Τηλεπισκόπηση για τη χαρτογράφηση της άνθισης των φυκών σε λίμνες γλυκού νερού: μια ανασκόπηση

Από RemoteSensing Wiki

Τηλεπισκόπηση για τη χαρτογράφηση της άνθισης των φυκών σε λίμνες γλυκού νερού: μια ανασκόπηση

Πρωτότυπος τίτλος: Remote sensing for mapping algal blooms in freshwater lakes: a review

Συγγραφείς: Silvia Beatriz Alves Rolim, Bijeesh Kozhikkodan Veettil, Antonio Pedro Vieiro, Anita Baldissera Kessler & Clóvis Gonzatti

Πηγή:https://doi.org/10.1007/s11356-023-25230-2

Περίληψη

Πολλές λίμνες γλυκού νερού παγκοσμίως παρουσιάζουν επιβλαβείς ανθίσεις φυκιών, ιδίως κυανοβακτηριακών, οι οποίες θέτουν σε κίνδυνο τη δημόσια υγεία και τα οικοσυστήματα. Η πρόβλεψη, η έγκαιρη ανίχνευση και η παρακολούθηση αυτών των ανθίσεων είναι ζωτικής σημασίας για τον μετριασμό των δυσμενών επιπτώσεών τους. Η τηλεπισκόπηση προσφέρει ένα αποτελεσματικό μέσο για την ανίχνευση και την παρακολούθηση των ανθίσεων των φυκών χωρικά και χρονικά. Διάφορες πλατφόρμες, συμπεριλαμβανομένων επίγειων, διαστημικών, εναέριων και UAV συστημάτων, έχουν χρησιμοποιηθεί για την απόκτηση δεδομένων και την οικονομικά αποδοτική παρακολούθηση των ανθίσεων. Το παρόν έγγραφο παρέχει μια επικαιροποιημένη επισκόπηση των πλατφορμών τηλεπισκόπησης, των τύπων δεδομένων και των αλγορίθμων για την ανίχνευση και την παρακολούθηση της άνθισης των φυκιών σε λίμνες γλυκού νερού. Οι πρόσφατες εξελίξεις, ιδίως στους αισθητήρες που τοποθετούνται σε UAV, έχουν φέρει επανάσταση στην παρακολούθηση της ποιότητας των υδάτων. Οι αλγόριθμοι επεξεργασίας εικόνας, συμπεριλαμβανομένων εκείνων που βασίζονται στην Τεχνητή Νοημοσύνη (ΤΝ), έχουν σημειώσει σημαντικές βελτιώσεις, προσφέροντας βελτιωμένες δυνατότητες πρόβλεψης της άνθισης των φυκών. Οι εξελίξεις αυτές αναμένεται να διαδραματίσουν καθοριστικό ρόλο στον μετριασμό των αρνητικών επιπτώσεων του ευτροφισμού στο μέλλον, συμβάλλοντας στην καλύτερη διαχείριση του περιβάλλοντος και της δημόσιας υγείας.

Εισαγωγή

Το φυτοπλαγκτόν, ζωτικής σημασίας συστατικά των οικοσυστημάτων γλυκού νερού, επηρεάζεται από τα αυξημένα επίπεδα θρεπτικών ουσιών, οδηγώντας σε επιβλαβείς ανθίσεις φυκών (HAB) με δυσμενείς επιπτώσεις στην ποιότητα των υδάτων και την υδρόβια βιοποικιλότητα. Τα κυανοβακτήρια, ανθεκτικά στις δυσμενείς συνθήκες, είναι ιδιαίτερα γνωστά για το σχηματισμό ανθίσεων. Ο συνδυασμός του εμπλουτισμού με θρεπτικά συστατικά και της κλιματικής αλλαγής εντείνει τη συχνότητα και τη σοβαρότητα των HABs σε περιβάλλοντα γλυκού νερού. Η ανίχνευση και η παρακολούθηση των ανθίσεων των φυκών είναι απαραίτητες για την προστασία των υδάτινων οικοσυστημάτων και της δημόσιας υγείας. Διάφορες τεχνικές, που κυμαίνονται από ταχείες μεθόδους επιτόπιας διαλογής έως την εξελιγμένη φασματομετρία μάζας, βοηθούν στον εντοπισμό των ανθίσεων και στην αξιολόγηση των επιπέδων τοξινών. Η τηλεπισκόπηση, ιδίως η δορυφορική τεχνολογία, παρέχει ένα πολύτιμο εργαλείο για την παρακολούθηση της άνθισης των φυκιών σε μεγάλες χωρικές κλίμακες. Οι πολυφασματικοί αισθητήρες χρησιμοποιούνται συνήθως για την ανίχνευση των αλλαγών στο χρώμα του νερού που σχετίζονται με τις ανθίσεις, ενώ οι υπερφασματικοί αισθητήρες προσφέρουν αυξημένη φασματική ανάλυση για την ταυτοποίηση συγκεκριμένων ειδών με βάση μοναδικές υπογραφές χρωστικών ουσιών. Η παρούσα ολοκληρωμένη ανασκόπηση αξιολογεί την αποτελεσματικότητα των τεχνικών τηλεπισκόπησης, λαμβάνοντας υπόψη διαφορετικές πλατφόρμες (διαστημικές, εναέριες, UAV) και τύπους δεδομένων (οπτικά, ραντάρ, LiDAR) για την ανίχνευση και παρακολούθηση της άνθισης των φυκών σε λίμνες γλυκού νερού. Επισημαίνει τα πλεονεκτήματα και τους περιορισμούς κάθε προσέγγισης, τονίζοντας τη σημασία της ενσωμάτωσης της τηλεπισκόπησης με άλλες μεθόδους παρακολούθησης για τη βελτίωση της κατανόησης και της διαχείρισης της άνθισης των φυκών στα οικοσυστήματα γλυκών υδάτων.

