Using Hyperspectral Remote Sensing to MonitorWater Quality in Drinking Water Reservoirs
Από RemoteSensing Wiki
Using Hyperspectral Remote Sensing to Monitor Water Quality in Drinking Water Reservoirs/ Παρακολούθηση ποιότητας πόσιμου νερού δεξαμενής, με υπερφασματική τηλεπισκόπηση.
Συγγραφείς:Clémence Goyens 1,* , Héloïse Lavigne 1, Antoine Dille 1 and Han Vervaeren 2
Περίληψη: Στο Κέντρο Παραγωγής Νερού Blankaart, προβλήματα από ανάπτυξη φυκιών σε επιφανειακά νερά δεξαμενής, επηρέασαν την παραγωγή πόσιμου νερού. Για τον έλεγχο αυτής της ανάπτυξης φυκιών, εφαρμόζονται στρατηγικές όπως η έγχυση αλγοκτόνων. Το σύστημα HYPSTAR, λειτουργώντας από το 2021, παρακολουθεί την αποτελεσματικότητα αυτών των μεθόδων, μετρώντας με βιο-οπτικές παραμέτρους όπως χλωροφύλλη και αιωρούμενα σωματίδια. Η μελέτη δείχνει πώς τα δεδομένα του HYPSTAR βοηθούν στην γρήγορη και οικονομική παρακολούθηση των φυκιών, ενισχύοντας τη διαχείριση της ποιότητας του νερού.
Εισαγωγή:
Η συχνότητα ακραίων καλοκαιριών, η αστική επέκταση και οι κοινωνικο-οικονομικές πιέσεις απειλούν την ποιότητα και τη διαθεσιμότητα των επιφανειακών και υπόγειων υδάτινων πόρων. Το 2021, η Ευρωπαϊκή Επιτροπή υπογράμμισε την ανάγκη για ενέργειες προς διασφάλιση και βιώσιμη χρήση των πόρων γλυκού νερού. Η παραδοσιακή παρακολούθηση της ποιότητας του νερού, που βασίζεται σε δειγματοληψίες και εργαστηριακή ανάλυση, δεν επαρκεί για την παρακολούθηση διακυμάνσεων και τάσεων στην ποιότητα του νερού. Ως εκ τούτου, έχουν γίνει σημαντικές βελτιώσεις στις τεχνολογίες online παρακολούθησης για τη μέτρηση των φυσικών και χημικών παραμέτρων.
Ανάμεσα στις αυτοματοποιημένες τεχνολογίες, οι οπτικοί αισθητήρες που τοποθετούνται πάνω από την επιφάνεια του νερού έχουν αποδειχθεί οικονομικά αποδοτικοί για την παρακολούθηση της ποιότητας του νερού. Η ανάπτυξη της υπερφασματικής ακτινομετρίας επιτρέπει τώρα την ανίχνευση λεπτομερών φασματικών χαρακτηριστικών, ενισχύοντας την ικανότητα των αισθητήρων να αναλύουν τη βιοποικιλότητα στα ύδατα, όπως η σύνθεση και η πληθυσμιακή αφθονία του φυτοπλαγκτόν. Το σύστημα HYPSTAR, το οποίο τοποθετήθηκε από το 2021, συνδράμει στην παρακολούθηση της ποιότητας του νερού στο Κέντρο Παραγωγής Νερού Blankaart, μια σημαντική πηγή πόσιμου νερού στην παράκτια περιοχή του Βελγίου.
Στόχος της μελέτης είναι να αποδείξει τις δυνατότητες του HYPSTAR για αξιόπιστες μετρήσεις ανακλαστικότητας νερού με χαμηλές απαιτήσεις συντήρησης και υψηλή χρονική ανάλυση. Επιπλέον, εξετάζει πώς η συνεχής χρήση αυτών των μετρήσεων μπορεί να βελτιώσει την εκτίμηση της ποιότητας του νερού, εστιάζοντας στη χλωροφύλλη και τα αιωρούμενα σωματίδια. Χρησιμοποιεί δυο βασικούς δείκτες ποιότητας νερού, τη χλωροφύλλη και τα αιωρούμενα σωματίδια. Η μελέτη επιχειρεί επίσης να διερευνήσει τη δυνατότητα του HYPSTAR να ανιχνεύει τη φυκοκυανίνη, ένα μοναδικό χρωστικό των γλυκών νερών και των φυκιών.
