθαρότητας στα λιμάνια που εξετάστηκαν, ενισχύοντας την προσπάθεια των ομάδων ελέγχου ποιότητας του νερού.