Παρακολούθηση της άνθισης των φυκών και η οικοπεριβαλλοντική σημασία της

Η έγκαιρη ανίχνευση και η ολοκληρωμένη παρακολούθηση της άνθισης των φυκών είναι ζωτικής σημασίας για την αποτελεσματική διαχείριση των πόρων γλυκού νερού και τον μετριασμό των δυσμενών περιβαλλοντικών επιπτώσεων των μικροοργανισμών που προκαλούν την άνθιση. Οι επιβλαβείς ανθίσεις φυκιών αποτελούν σημαντική απειλή για τη βιοποικιλότητα των γλυκών υδάτων, γεγονός που καθιστά αναγκαία την περαιτέρω έρευνα, ιδίως όσον αφορά τις μεθόδους έγκαιρης ανίχνευσης. Οι ερευνητές έχουν αναπτύξει διάφορες τεχνικές για την πρόβλεψη, την ανίχνευση και την παρακολούθηση των ανθίσεων φυκιών σε λίμνες γλυκού νερού, βοηθώντας τους περιβαλλοντικούς διαχειριστές και τους υπεύθυνους λήψης αποφάσεων να σχεδιάσουν προληπτικά μέτρα και να μετριάσουν τις αρνητικές επιπτώσεις στα οικοσυστήματα.

Η πρόβλεψη της άνθισης των φυκιών μπορεί να βασίζεται στις συγκεντρώσεις χλωροφύλλης-α ή σε άλλες μεταβλητές ποιότητας του νερού, όπως ο φώσφορος. Για να ενισχυθεί η ακρίβεια της πρόβλεψης, πρέπει να διερευνηθούν διεξοδικά παράγοντες όπως η δυναμική των θρεπτικών ουσιών, η υδρολογία, οι κλιματικές αλλαγές και τα χαρακτηριστικά της λεκάνης απορροής. Οι μέθοδοι μηχανικής μάθησης, συμπεριλαμβανομένων των γενετικών αλγορίθμων, των εμπειρικών μοντέλων και των τεχνητών νευρωνικών δικτύων, έχουν δείξει ότι υπόσχονται την πρόβλεψη της άνθισης των φυκιών με βάση περιβαλλοντικές παραμέτρους, ορισμένες από τις οποίες μπορούν να εκτιμηθούν με τη χρήση τηλεπισκόπησης. Η τηλεπισκόπηση προσφέρει μια ισχυρή προσέγγιση για τον εντοπισμό και την παρακολούθηση της άνθισης των φυκών σε μεγάλες χωρικές κλίμακες, αξιοποιώντας πολυφασματικούς και υπερφασματικούς αισθητήρες σε δορυφόρους, αεροσκάφη ή UAV.

Αυτοί οι αισθητήρες μπορούν να ανιχνεύσουν φασματικές υπογραφές που σχετίζονται με τις χρωστικές ουσίες των φυκών, βοηθώντας στον εντοπισμό και την ανάλυση της δυναμικής της άνθισης των φυκών.Οι εξελίξεις στην τεχνολογία της τηλεπισκόπησης έχουν διευκολύνει την ανάπτυξη αλγορίθμων για την ανίχνευση, χαρτογράφηση και παρακολούθηση της άνθισης των φυκών, ενισχύοντας την κατανόηση των περιβαλλοντικών τους επιπτώσεων.

Οι παραδοσιακές μέθοδοι παρακολούθησης της άνθισης των φυκών περιλαμβάνουν μετρήσεις πεδίου και εργαστηριακές αναλύσεις, αλλά πρόσφατες μελέτες έχουν αναδείξει τη σημασία της χωρικής μεταβλητότητας στην ανάπτυξη της άνθισης. Η παρακολούθηση τυπικά εξελίσσεται μέσω των φάσεων πριν από την άνθιση, της ανάπτυξης, της άνθισης και της αποσύνθεσης, με κάθε φάση να παρουσιάζει μοναδικές προκλήσεις και ευκαιρίες για μετρήσεις και ανάλυση. Οι in situ μέθοδοι, όπως ο φθορίζων in situ υβριδισμός (FISH) και η αλυσιδωτή αντίδραση πολυμεράσης (PCR), επιτρέπουν την ανίχνευση σε επίπεδο γένους των οργανισμών που παράγουν άνθιση, βοηθώντας τις προσπάθειες οικολογικής διαχείρισης.