Το Τμήμα 1: περιγράφει τον αισθητήρα HYPSTAR και τα συλλεχθέντα δεδομένα, καθώς και την επεξεργασία που χρησιμοποιείται για την εκτίμηση της ανακλαστικότητας του νερού που επιστρέφει. Τα δεδομένα δειγματοληψίας νερού που χρησιμοποιούνται για την επικύρωση των αλγορίθμων χλωροφύλλης(Chla) περιγράφονται στο Τμήμα 2.2. Το Τμήμα 2.3 περιγράφει τους αλγόριθμους που χρησιμοποιούνται για την ανάκτηση των προϊόντων ποιότητας νερού, δηλαδή τη χλωροφύλλη και τα αιωρούμενα σωματίδια (SPM). Οι βελτιώσεις στους αλγορίθμους χλωροφύλλη παρουσιάζονται στο Τμήμα 3.2. Οι λαμβανόμενες μακροχρόνιες χρονοσειρές χλωροφύλλης(chla) και SPM μαζί με τα δεδομένα δειγματοληψίας νερού και ορισμένες ταυτόχρονες δορυφορικές εικόνες παρουσιάζονται στο Τμήμα 3.3. Στο Τμήμα 3.4, ερευνάται τη δυνατότητα ανίχνευσης φυκοκυανίνης με τα δεδομένα HYPSTAR. Τέλος, στο Τμήμα 4, συζητούνται οι πιθανές βελτιώσεις για περαιτέρω αξιοποίηση των δεδομένων και πώς τα προϊόντα ποιότητας νερού HYPSTAR θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για λειτουργική εκτίμηση της ποιότητας του νερού σε συνδυασμό με δορυφορικές εικόνες.
Σχήμα 1. Θέα από τη βορειοανατολική άκρη του τοίχου δεξαμενής Blankaart (αριστερά), λεπτομερής εικόνα του HYPSTAR που εγκαταστάθηκε κατά μήκος του κιγκλιδώματος 30 μέτρα από το συνοριακό άκρο (μέση), και αληθινή εικόνα χρωμάτων Sentinel 2A που λήφθηκε στις 2021-02-04 και επεξεργάστηκε με το ACOLITE [23] με τη δεξαμενή Blankaart στο κέντρο της εικόνας (πάνω δεξιά) και η παγχρωματική εικόνα GEOEye που λήφθηκε στις 2019-05-24 (κάτω δεξιά). Ένας κόκκινος σταυρός υποδεικνύει τη θέση του αισθητήρα (50.9888°N–2.8352°W). Το μπλε ημικύκλιο δείχνει τον προσανατολισμό του αισθητήρα κατά τη διάρκεια της ημέρας.
2. Υλικά και μέθοδοι
2.1. Δεδομένα ανακλαστικότητας νερού
2.1.1. HYPSTAR Το HYPSTAR, ένα Υπερφασματικό Σύστημα Καταγραφής για Επίγεια και Υδάτινη Ακτινομετρία, εγκαταστάθηκε τον Ιανουάριο του 2021 στην δεξαμενή νερού του Blankaart WPC στο Βέλγιο. Αυτό το σύστημα μετρά συνεχώς την ανακλαστική και εισερχόμενη ακτινοβολία κατά τις ώρες ημέρας, εκτός από σύντομες περιόδους διακοπής για συντήρηση. Το HYPSTAR μετρά το ανακλώμενο φως στο ορατό και κοντινό υπέρυθρο φασματικό εύρος και είναι εξοπλισμένο με GPS και ενσωματωμένη κάμερα για την οπτική επιθεώρηση των συνθηκών. Τοποθετήθηκε σε έναν τσιμεντένιο τοίχο της δεξαμενής, προσφέροντας μετρήσεις υψηλής ακρίβειας. Το HYPSTAR αναπτύχθηκε στο πλαίσιο του έργου HYPERNETS του H2020 και αποτελεί μέρος του δικτύου HYPERNETS.
