Παρακολούθηση κυανοβακτηριακών ανθών με χρήση Τηλεπισκόπησης

Από RemoteSensing Wiki

Αναθεώρηση της 15:38, 2 Φεβρουαρίου 2018

Παρακολούθηση κυανοβακτηριακών ανθών με χρήση Τηλεπισκόπησης

Πρωτότυπος τίτλος: Monitoring cyanobacterial blooms by satellite remote sensing

Συγγραφείς: Tiit Kutser, Liisa Metsamaa, Niklas Strombeck , Ele Vahtmae

Δημοσιεύθηκε: Estuarine, Coastal and Shelf Science 67 (2006) 303-312

Σύνδεσμος πρωτότυπου κειμένου: [1]

Λέξεις-Κλειδιά: κυανοβακτήρια, φύκη, άνθιση, τηλεπισκόπηση, Landsat, MODIS, MERIS, ALI, φυκοκυανίνη, χλωροφύλλη α, Βαλτική Θάλασσα

Πίνακας 1: Χαρακτηριστικά φυτοπλαγκτονικών ειδών

Εισαγωγή

Τα περισσότερα είδη κυανοβακτηρίων είναι δυνητικά τοξικοί οργανισμοί και, ως εκ τούτου, συχνά προκαλούν φυτοπλαγκτικά άνθη. Υπάρχουν αρκετά προβλήματα υγείας που συνδέονται με περισσότερες από 60 ταυτοποιημένες τοξίνες κυανοβακτηρίων που ανήκουν στις νευροτοξίνες, ηπατοξίνες, κυτοτοξίνες, είναι ερεθιστικά για το δέρμα και το γαστρεντερικό σύστημα. Οι τοξίνες εισέρχονται στην τροφική αλυσίδα, καθώς το φυτοπλαγκτόν καταναλώνεται από οστρακοειδή, όπως αχιβάδες, μύδια, στρείδια και χτένια, τα οποία βαθμιαία συσσωρεύουν τις τοξίνες του φυτοπλαγκτού, φθάνοντας τελικά σε επίπεδα που είναι δυνητικά θανατηφόρα για τον άνθρωπο ή άλλους καταναλωτές. Το γεγονός αυτό και η συχνότητα εμφάνισης ανθών σε παραλίες κατά τη διάρκεια της καλοκαιρινής περιόδου, οδήγησε σε οικονομικές ζημιές και κίνησε το ενδιαφέρον για το φαινόμενο αυτό. Το πρόβλημα είναι ιδιαίτερα έντονο στην περιοχή της Βαλτικής Θάλασσας, όπου τα κυανοβακτηριδιακά άνθη εμφανίζονται κάθε καλοκαίρι και καλύπτουν περιοχές άνω των 100.000 τετραγωνικών km.

Υλικά και Μέθοδοι

Εργαστηριακές μετρήσεις οπτικών ιδιοτήτων αλγών και κυανοβακτηρίων

Πίνακας 2: Μήκη κύματος καναλιών του MODIS και MERIS που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη χαρτογράφηση κυανοβακτηριακών ανθών