Οι ανθίσεις φυκών αποτελούν σημαντική οικολογική απειλή παγκοσμίως, υπογραμμίζοντας την ανάγκη για συνεχή παρακολούθηση και συστήματα έγκαιρης προειδοποίησης. Ενώ οι παραδοσιακές μέθοδοι είναι εντάσεως εργασίας, η τηλεπισκόπηση προσφέρει μια πολλά υποσχόμενη εναλλακτική λύση λόγω της επεκτασιμότητάς της, της συλλογής δεδομένων σε πραγματικό χρόνο και των δυνατοτήτων μακροχρόνιας παρακολούθησης. Τα δεδομένα τηλεπισκόπησης από διάφορες πλατφόρμες και οι αλγόριθμοι επεξεργασίας εικόνας έχουν συμβάλει καθοριστικά στην πρόβλεψη, ανίχνευση και παρακολούθηση της άνθισης των φυκιών σε πόρους γλυκού νερού, συμβάλλοντας στην κατανόηση και τη διαχείριση αυτών των φαινομένων.

Τηλεπισκόπηση για την παρακολούθηση της άνθισης των φυκών

Η τηλεπισκόπηση, τόσο από διαστημικές όσο και από εναέριες πλατφόρμες, έχει αναδειχθεί σε πολύτιμο εργαλείο για την παρακολούθηση του φυτοπλαγκτού, κυρίως μέσω υποκατάστατων όπως η χλωροφύλλη-α και η φυκοκυανίνη. Η μέθοδος αυτή επιτρέπει την αποτελεσματική παρατήρηση των ανθίσεων του φυτοπλαγκτού μέσω της ανίχνευσης αλλαγών στη φασματική ανάκλαση. Πέρα από την παρακολούθηση των μεταβολών του επιφανειακού χρώματος στα υδάτινα σώματα, οι τεχνικές τηλεπισκόπησης χρησιμοποιούν επίσης την οπισθοσκεδαζόμενη μικροκυματική ακτινοβολία και τα θερμικά δεδομένα για την ανίχνευση ανθίσεων φυκών. Είναι αξιοσημείωτο ότι οι δυνατότητες της τηλεπισκόπησης για τη χαρτογράφηση και την παρακολούθηση των ανθίσεων φυτοπλαγκτού καταδείχθηκαν ήδη από τη δεκαετία του 1970. Έκτοτε, οι εξελίξεις στην τεχνολογία τηλεπισκόπησης έχουν επιτρέψει την οικονομικά αποδοτική, μακροπρόθεσμη παρατήρηση των ανθίσεων φυκών με εκτεταμένη χωρική κάλυψη και αυξημένη συχνότητα. Η προσέγγιση αυτή προσφέρει ένα ολοκληρωμένο μέσο για τη μελέτη της δυναμικής του φυτοπλαγκτού και των περιβαλλοντικών επιπτώσεών του.

Πλατφόρμες τηλεπισκόπησης για την παρακολούθηση της άνθισης των φυκών του γλυκού νερού

Η τηλεπισκόπηση προσφέρει διάφορες πλατφόρμες, συμπεριλαμβανομένων επίγειων, διαστημικών και εναέριων συστημάτων, για την αποτελεσματική παρακολούθηση της άνθισης των φυκών σε λίμνες και ταμιευτήρες γλυκού νερού. Ωστόσο, η ακρίβεια χαρτογράφησης σε μικρότερα υδάτινα σώματα επηρεάζεται από τη χωρική ανάλυση των δεδομένων των διαστημικών αισθητήρων. Ο συνδυασμός αεροφωτογραφιών με δορυφορικές εικόνες αποτελεί πρακτική από τη δεκαετία του 1970 για τη χαρτογράφηση της άνθισης των φυκιών. Οι συνεχείς εξελίξεις στην τεχνολογία της τηλεπισκόπησης, ιδίως η ανάπτυξη αισθητήρων και η ενσωμάτωση σε υφιστάμενες και αναδυόμενες πλατφόρμες, όπως τα UAV και τα μη επανδρωμένα αεροσκάφη, συμβάλλουν στη συνεχή εξέλιξη και βελτίωσή της.

Επίγειες πλατφόρμες και πλατφόρμες πλοίου για την τηλεπισκόπηση της άνθισης των φυκών

Οι επίγειες πλατφόρμες που είναι εξοπλισμένες με αισθητήρες προσφέρουν λεπτομερείς πληροφορίες για την επιφάνεια της γης, χρησιμεύοντας ως επίγεια δεδομένα αλήθειας για την επικύρωση των δεδομένων των αερομεταφερόμενων ή διαστημικών αισθητήρων. Οι πλατφόρμες αυτές μπορούν να φέρουν φορητές κάμερες, κάμερες ιστού και φασματοραδιόμετρα. Για παράδειγμα, οι Free et al. χρησιμοποίησαν δεδομένα από το WISPstation, ένα αυτόνομο φασματοραδιόμετρο πάνω από το νερό, για να αξιολογήσουν τις τάσεις της συγκέντρωσης χλωροφύλλης-α στη λίμνη Trasimeno της Ιταλίας. Παρόμοιοι αισθητήρες του WISPstation είχαν χρησιμοποιηθεί προηγουμένως σε διάφορες ευρωπαϊκές τοποθεσίες από τους Free et al. για την ποσοτικοποίηση της χλωροφύλλης-α. Επιπλέον, πρόσφατα χρησιμοποιήθηκαν επίγειοι αισθητήρες για την εκτίμηση μεταβλητών της ποιότητας του νερού και τη διενέργεια παρακολούθησης της άνθισης των φυκών σε πραγματικό χρόνο.