2.1.2 Πρωτόκολλο συλλογής και επεξεργασίας δεδομένων
Η προσέγγιση πάνω από το νερό για τη μέτρηση της ποιότητας νερού περιλαμβάνει τη χρήση ραδιομέτρων για την προσπίπτουσα ακτινοβολία (Ld), την ανακλαστική ακτινοβολία επιφάνειας (Lu) και την ακτινοβολία που μεταδίδεται μέσω της διεπιφάνειας αέρα-νερού (Ed). Αυτές οι μετρήσεις επιτρέπουν τον υπολογισμό της ακτινοβολίας που εξέρχεται από το νερό, κρίσιμης για την ανάλυση της ποιότητας του νερού. Το HYPSTAR, το όργανο που χρησιμοποιείται, καταγράφει δεδομένα σε ορισμένες γωνίες, με κάθε γωνία να περιλαμβάνει πολλαπλές σαρώσεις που στη συνέχεια μετριάζονται. Οι μετρήσεις γίνονται κάθε 15 έως 30 λεπτά κατά τη διάρκεια της ημέρας και περιέχει τις ακόλουθες σειρές: 1. Τρεις σαρώσεις του Ed(l, q = 180°, Df = +/- 90°); 2. Τρεις σαρώσεις του Ld(l, q = 140°, Df = +/- 90°); 3. Έξι σαρώσεις του Lu(l, q = 40°, Df = +/- 90°); 4. Τρεις σαρώσεις του Ld(l, q = 140°, Df = +/- 90°); 5. Τρεις σαρώσεις του Ed(l, q = 140°, Df = +/- 90°). Η μέθοδος αυτή ακολουθεί το πρωτόκολλο μέτρησης και επεξεργασίας δεδομένων που υιοθετήθηκε από τη NASA και την IOCCG.
2.1.3 Επεξεργασία δεδομένων
Τα δεδομένα ακτινοβολίας επεξεργάζονται με τον επεξεργαστή Hypernets (ο οποίος είναι πλήρως προσβάσιμος: https://github.com/HYPERNETS/hypernets_processor, πρόσβαση στις 14 Οκτωβρίου 2022) και τον RHYMER («Αξιόπιστη επεξεργασία υπερ-φασματικής μέτρησης της ακτινοβολίας») για τον υπολογισμό της ανακλαστικότητας του νερού.
Υπάρχουν διάφορα βήματα επεξεργασίας και ελέγχου ποιότητας για τα δεδομένα. Το πρώτο βήμα είναι τα αυτούσια δεδομένα χωρίς επεξεργασία της ακτινοβολίας και της φωτεινότητας αλλά και των μαύρων περιοχών. Ως εκ τούτου, εφαρμόζονται φίλτρα για τη διάγνωση και αφαίρεση δεδομένων που μπορεί να είναι εσφαλμένα ή μη ποιοτικά. Ο επεξεργαστής επιτρέπει την παρακολούθηση της ποιότητας των δεδομένων ανακλαστικότητας του νερού και την αφαίρεση αμφιβόλων φασμάτων, ενώ επίσης χρησιμοποιεί δεδομένα από μετεωρολογικό σταθμό για την πρόβλεψη ταχύτητας ανέμου. Αυτά τα φίλτρα εξασφαλίζουν την ποιότητα των δεδομένων ανακλαστικότητας του νερού και την απόρριψη δεδομένων που δεν είναι αξιόπιστα για περαιτέρω ανάλυση.
Το πρώτο φίλτρο ελέγχει την αναλογία της ανακλαστικότητας Lu(l)/Ed(l) μεταξύ 800 και 950 nm και απορρίπτει τα φάσματα που επηρεάζονται από τον αφρό ή τα άλατα, όπου αυτή η αναλογία είναι μεγαλύτερη από 0,025 sr⁻¹.
Το δεύτερο φίλτρο εξετάζει τον παράγοντα παρόμοιας περιοχής φάσματος NIR (e(720, 780)) και απομακρύνει τα εσφαλμένα φάσματα, τα οποία δημιουργούνται από την αντανάκλαση του ήλιου ή του αέρα, όπου αυτός ο παράγοντας υπερβαίνει ένα καθορισμένο όριο.
Το τρίτο φίλτρο αφαιρεί τα φάσματα με αρνητικές ανακλαστικές τιμές μεταξύ 400 και 900nm (ανακριβή αφαίρεση ανακλαστικότητας της διεπιφάνειας αέρα-νερού).
Για τον υπολογισμό της ανακλαστικότητας του νερού, ο παράγοντας ανακλαστικότητας rF ανακτάται από τον πίνακα αναζήτησης του [26] χρησιμοποιώντας ως είσοδο την ηλιακή γωνία ηλίου, τη γωνία επισκόπησης, τη σχετική αζιμούθιο γωνία μεταξύ ηλίου και αισθητήρα και την ταχύτητα του ανέμου στα 10 μέτρα πάνω από την επιφάνεια της θάλασσας. Η ταχύτητα του ανέμου προέρχεται από έναν κοντινό σταθμό, δηλαδή τον σταθμό VLINDER που βρίσκεται στο Blankaart.