Πέντε διαφορετικά είδη φυτοπλαγκτού αναπτύχθηκαν σε καλλιέργειες με χαμηλό φωτισμό σε κύκλους των 16 ωρών φωτός και 8 σκότους στους 25 ° C. Τα είδη που μελετήθηκαν ήταν τα κυανοβακτήρια Aphanizomenon flos-aquae var. baltica, Anabaena circinalis και Nodularia spumigena, το διάτομο Cyclotella cryptica και το χλωρόφυτο Scenedesmus obliquus. Τα είδη αυτά επελέχθηκαν για να ταιριάζουν με τις κυρίαρχες συνθήκες της Βαλτικής Θάλασσας και των τριών μεγαλύτερων σουηδικών λιμνών. Λεπτομέρειες των καλλιεργειών δίνονται στον Πίνακα 1. Περίπου δύο εβδομάδες πριν από τις μετρήσεις της ΙΟΡ (έμφυτες οπτικές ιδιότητες), δημιουργήθηκαν νέες καλλιέργειες των ειδών φυτοπλαγκτού και η οπτική τους πυκνότητα μετρήθηκε ανά 12 ώρες, ώστε να παρακολουθηθεί ο ρυθμός ανάπτυξής τους. Όταν προσδιορίστηκαν οι ρυθμοί ανάπτυξης, καθορίστηκε ένα τρίτο σύνολο νέων καλλιεργειών για τις μετρήσεις της ΙΟΡ. Τέλος, όταν έγιναν όλες οι μετρήσεις της ΙΟΡ, μετρήθηκε φασματοφωτομετρικά η συγκέντρωση της χλωροφύλλης α και της φαιοφυτίνης α σε όλες τις καλλιέργειες, μετά από εκχύλιση με αιθανόλη. Η οπτική πυκνότητα OD (Ι) μετρήθηκε στην περιοχή 350-750 nm, χρησιμοποιώντας ένα φασματοφωτόμετρο PerkineElmer Lambda 900 εξοπλισμένο με σφαίρα ενσωμάτωσης Spectralon (διαμέτρου 150 mm) στο Πανεπιστήμιο Uppsala της Σουηδίας.

Εικόνα 1: Μοντέλα φασματικής ανακλαστικότητας διαφόρων ειδών φυτοπλαγκτού σε παράλιες περιοχές (Α) και στη Βαλτική Θάλασσα (Β) (ALI, Landsat, IKONOS)

Βιο-οπτικό μοντέλο

Χρησιμοποιήθηκε ένα ημι-εμπειρικό μοντέλο, που περιγράφηκε λεπτομερώς από τον Kutser (2004), για να υπολογιστεί το φάσμα ανάκλασης του οπτικά βαθιού νερού. Το συνημίτονο του φωτονίου που βρίσκεται ακριβώς κάτω από την επιφάνεια, μ0, λήφθηκε ίσο με 0,85 για να μιμηθεί την κατάσταση στο γεωγραφικό πλάτος της κεντρικής Βαλτικής Θάλασσας, στα μέσα του καλοκαιριού και γύρω στο μεσημέρι. Καθώς το φως διέρχεται από τη διάφαση ύδατος-αέρα, υφίσταται διάθλαση που αυξάνει τη γωνία του προς την κάθετο. Συνδυάζοντας αυτά τα αποτελέσματα με την επίδραση της εσωτερικής αντανάκλασης, ο Austin (1980) πρότεινε τον συντελεστή 0,544 για την σχετική ακτινοβολία λίγο πάνω από την επιφάνεια, με ακτινοβολία ακριβώς κάτω από την επιφάνεια. Έτσι, μπορεί να υπολογισθεί η ανακλαστικότητα λίγο πάνω από την επιφάνεια του νερού. Θεωρήθηκε ότι υπάρχουν τρία οπτικά ενεργά συστατικά στο νερό: το φυτοπλαγκτόν, η έγχρωμη διαλυμένη οργανική ύλη (CDOM) και οι υδρόβιοι φυτικοί οργανισμοί.

Εικόνα 2: Μοντέλα φασματικής ανακλαστικότητας διαφόρων ειδών φυτοπλαγκτού σε παράλιες περιοχές (Α) και στη Βαλτική Θάλασσα (Β) (MODIS)