Αερομεταφερόμενες πλατφόρμες για την τηλεπισκόπηση της άνθισης των φυκών

Οι εναέριες πλατφόρμες χρησιμοποιούνται για τη λήψη δεδομένων υψηλής ανάλυσης σε συγκεκριμένες χρονικές στιγμές και ήταν οι μοναδικές πλατφόρμες τηλεπισκόπησης μαζί με τους επίγειους αισθητήρες πριν από τη διάθεση δορυφορικών εικόνων. Οι διάφορες εναέριες πλατφόρμες που χρησιμοποιούνται για τη συλλογή δεδομένων τηλεπισκόπησης περιλαμβάνουν αεροπλάνα, αερόστατα, χαρταετούς και μη επανδρωμένα εναέρια οχήματα (UAV). Τα τελευταία χρόνια, η τεχνολογία UAV έχει εξελιχθεί σε τέτοιο βαθμό ώστε να μπορεί να μεταφέρει αισθητήρες LiDAR.

Αεροπλάνα και ελικόπτερα/ balloons and kites/ drones/ διαστημικές πλατφόρμες

Οι παραδοσιακές εναέριες πλατφόρμες, όπως τα αεροπλάνα και τα ελικόπτερα που είναι εξοπλισμένα με κάμερες και αισθητήρες, καταγράφουν αεροφωτογραφίες και δεδομένα LiDAR από τις επιφάνειες γης. Οι ρυθμίσεις του υψομέτρου επιτρέπουν τον έλεγχο της χωρικής ανάλυσης, με τα χαμηλότερα υψόμετρα να παρέχουν εικόνες υψηλότερης ανάλυσης. Εκτός από τις αεροφωτογραφίες RGB, τα αεροπλάνα μπορούν πλέον να λαμβάνουν πολυφασματικές εικόνες και εικόνες ραντάρ. Τα υπερφασματικά δεδομένα που λαμβάνονται από αεροπλάνα είναι ζωτικής σημασίας για τη μελέτη των ανθίσεων των φυκών, με το αερομεταφερόμενο φασματόμετρο απεικόνισης ορατού/υπέρυθρου (AVIRIS) να φημίζεται για τις ευρείες εφαρμογές του, συμπεριλαμβανομένης της φασματικής διάκρισης των ανθίσεων των φυκών. Οι υπερφασματικές εικόνες AVIRIS, οι οποίες παρέχονται από το USGS, έχουν χρησιμοποιηθεί σε διάφορες μελέτες, όπως η τηλεπισκόπηση των κυανοβακτηριακών ανθίσεων σε εσωτερικά ύδατα, με παράδειγμα τους Kudela et al. (2015) στην έρευνά τους στη λίμνη Pinto της Καλιφόρνιας.

Διάφοροι τύποι αερομεταφερόμενων πλατφορμών τηλεπισκόπησης χρησιμοποιούνται για την απόκτηση εναέριων δεδομένων σε περιβαλλοντικές μελέτες, συμπεριλαμβανομένων μπαλονιών, χαρταετών, μη επανδρωμένων αεροσκαφών και μη επανδρωμένων αεροσκαφών (UAV). Τα αερόστατα και οι χαρταετοί, αν και ιστορικά σημαντικοί στην πρώιμη αεροφωτογράφηση, χρησιμοποιούνται σπάνια σήμερα λόγω της ασταθούς πτήσης και της απρόβλεπτης τροχιάς τους. Ωστόσο, προσφέρουν οικονομικά αποδοτικές εναλλακτικές λύσεις για την απόκτηση δεδομένων σε σύγκριση με τα αεροπλάνα. Αντίθετα, τα μη επανδρωμένα αεροσκάφη και τα UAV έχουν αναδειχθεί ως ισχυρά εργαλεία για τη συλλογή εναέριων δεδομένων, προσφέροντας ευελιξία στην απόκτηση πολυφασματικών, υπερφασματικών, ραντάρ και LiDAR εικόνων. Παρέχουν δεδομένα υψηλής ανάλυσης με χαμηλότερο κόστος, γεγονός που τα καθιστά πλεονεκτικά για την ανίχνευση και την παρακολούθηση της άνθισης των φυκών. Παρά τα πλεονεκτήματά τους, υπάρχουν προκλήσεις, όπως οι περιορισμοί του ωφέλιμου φορτίου και η μεταβλητότητα της ανάλυσης των εικόνων με βάση τις παραμέτρους της πτήσης. Παρ' όλα αυτά, οι δυνατότητές τους στη φιλοξενία υπερφασματικών αισθητήρων τους καθιστούν αποτελεσματικούς για την ανίχνευση διαφόρων παραμέτρων σε περιβάλλοντα γλυκού νερού.