2.2 Αξιολόγηση δεδομένων
2.2.1: Συλλογή Δεδομένων Χλωροφύλλης (Chla)
Σε αυτό το υποκεφάλαιο, αναφέρεται η συλλογή δεδομένων χλωροφύλλης (Chla) μέσω δειγματοληψίας επιφανειακού νερού που πραγματοποιείται από τους υδρολόγους με δοχείο 5λίτρων. Τα δείγματα συλλέγονται ανά διάστημα και αξιολογούνται για την ποιότητα του νερού με μια φασματοφωτομετρική μέθοδος, 10200Η[31]. Συνολικά βρέθηκαν 43 συγκεντρώσεις chla από δειγματοληψείες από τον Ιανουάριο 2021 και μετά.
2.2.2: Διαδικασία Μετρήσεων Κυανοβακτηρίων και Διατομών
Η μέτρηση των αλγών έγινε χειροκίνητα, χρησιμοποιώντας το πρωτόκολλο δειγματοληψίας και προετοιμασίας που ακολουθεί το "Συνοπτικό Εγχειρίδιο Δειγματοληψίας, Μέτρησης και Ανάλυσης του Νερού" της Φλαμανδικής Κυβέρνησης και το ευρωπαϊκό πρότυπο EN 15204.
2.3.1: Αλγόριθμοι για τα Προϊόντα Ποιότητας του Νερού (Chla)
Στη μελέτη αυτή, δοκιμάστηκαν και συγκρίθηκαν διάφοροι αλγόριθμοι βασισμένοι στην "κόκκινη άκρη" (red-edge) τόσο με χρήση πολυφασματικών όσο και υπερφασματικών προσεγγίσεων, με στόχο την ανίχνευση της χλωροφύλλης α (Chla) σε θολά και ευτροφικά νερά. Οι αλγόριθμοι που βασίζονται στον υπολογισμό της απορρόφησης της Chla στα 665 nm (SIMIS) και στην εκτίμηση της Chla με βάση τις ανακλάσεις σε δύο συγκεκριμένες μήκη κύματος (CRAT) αξιολογήθηκαν.
Ο αλγόριθμος SIMIS υπολογίζει τις συγκεντρώσεις Chla με την εξίσωση: αChl(665)=(ρw(709)/ρw(665))(αw(709)+bb)-bb-αw(665) ChlSa=αChl(665)/α΄ph(665)
όπου α΄ph (665) είναι ο συντελεστής απορρόφησης της φυκοκυάνης ανά μονάδα συγκέντρωσης Chla.
Ο αλγόριθμος CRAT υπολογίζει τη Chla με την εξίσωση:
ChlCa=[aw(l2)−aw(l1)]/α΄ph(672)
όπου l2 επιλέγεται ατομικά στο διάστημα 704–740 nm ως το μήκος κύματος στο οποίο η ανάκλαση είναι ίση με την ανάκλαση στην κόκκινη απορρόφηση Chla (δηλαδή ρw(l2)=ρw(l1)) και l1 ισούται με 672 nm.
Η μελέτη επισημαίνει επίσης ότι οι τιμές α΄ph(l) μπορεί να διαφέρουν ανάλογα με διάφορους παράγοντες και προτείνεται η χρήση μιας μεταβλητής α΄ph(l) για την βελτίωση των εκτιμήσεων της συγκέντρωσης Chla.
Η μορφή της συνάρτησης που προτείνεται είναι: α΄ph(l)=A⋅Chl−Β
όπου Α και Β είναι συντελεστές εξαρτώμενοι από το μήκος κύματος.
Τέλος, η ακρίβεια των αλγορίθμων ChlS_a και ChlC_a αξιολογήθηκε με βάση τις εξής μετρικές:
•Το Root Mean Square Error (RMSE), •Η κλίση (S) και το σημείο τομής (I) της παραμικρών τετραγώνων παλινδρόμησης, •Το Mean Absolute Percentage Error (MAPE), •Το BIAS.