Τεχνικά χαρακτηριστικά των δορυφορικών αισθητήρων

Οι δορυφόροι Landsat έχουν χρησιμοποιηθεί για τη χαρτογράφηση κυανοβακτηριακών ανθών. Σε ορισμένες περιπτώσεις, είναι χρήσιμο να χρησιμοποιηθούν αισθητήρες με καλή χωρική ανάλυση, για την μελέτη των κυανοβακτηριακών ανθών. Ο αισθητήρας ALI είναι πρωτότυπος αισθητήρας του Landsat νέας γενιάς με βελτιωμένη φασματική και ραδιομετρική ανάλυση και σημαντική εξοικονόμηση μάζας, όγκου και κόστους. Ο ALI έχει 10 κανάλια: ένα πανχρωματικό (480- 690 nm) με χωρική ανάλυση 10m και εννέα φασματικά κανάλια με χωρική ανάλυση 30m. Το εύρος των φασμάτων των πρώτων τριών καναλιών που χρησιμοποιούνται σε αυτή την εργασία είναι 450-515 nm, 525-605 nm και 630-690 nm. Το SNR είναι 250: 1, η ραδιομετρική ανάλυση είναι 16-bit και το αποτύπωμα είναι 37 x 185 km. Ο ALI είναι ένας ευαίσθητος αισθητήρας, που σημαίνει ότι οι χρόνοι επανάληψης 1-2 ημερών, μπορούν να επιτευχθούν με γωνίες θέασης εκτός nadir παρά το γεγονός ότι ο αισθητήρας βρίσκεται στην ίδια τροχιά με τον Landsat 7. Το MODIS διαθέτει 13 κανάλια ορατής και υπέρυθρης ακτινοβολίας, που θα μπορούσαν ενδεχομένως να χρησιμοποιηθούν στην τηλεπισκόπηση των υδάτων. Τα κανάλια 1 και 2 έχουν χωρική ανάλυση 250m, τα 3 και 4 έχουν ανάλυση 500m και τα κανάλια 8-16 έχουν διακριτική ικανότητα 1000 m. Το SNR των ορατών καναλιών του MODIS με εύρος 1000 m είναι μεταξύ 900: 1 και 1400: 1. Τα φάσματα των χρησιμοποιημένων καναλιών MODIS παρουσιάζονται στον Πίνακα 2. Η πλήρης χωρική ανάλυση του αισθητήρα MERIS είναι 300 m. Τα φασματικά κανάλια του οργάνου MERIS παρουσιάζονται στον Πίνακα 2.

Εικόνα 3: Μοντέλα φασματικής ανακλαστικότητας διαφόρων ειδών φυτοπλαγκτού σε παράλιες περιοχές (Α) και στη Βαλτική Θάλασσα (Β) (MERIS)