Αντίθετα, οι διαστημικές πλατφόρμες, συμπεριλαμβανομένων των δορυφόρων και των διαστημικών λεωφορείων, προσφέρουν ευρεία κάλυψη και υψηλή χρονική ανάλυση, φέρνοντας επανάσταση στην τηλεπισκόπηση από τη δεκαετία του 1970.

Οι διαστημικές πλατφόρμες όπως οι Landsat, Sentinel, SPOT, IRS και CBERS παρέχουν ραδιομετρικά βαθμονομημένους αισθητήρες και προσφέρουν πλεονεκτήματα όπως η μεγάλη περιοχή κάλυψης, η χρονική ανάλυση και η αποδοτικότητα κόστους.Οι κόκκινες και πορτοκαλί ζώνες των αισθητήρων όπως οι Sentinel-2 και Sentinel-3 έχουν βελτιώσει την ανίχνευση της άνθισης των φυκών.Οι εμπορικές πλατφόρμες όπως το WorldView προσφέρουν δεδομένα υψηλής ανάλυσης, αν και με υψηλότερο κόστος, ενώ πλατφόρμες όπως το MODIS παρέχουν δεδομένα χαμηλότερης ανάλυσης κατάλληλα για μακροχρόνια χαρτογράφηση και ανάλυση χρονοσειρών της άνθισης των φυκιών.Συνολικά, αυτές οι εναέριες και διαστημικές πλατφόρμες διαδραματίζουν κρίσιμο ρόλο στις εφαρμογές τηλεπισκόπησης, βοηθώντας στην ανίχνευση, παρακολούθηση και ανάλυση της άνθισης των φυκών στα οικοσυστήματα γλυκών υδάτων.

Τύποι δεδομένων

Η τηλεπισκόπηση της άνθισης των φυκών βασίζεται στην ανίχνευση των μεταβολών του χρώματος του νερού που προκαλούνται από τις χρωστικές ουσίες των φυκών, οι οποίες παρατηρούνται μέσω οπτικών αισθητήρων σε αεροσκάφη, δορυφόρους ή UAV. Χρησιμοποιούνται συνήθως δορυφορικοί αισθητήρες όπως οι Landsat-8 OLI, Sentinel-2A/B και Sentinel-3A/B, αλλά οι διαφορές στη χωρική, φασματική και χρονική ανάλυση απαιτούν προσεκτική προεπεξεργασία για ακριβή ανάλυση. Οι τύποι δεδομένων περιλαμβάνουν οπτικά (πολυφασματικά, υπερφασματικά), LiDAR και ραντάρ. Παρά τις ασυνέπειες στην ανάλυση μεταξύ των αισθητήρων, παραμένουν ζωτικής σημασίας για την παρακολούθηση και τη μελέτη των ανθίσεων των φυκών στα οικοσυστήματα γλυκού νερού.

Οπτικά δεδομένα

Οι οπτικές εικόνες, οι οποίες προέρχονται από εναέριες, διαστημικές ή UAV πλατφόρμες, χρησιμοποιούνται εκτενώς στην έρευνα για την άνθιση των φυκιών στα γλυκά νερά. Η προτίμηση αυτή απορρέει από την αποτελεσματικότητα των οπτικών εικόνων στην καταγραφή των μεταβολών του χρώματος στο ανοιχτό νερό κατά τη διάρκεια της άνθισης των φυκών, μια βασική παράμετρος σε τέτοιες μελέτες. Τα οπτικά δεδομένα είναι διαθέσιμα σε πολυφασματικές μορφές, όπως το Sentinel-2 MSI και το Landsat8 OLI, ή σε υπερφασματικές μορφές, όπως το AVIRIS και το EO-1 Hyperion.

Πολυφασματικοί αισθητήρες

Τα πολυφασματικά δεδομένα, όπως τα δεδομένα Landsat (TM, ETM + , OLI), χρησιμοποιούνται εκτενώς στην έρευνα της άνθισης των φυκιών στα γλυκά νερά λόγω της ευκολίας τοποθέτησής τους σε εναέριες και διαστημικές πλατφόρμες σε σύγκριση με τους υπερφασματικούς αισθητήρες. Αυτά τα σύνολα δεδομένων, είναι καίριας σημασίας για την ανίχνευση κυανοβακτηριακών και άλλων ανθίσεων φυκών με βάση τις φασματικές ιδιότητες ανάκλασης. Τα επίγεια φασματοραδιόμετρα όπως το FieldSpec (Bangyi et al., 2013) και τα δορυφορικά δεδομένα όπως το Dubaisat-1 (Ali et al., 2013) συμβάλλουν στην εκτίμηση της ποιότητας των υδάτων. Πρόσφατες μελέτες, παρουσιάζουν τη συνδυασμένη χρήση διαστημικών πολυφασματικών δεδομένων (Sentinel-2 MSI, Landsat-8 OLI) και εικόνων UAV (Octocopter Atyges FV8, Rededge Micasense) για την ολοκληρωμένη παρακολούθηση της άνθισης των φυκιών. Το Σχήμα 1 απεικονίζει μια περίπτωση χαρτογράφησης της άνθισης των φυκιών στη νότια Βραζιλία με τη χρήση δεδομένων Landsat-8.