2.3.2: Εκτίμηση Σωματιδίων Συστοιχίας (SPM)
Για τον υπολογισμό των σωματιδίων συστοιχίας (SPM), χρησιμοποιήθηκε ο αλγόριθμος από το Nechad et al. [45], με το μέτρο της ανακλαστικότητας του νερού στα 700 nm ως εξής:
<math> SPM = A˄N2010 x ρw(700) / 1- ( ρw(700)/C^N2010) </math> (8)
όπου οι σταθερές A˄N2010 και C˄N2010 είναι σταθερές τιμές (δηλαδή 445,11 και 1,13 αντίστοιχα) που λαμβάνονται από τον πίνακα 1 στο [45].
2.3.3: Κυανοβακτήρια
Εξετάζεται η ανάπτυξη και αξιολόγηση διαφόρων δεικτών για την ανίχνευση φυκοκυάνων, δεδομένης της ανεπαρκούς συσχέτισης μεταξύ δειγματοληψίας νερού και δεδομένων ανάκλασης HYPSTAR (μόνο δύο συσχετίσεις). Η αξιολόγηση συμπληρώθηκε με δύο επιπλέον μετρήσεις από τον αισθητήρα PANTHYR κατά τη διάρκεια μεγάλης απότομης ανάπτυξης φυκοκυάνων το 2019 και το 2020.
Οι δείκτες που αναπτύχθηκαν εστιάζουν στις φασματικές ιδιαιτερότητες των φυκοκυάνων λόγω της απορρόφησης του φυκοκυανίνης (PC) και των φαινομένων φθορισμού τους. Χρησιμοποιώντας έναν αναλυτικό αλγόριθμο, οι Simis και συνεργάτες πρότειναν τον υπολογισμό της συγκέντρωσης PC από την απορρόφησή του στα 620 nm, μετά από διόρθωση για την απορρόφηση του νερού και της χλωροφύλλης α.
Ο πρώτος δείκτης, CI1, υπολογίζεται ως εξής:
CI1=[((ρw(709)/ρw(620))(aw(709)]+bb))−bb−αw(620)−e665−620⋅αChl(665)
όπου e665−620e665−620 είναι ο συντελεστής μετατροπής από αChl(665) σε αChl(620)(ίσο με 0.24) και d είναι ένας συντελεστής διόρθωσης.
Ο δεύτερος δείκτης, CI2, είναι ο λόγος των μπαντών μεταξύ ρw(600) και ρw(700), όπως προτάθηκε από τον Mishra και τους συνεργάτες:
CI2=ρw(700)/ρw(600)
Οι μπάντες επιλέγονται για την χαμηλή μεταβλητότητά τους και την απουσία επιρροής από την απορρόφηση της χλωροφύλλης α στα 600 nm.
Ο τρίτος δείκτης, CI3, προτάθηκε από τον Wynne και συνεργάτες και εστιάζει στο φάσμα γύρω από τα 681 nm, παρόμοιο με μια εξίσωση ύψους γραμμής φθορισμού:
CI3=ρw(681)−ρw(665)−[ρw(709)−ρw(665)][(681−665)/(709−665)]
Ένα αρνητικό αποτέλεσμα για το CI3 αναμένεται στην παρουσία φυκοκυάνων, ενώ ένα θετικό αποτέλεσμα στην απουσία τους.
Εικόνα 2:Αριθμός έγκυρων ακολουθιών που λαμβάνονται κάθε μέρα ("Όλες οι ακολουθίες"), και οι απομείναντες ακολουθίες μετά την αφαίρεση των φασμάτων που δεν ικανοποιούν τα ακόλουθα φίλτρα:
(1) Φίλτρο 1: Lu(l)/Ed(l) μεταξύ 800 και 950 nm > 0.025 sr^-1;
(2) Φίλτρο 2: e(720, 780) > 0.005; και
(3) Φίλτρο 3: αφαίρεση αρνητικών δεδομένων ανακλαστικότητας στην περιοχή 400–900 nm.
Σημειώστε ότι το όργανο ήταν σε συντήρηση και επαναβαθμονόμηση τον Φεβρουάριο–Απρίλιο του 2022.
3.Αποτελέσματα
3.1 Ανακλαστικότητα από το νερό.
Καταμετρήθηκαν 8116 φάσματα από 27/01/2021 έως 03/08/2022.