Αποτελέσματα

Ο Dekker (1993) έδειξε ότι είναι δυνατόν να εκτιμηθεί η συγκέντρωση της φυκοκυανίνης στο νερό, χρησιμοποιώντας μεθόδους τηλεπισκόπησης. Η φυκοκυανίνη είναι μια χρωστική που υπάρχει κυρίως στα κυανοβακτήρια και μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως δείκτης των κυανοβακτηρίων. Η συγκέντρωση της χλωροφύλλης α μετράται συνήθως σε πολλά προγράμματα παρακολούθησης και χρησιμοποιείται ως δείκτης της ποσότητας του φυτοπλαγκτού. Ως εκ τούτου, χρησιμοποιήθηκε η συγκέντρωση της χλωροφύλλης ως μεταβλητή στο μοντέλο μας, προσπαθώντας να εκτιμήσουμε αν είναι δυνατόν να διαχωριστούν τα κυανοβακτήρια από τα είδη των φυκιών με βάση την ανακλαστικότητά τους με χρήση τηλεπισκόπησης. Εάν η συγκέντρωση των κυανοβακτηρίων είναι αρκετά υψηλή, τότε η απορρόφηση φυκοκυανίνης, κοντά στα 630 nm και μικρή κορυφή κοντά στα 650 nm, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να αναγνωρισθεί ότι τα κυανοβακτήρια κυριαρχούν στο νερό. Χρησιμοποιήθηκαν τα τεχνικά χαρακτηριστικά του αισθητήρα ALI και προσομοιώθηκαν τα φάσματα ανακλαστικότητας σε διαφορετικά είδη φυκιών. Τα φάσματα ανάκλασης παρουσιάζονται στην Εικόνα 1. Υπάρχει μικρή διαφορά μεταξύ των φασμάτων ανάκλασης των κυανοβακτηρίων και των αλγών σε πλούσια στα παράκτια ύδατα, όπως φαίνεται στην Εικόνα 1Α. Ο λόγος των καναλιών 2 και 3 είναι ελαφρώς διαφορετικός για τις δύο ομάδες. Σε πιο καθαρά νερά δεν υπάρχει σχεδόν καμία διαφορά στο σχήμα των φασμάτων ανάκλασης των κυανοβακτηρίων και των φυκών. Η διακύμανση μεταξύ των ειδών είναι κυρίως στις τιμές ανάκλασης ενισχύονται από την σχετικά υψηλή συγκέντρωση της χλωροφύλλης (30 mg / m3) που χρησιμοποιείται για τη μοντελοποίηση των φασμάτων ανακλαστικότητας, όπως φαίνεται στην Εικόνα 1. Η Εικόνα 2 δείχνει ότι τα φάσματα ανάκλασης των διαφορετικών ειδών είναι σχετικά όμοια όταν χρησιμοποιούνται κανάλια του MODIS 1km. Η κύρια διαφορά μεταξύ των εξεταζόμενων ειδών είναι στις τιμές ανάκλασης και όχι στη μορφή των φασμάτων ανάκλασης. Επομένως, συμπεραίνουμε ότι είναι εξαιρετικά δύσκολο ο MODIS να χρησιμοποιηθεί για τον εντοπισμό κυανοβακτηριακών ανθών.

Εικόνα 4: Μοντέλα φασματικής ανακλαστικότητας των ειδών Cyclotella cryptica (Α) και Nodularia spumigena (Β) (MERIS)

Η Εικόνα 3 δείχνει, ότι η διαμόρφωση των καναλιών MERIS είναι καταλληλότερη για τα θολά παράκτια ύδατα. Στην εικόνα των παράκτιων υδάτων (Εικόνα 3Α) και στα ανοικτά ύδατα της Βαλτικής Θάλασσας (Εικόνα 3Β,) φαίνεται ότι τα κανάλια 6 και 7 του MERIS μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον διαχωρισμό μεταξύ των κυανοβακτηρίων και των φυκών, αν η συγκέντρωση της χλωροφύλλης είναι υψηλή (30 mg / m3 στην περίπτωση της Εικόνας 3). Η καλύτερη διαμόρφωση του μήκους κύματος για τον σκοπό αυτό, πρέπει να είναι σε κεντρικά μήκη κύματος, στα 630 nm και 650 nm, αλλά τα κανάλια 6 και 7 του MERIS είναι πολύ κοντά στο ιδανικό. Η Εικόνα 4 δείχνει πώς η αυξανόμενη ποσότητα βιομάζας, από την άποψη της χλωροφύλλης α, επηρεάζει την ανακλαστικότητα που ανιχνεύεται από τον MERIS στην περίπτωση δύο ειδών: Cyclotella cryptica (Εικόνα 4Α) και του κυανοβακτηρίου Nodularia spumigena (Εικόνα 4Β). Η χαρακτηριστική απορρόφηση φυκοκυανίνης δεν παρατηρείται τόσο καθαρά στη φασματική ανάκλαση του N. Spumigena, όπως συμβαίνει στην περίπτωση άλλων κυανοβακτηρίων (βλέπε Εικόνα 3). Ο λόγος είναι ο χαμηλότερος συντελεστής απορρόφησης και αναδιπλασιασμού της Nodularia ως προς την χλωροφύλλη σε σύγκριση με τους Aphanizomenon και Anabaena. Στη Βαλτική Θάλασσα τιμές χλωροφύλλης πάνω από 4 mg / m3 θεωρούνται σε κατάσταση άνθισης.