Εικόνα 1. Η άνθιση των φυκιών συνέβη στη Lagoa dos Barros (Rio Grande do Sul, Βραζιλία) τον Μάρτιο του 2020. Εικόνες Landsat-8 και Sentinel-2 που ελήφθησαν κατά τη διάρκεια της άνθισης και χλωροφύλλη-α που εκτιμήθηκε από τα δεδομένα Landsat-8.

Υπερφασματικοί αισθητήρες

Οι υπερφασματικές συσκευές απεικόνισης προσφέρουν σημαντικές δυνατότητες για την ανίχνευση της άνθισης των φυκιών και διαφόρων παραμέτρων ποιότητας του νερού, όπως τα νιτρικά και η θολότητα. Ενώ τα πολυφασματικά δεδομένα δυσκολεύονται να διακρίνουν τα γένη των κυανοβακτηρίων λόγω των ελάχιστων φασματικών διαφορών στις τοξίνες και τις χρωστικές τους, οι υπερφασματικές εικόνες επιτυγχάνουν λεπτομερή ανίχνευση, ακόμη και σε επίπεδο είδους, ενισχύοντας την ακρίβεια, ιδίως σε σενάρια χαμηλής συγκέντρωσης φυκιών. Αν και τα διαστημικά υπερφασματικά δεδομένα παραμένουν περιορισμένα, οι αερομεταφερόμενες πλατφόρμες όπως το HICO και το AVIRIS χρησιμοποιούνται εκτενώς. Περαιτέρω εξελίξεις περιλαμβάνουν την ανάπτυξη υπερφασματικών αισθητήρων για UAV. Οι προγραμματισμένες εκτοξεύσεις, όπως ο αισθητήρας PACE το 2024, αναμένεται να μεταμορφώσουν την έρευνα για την άνθιση των φυκών. Πρόσφατες μελέτες, όπως των Legleiter et al. (2022), καταδεικνύουν τη διάκριση σε επίπεδο είδους των κυανοβακτηριακών ανθίσεων με τη χρήση υπερφασματικών δεδομένων από τον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό. Ειδικότερα, οι Johansen et al. (2019) πρότειναν έναν αποτελεσματικό συνδυασμό υπερφασματικών ζωνών για δορυφορικούς αισθητήρες όπως ο HABSat-1, που μοιάζει πολύ με τις υπερφασματικές αερομεταφερόμενες εικόνες CASI, παρουσιάζοντας πολλά υποσχόμενες εξελίξεις στον τομέα.

Σύγχυση μεταξύ πολυφασματικών και υπερφασματικών δεδομένων

Αρκετές μελέτες έχουν διερευνήσει τη συγχώνευση πολυφασματικών και υπερφασματικών δεδομένων για τη βελτίωση της παρακολούθησης της άνθισης των φυκών σε λίμνες, με τους Chang et al. (2014) να χρησιμοποιούν ολοκληρωμένες τεχνικές συγχώνευσης δεδομένων για να συνδυάσουν υπερφασματικά δεδομένα MERIS με πολυφασματικά δεδομένα Landsat και MODIS για την παρακολούθηση της άνθισης μικροκυστίνης στη λίμνη Erie. Η τεχνολογία LiDAR έχει εμφανιστεί για την ανίχνευση της άνθισης των φυκών ανά είδος, με τους Grishin et al. (2016) να χρησιμοποιούν λέιζερ Raman τοποθετημένο σε σκάφη για την παρακολούθηση του φθορισμού της χλωροφύλλης στον ταμιευτήρα Gorky. Το αερομεταφερόμενο LiDAR αποδεικνύεται οικονομικά αποδοτικό για την ολοκληρωμένη ανάλυση της στήλης νερού, βοηθώντας στον εντοπισμό γενών που παράγουν άνθιση, όπως το Microcystis και το Planktothrix. Οι εικόνες ραντάρ, ιδίως το SAR, αντισταθμίζουν τους περιορισμούς των οπτικών εικόνων λόγω της κάλυψης από σύννεφα, με τους Wang et al. (2015, 2017) να αποδεικνύουν την αποτελεσματικότητά τους στην ανίχνευση κυανοβακτηριακών αποχρωματισμών σε εσωτερικές λίμνες. Τα συνδυασμένα οπτικά δεδομένα και δεδομένα ραντάρ έχουν διευκολύνει την επιτυχή μακροπρόθεσμη παρακολούθηση των ανθίσεων φυκών, ενώ τα δεδομένα SAR επεκτείνονται πέρα από τις κυανοβακτηριακές ανθίσεις για την ανίχνευση υδρόβιων φυτών, όπως τα μακροφύκη.