Αρχικά, 7933 φάσματα επιλέγονται μετά από ποιοτικό έλεγχο. Από αυτά, φάσματα με ε(720, 780) > 0.005 αφαιρούνται, αφήνοντας 6535 φάσματα. Περαιτέρω, αφαιρούνται φάσματα με αρνητικές τιμές μεταξύ 400-900 nm, παραμένοντας 2988 μετρήσεις. Περισσότερα δεδομένα αφαιρούνται τον χειμώνα λόγω δυσμενών καιρικών συνθηκών, με 38, 74 και 89 φάσματα να διατηρούνται τους μήνες Δεκέμβριο, Ιανουάριο και Φεβρουάριο αντίστοιχα. Το καλοκαίρι, ο αριθμός των φασμάτων κυμαίνεται μεταξύ 307 και 622 ανά μήνα. Όλα τα φάσματα εμφανίζουν τυπικά χαρακτηριστικά εσωτερικών υδάτων, με χαμηλότερες αντανακλάσεις στο μπλε φάσμα σε σύγκριση με το πράσινο και κόκκινο.
Η αντανάκλαση είναι υψηλότερη τον χειμώνα, ιδιαίτερα στο φάσμα 500-600 nm λόγω αυξημένης συγκέντρωσης σωματιδίων. Επίσης, παρατηρούνται διακριτικά φασματικά χαρακτηριστικά, όπως η αύξηση της αντανάκλασης στο φάσμα 680–750 nm κυρίως την άνοιξη και το καλοκαίρι, συνδεόμενη με αυξανόμενες συγκεντρώσεις Chla.
3.2 Ανάκτηση Chla
Την ίδια χρονική περίοδο, πραγματοποιήθηκαν 43 δειγματοληψίες νερού, σε 27 από αυτά μετρήθηκαν συγκεντρώσεις χλωροφύλλης chla με λήψεις από το HYPSTAR και ήταν έγκυρα όσον αφορά τα κριτήρια ποιότητας. Παρατηρείται ένα U-σχήμα στο φάσμα γύρω από τα 650-670 nm για τις υψηλότερες συγκεντρώσεις Chl-a, το οποίο είναι χαρακτηριστικό της υψηλής απορρόφησης φυκιοφυτοπλαγκτόν. Επίσης, παρατηρείται αύξηση στην ανακλαστικότητα γύρω από τα 710-720 nm και 555 nm για τις υψηλότερες συγκεντρώσεις Chl-a. Παρουσιάζεται η ακρίβεια των ανακτημένων συγκεντρώσεων Chl-a χρησιμοποιώντας τους αλγόριθμους CRAT και SIMIS.
Ο αλγόριθμος CRAT χρησιμοποιείται σε συγκεντρώσεις Chl-a περίπου από 10 έως 100 g/L, ενώ ο αλγόριθμος SIMIS είναι καλύτερος για συγκεντρώσεις περίπου 10 έως 119.56 g/L.
Τα RMSE είναι 8.20 g/L και 5.61 g/L για τους αλγόριθμους CRAT και SIMIS, αντίστοιχα. Και οι δύο αλγόριθμοι τείνουν να υπερεκτιμούν τις χαμηλές συγκεντρώσεις Chl-a και να υποεκτιμούν τις υψηλές συγκεντρώσεις.
Οι διάφορες τιμές του αναστολέα απορρόφησης (aph) παρατηρούνται να μειώνονται από 0.08 έως 0.006 m2/mg στην κορυφή της απορρόφησης Chl-a (δηλαδή, 665 nm). Για το 672 nm, οι τιμές του aph κυμαίνονται περίπου από 0.04 έως 0.006 m2/mg. Πίνακας 1 παρέχει τιμές για τα A και B στην Εξίσωση (5) όταν ανακτώνται με τον αλγόριθμο SIMIS.
3.3 Χρονικές σειρές Chla SPMQ:
Οι συγκεντρώσεις χλωροφύλλης από τις μετρήσεις του HYPSTAR ταυτίζονται με τις συγκεντρώσεις Chla που μετρήθηκαν στο νερό(ChlWa).Επίσης, παρατηρούνται υψηλές κορυφές στις συγκεντρώσεις ChlaSα και ChlaCα σε σχέση με τα δεδομένα των δειγμάτων νερού.Αυτες τις κορυφές ενδεχομένως τις επηρεάζουν οι παρακάτω παράγοντες:
1.υψηλή χρονική ανάλυση δεδομένων του HYPSTAR, 2. Αποτυχία απομάκρυνσης μη έγκυρων δεδομένων ή φασμάτων ανακλαστικότητας, 3. Λαθος εκτίμηση του a ph(I) σε υψηλές συγκεντρώσεις Chla.