Συζήτηση

Δεν είναι πιθανή η ανίχνευση της παρουσίας φυκοκυανίνης με πολυφασματικούς αισθητήρες, όπως ο ALI ή του Landsat. Το μεγαλύτερο μέρος της χαρακτηριστικής απορρόφησης φυκοκυανίνης είναι εκτός του καναλιού 2 (630-690 nm). Τα αποτελέσματα της μοντελοποίησης δείχνουν ότι η αύξηση της ποσότητας των κυανοβακτηρίων στο νερό προκαλεί μεγαλύτερη αύξηση στις τιμές ανάκλασης κοντά στα 650 nm παρά μείωση στην κοντά στα 630 nm. Οι οπτικές ιδιότητες του καθαρού νερού και των φυκών που είναι διαθέσιμες στη βιβλιογραφία, δεν επιτρέπουν την μοντελοποίηση των φασμάτων ανακλαστικότητας πέραν των 750 nm. Η συσσώρευση συσσωματωμάτων κυανοβακτηριακών κυττάρων ακριβώς κάτω από την επιφάνεια του νερού είναι τόσο διαφορετική, που η έκταση των ανθών μπορεί να χαρτογραφηθεί χρησιμοποιώντας σχεδόν οποιοδήποτε όργανο τηλεπισκόπησης. Η χαρτογράφηση της έκτασης κυανοβακτηριακών ανθών βασίστηκε στην υπόθεση, ότι ο, τιδήποτε άλλο δεν μπορεί να προκαλέσει αυξημένο σήμα στις παράκτιες περιοχές της Βαλτικής Θάλασσας, στα μέσα του καλοκαιριού, πέρα από την άνθηση των κυανοβακτηρίων. Το κανάλι 1 του MODIS 250 m (620-670 nm) και η το κανάλι 2 (841-876 nm) είναι ευαίσθητα στις μεταβολές της ποσότητας των κυανοβακτηρίων, όπως έχει αποδειχθεί από τους Kutser et al. (2006) και Reinart και Kutser. Τα αποτελέσματα της μοντελοποίησης δείχνουν ότι πολυφασματικοί αισθητήρες όπως οι ALI, Landsat ή MODIS είναι δύσκολο να διακρίνουν τα ύδατα όπου κυριαρχούν τα κυανοβακτήρια από τα ύδατα που κυριαρχούν άλλα είδη φυκών, καθώς η διαμόρφωση του καναλιού τους δεν επιτρέπει την ανίχνευση χαρακτηριστικών απορρόφησης που προκαλούνται από την φυκοκυανίνη και άλλα φασματικά χαρακτηριστικά που παρουσιάζουν μόνο τα κυανοβακτήρια. Τα κανάλια 6 και 7 του MERIS, επιτρέπουν την ανίχνευση της απορρόφησης φυκοκυανίνης κοντά στα 630 nm και μιας μικρής κορυφής της φασματική ανάκλασης κοντά στα 650 nm, που είναι χαρακτηριστικές μόνο στα ύδατα που κυριαρχούν τα κυανοβακτήρια. Έτσι, ο MERIS μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ταυτοποίηση των κυανοβακτηρίων αν υπάρχουν σε σχετικά μεγάλες ποσότητες.

Συμβολή της Τηλεπισκόπησης

Στην παρούσα εργασία, χρησιμοποιήθηκαν διάφορες τεχνικές τηλεπισκόπησης για την ανίχνευση φυτοπλαγκτονικών ανθών. Η ανίχνευση ανθών είναι σημαντική, ώστε να αποφευχθεί το φαινόμενο του ευτροφισμού, το οποίο προκαλεί προβλήματα όχι μόνο στους υδρόβιους οργανισμούς, αλλά και στην ίδια την ανθρώπινη υγεία.