Αλγόριθμοι επεξεργασίας εικόνας για τη χαρτογράφηση ανθίσεων φυκιών από δεδομένα τηλεπισκόπησης

Πολλοί αλγόριθμοι επεξεργασίας εικόνας χρησιμοποιούνται σε διάφορους τύπους εικόνων (οπτικές, LiDAR, ραντάρ) για την ανίχνευση και την παρακολούθηση της άνθισης των φυκιών σε λίμνες γλυκού νερού. Οι οπτικές εικόνες, ιδιαίτερα, χρησιμοποιούν ποικίλες μεθόδους για την εκτίμηση των συγκεντρώσεων χλωροφύλλης-α ή φυκοκυανίνης, χρησιμοποιώντας συχνά αριθμητικούς αλγορίθμους ζωνών που βασίζονται στα μέγιστα απορρόφησης χρωστικών ουσιών. Οι αλγόριθμοι ανίχνευσης της άνθισης των φυκών, που χρησιμοποιούν μαθηματικά μοντέλα ή μοντέλα νευρωνικών δικτύων, βασίζονται στις μεταβολές των σημάτων φασματικής ακτινοβολίας ή ανάκλασης που καταγράφονται από δορυφορικούς αισθητήρες, και συσχετίζονται με συγκεκριμένα μέτρα όπως οι συγκεντρώσεις χλωροφύλλης-α. Οι αλγόριθμοι επεξεργασίας οπτικών εικόνων κατηγοριοποιούνται σε γενικές γραμμές ως εμπειρικές (καθοδηγούμενες από δεδομένα) ή φυσικές λύσεις, με τις μεθόδους παλινδρόμησης και τα νευρωνικά δίκτυα να εμπίπτουν στην πρώτη κατηγορία και τις μεθόδους αναλογίας ζωνών και τα μοντέλα μεταφοράς ακτινοβολίας στη δεύτερη.

Μέθοδοι οπτικής επεξεργασίας εικόνων για την παρακολούθηση των ανθίσεων φυκών

Το κείμενο εξετάζει την εφαρμογή μεθόδων οπτικής επεξεργασίας εικόνας για την παρακολούθηση της άνθισης των φυκών σε λίμνες γλυκού νερού. Επισημαίνει τη χρήση οπτικών δεδομένων, όπως οι σειρές Landsat, για την πρόβλεψη των ανθίσεων και τονίζει τη σημασία των δεδομένων υψηλής φασματικής και χωρικής ανάλυσης για την ακρίβεια. Οι μέθοδοι αναλογίας ζωνών ανάκλασης και φασματικού δείκτη χρησιμοποιούνται συνήθως για εφαρμογές τηλεπισκόπησης, συμπεριλαμβανομένης της ανίχνευσης ανθίσεων φυκών. Η οπτική επεξεργασία απαιτεί συχνά προεπεξεργασία, όπως η ατμοσφαιρική διόρθωση. Οι παράγοντες που παράγουν χρώμα στις ανθίσεις μπορούν να προσδιοριστούν με τη χρήση φασματικής αποσύνθεσης, αλλά η επικύρωση είναι δύσκολη. Για την εκτίμηση της χλωροφύλλης-α χρησιμοποιούνται μοντέλα παλινδρόμησης, ανάλυση εμπειρικών δεδομένων και ημι-αναλυτικοί αλγόριθμοι. Οι αλγόριθμοι μηχανικής μάθησης, όπως τα δίκτυα πυκνότητας μίξης (MDN), υπόσχονται ακριβή εκτίμηση της συγκέντρωσης χλωροφύλλης-α, ξεπερνώντας τους περιορισμούς των παραδοσιακών μεθόδων.