Επίσης, παρατηρείται ότι κατά την άνοιξη και το καλοκαίρι λαμβάνονται μέτρα για την πρόληψη της ανάπτυξης των φυκιών (έγχυση αλγοκτόνου) στον υδροφόρο. Αυτό μπορεί να εξηγήσει γιατί οι συγκεντρώσεις Chla είναι περιορισμένες, ιδιαίτερα το καλοκαίρι του 2021, και γιατί σε ορισμένες περιπτώσεις παρατηρούνται απότομες πτώσεις των συγκεντρώσεων Chla (π.χ., τον Ιούλιο του 2022)
Το άρθρο αναφέρεται σε μια μελέτη σχετικά με την παρουσία σωματιδίων σε αναστάτωση (SPM) στο νερό. Διαπιστώνεται ότι οι τιμές του SPM κυμαίνονται από 0 έως 30 γραμμάρια ανά κυβικό μέτρο, με κάποιες εξαιρετικές περιπτώσεις που φτάνουν τα 60 γραμμάρια ανά κυβικό μέτρο. Οι υψηλότερες τιμές SPM παρατηρούνται κυρίως κατά τη διάρκεια καταιγίδων, όπου η ανακατεύθυνση των σωματιδίων από τον πυθμένα προς το νερό είναι πιο έντονη. Αυτό επιβεβαιώνεται από δορυφορικές εικόνες από τα συστήματα Landsat-9 OLI και Sentinel 2B-MSI, οι οποίες δείχνουν αυξημένες συγκεντρώσεις άνθρακα στη νότια πλευρά του τοίχου.
Επιπλέον, η μελέτη αυτή εξετάζει τη σχέση μεταξύ των τιμών ανακλαστικότητας και των τιμών SPM, καθώς και τις συγκεντρώσεις των ChlaSα και ChlaCα. Η ανάλυση αυτή παρέχει σημαντικές πληροφορίες για το πώς επηρεάζονται οι υδάτινοι πόροι από φυσικά φαινόμενα όπως οι καταιγίδες και οι πλημμύρες, και πώς αυτό μπορεί να επηρεάσει την ποιότητα του νερού σε μια συγκεκριμένη περιοχή.
3.4 Εντοπισμός Κυανοβακτηρίων: Μελέτη σκοπιμότητας
Στη μελέτη "Cyanobacteria Detection: A Feasibility Study", αξιολογήθηκαν διάφοροι δείκτες φυκοκυάνωσης (PC) μέσω της ανάλυσης υπερφασματικών δεδομένων τηλεπισκόπησης που λήφθηκαν από τον αισθητήρα PANTHYR. Τα δεδομένα αυτά παρείχαν πληροφορίες για τις αντανακλάσεις του νερού κατά τη διάρκεια μεγάλων εκρήξεων φυκοκυάνων το 2021 και το 2022. Συγκεκριμένα, το αποθέματος Blankaart παρουσίασε μικρή ανάπτυξη φυκοκυάνων, με μέγιστη συγκέντρωση 5 μικρογραμμαρίων ανά λίτρο.
Επίσης, παρουσιάζονται φάσματα αντανάκλασης νερού και η δεύτερη παράγωγος από εκρήξεις διατόμων και φυκοκυάνων, μέσα από τα οποία υπολογίζονται διάφοροι δείκτες.
Ο πρώτος δείκτης (CI1) δείχνει αύξηση τιμών με την αύξηση της συγκέντρωσης φυκοκυάνων, αλλά παρουσιάζει ένα πρόβλημα αντιστάθμισης στην απουσία φυκοκυάνων.
Ο δεύτερος δείκτης (CI2) χρησιμοποιεί το λόγο της αντανάκλασης του νερού στα 600 nm και 700 nm, με τη δεύτερη παράγωγο να είναι θετική στην παρουσία φυκοκυάνων.
Ο τρίτος δείκτης (CI3) αναμένεται να έχει αρνητική τιμή στην παρουσία φυκοκυάνων και θετική διαφορετικά, όμως δεν καταφέρνει να ανιχνεύσει φυκοκυάνωση με συγκέντρωση 4.7 mg/m³.
Εντούτοις, για υψηλότερες συγκεντρώσεις, ο CI3 είναι σημαντικά χαμηλότερος, προτείνοντας ότι ο δείκτης μπορεί να χρησιμοποιηθεί μόνο για την ανίχνευση σημαντικών αλλαγών στις συγκεντρώσεις φυκοκυάνων.