Επεξεργασία εικόνας Radar και Lidar- Σύγκριση

Οι τεχνικές επεξεργασίας εικόνας LiDAR και ραντάρ προσφέρουν διαφορετικές προσεγγίσεις για την παρακολούθηση της άνθισης των φυκιών σε περιβάλλοντα γλυκού νερού. Η τεχνολογία LiDAR επιτρέπει τη σκιαγράφηση του προφίλ της ανώτερης υδάτινης στήλης από την επιφάνεια, επιτρέποντας την ανίχνευση κατακόρυφων προφίλ οπτικής οπισθοσκέδασης από σωματίδια, συμπεριλαμβανομένων εκείνων που παράγονται από μικροοργανισμούς άνθισης φυκών. Μελέτες όπως οι Palmer κ.ά. (2013) και Grishin κ.ά. (2016) έχουν χρησιμοποιήσει LiDAR, συμπεριλαμβανομένου του LiDAR υπεριώδους φθορισμού (UFL) και του συμπαγούς LiDAR Raman, για την εκτίμηση παραμέτρων ποιότητας νερού και τη χαρτογράφηση ανθίσεων φυκών σε λίμνες και ταμιευτήρες. Η επεξεργασία των δεδομένων LiDAR περιλαμβάνει τμηματοποίηση, βαθμονόμηση και εκτίμηση βάθους για τον ακριβή χαρακτηρισμό της κατανομής των γενών κυανοβακτηρίων. Από την άλλη πλευρά, η απεικόνιση με ραντάρ, ιδίως με ραντάρ συνθετικού ανοίγματος (SAR), παρέχει δεδομένα ανεξάρτητα από τις καιρικές συνθήκες, κατάλληλα για την παρακολούθηση των γλυκών υδάτων. Οι Wang et al. (2015, 2017) χρησιμοποίησαν εικόνες SAR για τη χαρτογράφηση της άνθισης των φυκών, χρησιμοποιώντας μεθόδους επιλογής χαρακτηριστικών και τεχνικές ταξινόμησης με επίβλεψη για τον εντοπισμό περιοχών άνθισης. Ωστόσο, η αποτελεσματικότητα του SAR βασίζεται στη διάκριση των σκοτεινών περιοχών που προκαλούνται από ανθίσεις από εκείνες που οφείλονται σε άλλους παράγοντες, όπως οι άνεμοι χαμηλής ταχύτητας, γεγονός που απαιτεί περαιτέρω προσπάθειες επικύρωσης και μοντελοποίησης. Παρά τις δυνατότητές της, η τηλεπισκόπηση με ραντάρ δεν έχει αξιοποιηθεί πλήρως για τις μελέτες της άνθισης των φυκών του γλυκού νερού, γεγονός που αναδεικνύει τις ευκαιρίες για μελλοντική έρευνα και ανάπτυξη στον τομέα αυτό.

Μελλοντικές προκλήσεις

Η τηλεπισκόπηση της άνθισης των φυκών σε λίμνες γλυκού νερού αντιμετωπίζει αρκετές μελλοντικές προκλήσεις, που περιλαμβάνουν φασματικούς, χωρικούς και ραδιομετρικούς περιορισμούς ανάλυσης. Η ανίχνευση της φυκοκυανίνης, ζωτικής σημασίας για τη χαρτογράφηση των κυανοβακτηριακών ανθίσεων, παρουσιάζει δυσκολίες λόγω των φασματικών ιδιοτήτων της και της επικάλυψης με την απορρόφηση της χλωροφύλλης-α. Τα οπτικά δεδομένα μέσης ανάλυσης, όπως τα Landsat και Sentinel-2, προσφέρουν περιορισμένη χρονική ανάλυση, εμποδίζοντας την παρακολούθηση δυναμικών ανθίσεων, γεγονός που επιδεινώνεται από την ανάγκη για ακριβείς αλγόριθμους ατμοσφαιρικής διόρθωσης. Επιπλέον, η επικύρωση των προϊόντων, η εκτίμηση της τοξικότητας, η κατακόρυφη μεταβλητότητα και οι μεταβολές των οπτικών ιδιοτήτων θέτουν σημαντικά εμπόδια. Ενώ το LiDAR παρέχει πληροφορίες για τις κατακόρυφες κατανομές της άνθισης, το βάθος διείσδυσής του είναι περιορισμένο στις βαθύτερες λίμνες. Αντίθετα, η SAR, η οποία δεν χρησιμοποιείται επαρκώς σε μελέτες γλυκών υδάτων, υπόσχεται πολλά, αλλά εξακολουθούν να υπάρχουν προκλήσεις όπως τα τεχνουργήματα που προκαλούνται από τον άνεμο. Ο συνδυασμός του ραντάρ με οπτικά δεδομένα ενισχύει την ακρίβεια και οι επερχόμενοι αισθητήρες ραντάρ υψηλής ανάλυσης έχουν δυνατότητες για μετασχηματιστική χαρτογράφηση της άνθισης. Η ενσωμάτωση πολλαπλών αισθητήρων και οι προηγμένοι αλγόριθμοι προσφέρουν δυνατότητες για τη βελτίωση της ανίχνευσης της άνθισης, ιδίως σε πολύπλοκα υδάτινα περιβάλλοντα.

Συμπέρασμα

Η τηλεπισκόπηση αναγνωρίζεται ως ένα πολύτιμο εργαλείο για την παρακολούθηση της άνθισης των φυκών σε παγκόσμιο επίπεδο, προσφέροντας ενημερώσεις σχεδόν σε πραγματικό χρόνο σε σύγκριση με τις παραδοσιακές δειγματοληψίες πεδίου. Η ενσωμάτωση δεδομένων πολλαπλών αισθητήρων βοηθά στην άμβλυνση περιορισμών όπως οι καιρικές συνθήκες και η συχνότητα των δεδομένων. Οι πρόσφατες εξελίξεις στην ποιότητα των δεδομένων και στις δυνατότητες των αισθητήρων ενισχύουν την αποτελεσματικότητα της τηλεπισκόπησης. Η μελλοντική τηλεπισκόπηση με ραντάρ και LiDAR θα επωφεληθεί από δεδομένα πολλαπλών συχνοτήτων και πολώσεων, σε συνδυασμό με οπτικά δεδομένα για βελτιωμένη ακρίβεια. Οι προηγμένοι αισθητήρες LiDAR σε πλατφόρμες UAV υπόσχονται οικονομικά αποδοτική απόκτηση δεδομένων.