4. Συζήτηση
4.1. Περαιτέρω βελτίωση των προϊόντων ποιότητας νερού που παράγονται από το HYPSTAR
Το σύστημα HYPSTAR παρέχει σημαντικά δεδομένα με υψηλή χρονική ανάλυση και χαμηλές απαιτήσεις σε ανθρώπινο δυναμικό. Αυτά τα δεδομένα βοηθούν τους διαχειριστές νερού στην παρακολούθηση των τάσεων της χλωροφύλλης και στην αξιολόγηση των στρατηγικών για τον έλεγχο της επέκτασης των φυκιών. Υπάρχει ανάγκη για περαιτέρω βελτίωση στην επεξεργασία δεδομένων, ιδίως στη διόρθωση της αντανάκλασης της διεπιφάνειας αέρα-νερού, για να μειωθούν οι ανακρίβειες και να αυξηθεί ο αριθμός των χρήσιμων δεδομένων. Οι συγκεντρώσεις χλωροφύλλης που εντοπίζονται από το HYPSTAR ακολουθούν στενά τα δεδομένα δειγματοληψίας νερού, αλλά απαιτούνται περισσότερα δεδομένα για την περαιτέρω επικύρωση των αλγορίθμων. Η ταχεία δοκιμή διαφόρων δεικτών φυκοκυάνων επιβεβαιώνει τη δυνατότητα παρακολούθησης της παρουσίας ή απουσίας των φυκοκυάνων σε πραγματικό χρόνο.
4.2 Πρώιμες Προειδοποιήσεις και Χωρική Παρακολούθηση:
Οι αυτόνομοι υπερφασματικοί αισθητήρες μπορούν να παρέχουν πρώιμες προειδοποιήσεις και να συμβάλλουν στη λήψη μέτρων πριν από την άνθηση φυκιών. Τα δεδομένα ακτινοβολίας μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για την προσέγγιση περιβαλλοντικών συνθηκών που επηρεάζουν την ανάπτυξη φυκιών.
Παρά την ανίχνευση μικρών διακυμάνσεων ποιότητας νερού από το HYPSTAR, υπάρχει περιορισμός στο πρώτο οπτικό βάθος και δεν παρέχεται συνοπτική εικόνα της λίμνης. Η χωρική μεταβλητότητα της ποιότητας νερού είναι επίσης κρίσιμη για την αποτελεσματική διαχείριση του νερού 5. Συμπεράσματα
Τα κύρια συμπεράσματα της μελέτης είναι:
Η χρήση υπερφασματικών τεχνικών τηλεπισκόπησης αποδεικνύεται εφικτή και αποτελεσματική για την γρήγορη αξιολόγηση και παρακολούθηση της ποιότητας του νερού.
Τα υπερφασματικά δεδομένα με πολύ υψηλή χρονική ανάλυση παρέχουν σημαντικά οφέλη, επιτρέποντας την αποτύπωση μικρών χρονικών διακυμάνσεων στις συγκεντρώσεις Chla και SPM.
Οι αυτόνομες μετρήσεις απαιτούν ελάχιστη ανθρώπινη παρέμβαση, αυξάνοντας την αποδοτικότητα της διαδικασίας παρακολούθησης.
Οι υπερφασματικοί αισθητήρες βοηθούν στην ανίχνευση λεπτομερών φασματικών χαρακτηριστικών, όπως αυτά που απαιτούνται για την ανίχνευση φυκοκυάνων. Για μια πληρέστερη ανάλυση, τα δεδομένα των υπερφασματικών αισθητήρων πρέπει να συμπληρωθούν με δορυφορικές εικόνες, προσφέροντας μια συνολική εικόνα των υδάτινων συστημάτων.
Τα δεδομένα είναι πολύτιμα αξιολογώντας την απόδοση αλγορίθμων διόρθωσης της ατμόσφαιρας, ειδικά για τη διόρθωση των εφελκυστικών αποτελεσμάτων ( φως που αντανακλάται από τη γη ή από λαμπερές επιφάνειες κοντά σε υδάτινες περιοχές μπορεί να παρεμβληθεί στην ανάλυση της αντανάκλασης του νερού, προκαλώντας παραμορφώσεις στα δεδομένα.)
Οι υπερφασματικοί αισθητήρες είναι αποτελεσματικοί στην έγκαιρη ανίχνευση ανάπτυξης φυκιών, προσφέροντας σημαντικά δεδομένα για τη διαχείριση της ποιότητας του νερού σε πόσιμες και αναψυκτικές λίμνες.
