Αλγόριθμος τηλεπισκόπησης των αιωρούμενων σωματιδίων για την περιοχή της ανατολικής σινικής θάλασσας

Από RemoteSensing Wiki

Αναθεώρηση της 15:49, 29 Ιανουαρίου 2013

Πρωτότυπος Τίτλος: «A regional remote sensing algorithm for total suspended matter in the East Chine Sea »

Συγγραφείς: By Zhihua Mao, Jianyu Chen, Delu Pan, Bangyi Tao, Qiankum Zhu

, posted on July 24t, 2012 in Articles, Remote sensing of Environment 124 (2012) 819-831 

http://www.elsevier.com/locate/rse

«Αλγόριθμος τηλεπισκόπησης των αιωρούμενων σωματιδίων για την περιοχή της ανατολικής σινικής θάλασσας»

Εισαγωγη Η ανατολική σινική θάλασσα (ECS) δέχεται περίπου 486 εκ. τόνους ιζήματα ετησίως από το ποταμό Τσανγκ Γιανγκ και από τους υπόλοιπους που εκβάλουν σε αυτή. Στις παράκτιες περιοχές η συγκέντρωση αιωρούμενων σωματιδίων (TSM) μπορεί να είναι πολύ μεγάλη με τιμές που ξεπερνούν τις 5000 g m-3 . Η μεγάλη περιεκτικότητα μπορεί να οφείλεται σε ιζήματα ή φυτοπλαγκτόν ή σε συνδυασμό των δυο και συνήθως οι οργανικές ύλες είναι πλησίον στις ακτές. Στις νότιες περιοχές η συγκέντρωση TSM παρουσιάζει πολύ χαμηλές τιμές λιγότερο από 0,1 g m-3. Τα αιωρούμενα στοιχεία αποτελούν στοιχείο ανάλυσης καθώς επηρεάζουν το κόστος συντήρησης των λιμενικών έργων, την ποιότητα του νερού και τέλος έχουν σημαντικό ρόλο στον κύκλο του Διοξειδίου του άνθρακα καθώς η μισή ποσότητα οργανικού άνθρακα που περιέχουν εναποτίθεται στον πυθμένα και θάβετε. Με την τηλεπισκόπηση των αιωρούμενων στοιχείων μπορεί να διερευνηθεί η κατανομή και η διασπορά των αιωρούμενων ιζημάτων και τις χλωροφύλλης. Επιπρόσθετα με την επαύξηση των γνώσεων επί των οπτικών ιδιοτήτων των συστατικών του νερού μπορεί να επιτευχτεί τηλεσκοπικό φιλτράρισα των αιωρούμενων στοιχείων ώστε να βελτιωθεί η απόδοση των αλγορίθμων ανάλυσης της συγκέντρωσης χλωροφύλλης στο νερό. Έχουν αναπτυχτεί πολλά μοντέλα για τα αιωρούμενα στοιχεία στηριζόμενα σε εμπειρικές ή ημι-αναλυτικές προσεγγίσεις αυτά όμως παρουσιάζουν κάποια προβλήματα κατά την εφαρμογή τους στην ECS. Στα μοντέλα δορυφορικής τηλεπισκόπησης που στηρίζονται στις εμπειρικές μεθόδους γίνεται χρήση της στατιστικής σχέσης μεταξύ των αιωρούμενων στοιχείων και των ανακλαστικών ιδιοτήτων τους σε 1 ή περισσότερα κανάλια. Σε αυτά έχει παρατηρηθεί ότι στο κανάλι 1 (0,45-0,52μm) γίνεται ανάκλαση από διάφορα είδη αιωρούμενων σωματιδίων εδάφους. Η ιδιότητα αυτή έχει χρησιμοποιηθεί για να απεικονιστούν σε ποταμούς τα αιωρούμενα εδαφικά σωματίδια. Επιπλέον στο κανάλι 5 (0,545-0,565μm) γίνεται ανάκλαση από αιωρούμενα σωματίδια στην θάλασσα όταν αυτό γίνεται εφαρμογή σε μεγάλες περιοχές. Ακόμα έχει αναπτυχτεί ένα αξιόπιστο μοντέλο υποτύπωσης με χρήση του καναλιού TerraBand 1 (0,62-0,67μm) και έχει προταθεί ότι το μήκος κύματος 0,625μm είναι η καλύτερη λύση για τα αιωρούμενα σωματίδια. Τέλος η ανακλαστικοτητα στα 0,681μm έχει προταθεί ως η καλύτερη επιλογή για την τηλεπισκόπηση της θολότητας του νερού. Από τα παραπάνω είναι εμφανές ότι η ανακλαστικότητα των συστατικών των αιωρούμενων σωματιδίων είναι ανάλογη με το μήκος κύματος και ο συνδυασμός των καναλιών μπορεί να βελτιώσει την απόδοση των μοντέλων τηλεπισκόπησης. Ταυτόχρονα είναι φανερό ότι η ευαισθησία στην ανακλαστικότητα των συστατικών των αιωρούμενων σωματιδίων διαφέρει σημαντικά ανάλογα με την συγκέντρωση τους και συνεπώς προτείνεται η χρήση δυο μοντέλων ανάλογα με την κλίμακα συγκέντρωσης που αναγνωρίζεται. Στις ημι-αναλυτικές προσεγγίσεις στηρίζονται στα εν-γένη οπτικά χαρακτηριστικά των συστατικών του νερού. Στις ιδιότητες των συστατικών είναι η απορροφητικότητα και η σκέδαση του καθαρού νερού , των αιρούμενων ιζημάτων και του φυτοπλαγκτόν. Υπάρχουν διάφορες προσεγγίσεις για την εξαγωγή της συγκέντρωσης των αιωρούμενων σωματιδίων, μια από αυτές είναι ότι το φως σκεδάζεται από τα αιωρούμενα σωματίδια και είναι ο κύριος λόγος της μεταβλητότητας της ανάκλασης στα παράκτια νερά. Η απόδοση των μοντέλων μελέτης των TSM αναμένεται να βελτιωθεί με το συνδυασμό των εμπειρικών και ημι-αναλυτικών μεθόδων. Στην μελέτη αυτή το μοντέλο στηρίζεται σε δυο στάδια: Πρώτα κατασκευάστηκαν 4 δείκτες για διαφορετικές περιοχές ανακλώμενου σήματος. Ο ένα δείκτης είναι από ημι-αναλυτική και οι υπόλοιποι από εμπειρική μέθοδο και οι 4 χρησιμοποιούνται για υπολογισμό και παραγωγή σύνθετου υποκατάστατου. Στο δεύτερο στάδιο ο σύνθετος δείκτης συσχετίζεται με την συγκέντρωση TSM και βάση των αποτελεσμάτων παράγεται το νέο μοντέλο. Η απόδοση του μοντέλου πιστοποιείται χρησιμοποιώντας τοπικές μετρήσεις και απεικονίσεις ευρείας θαλάσσιας περιοχής.

Μεθοδολογία Στα πλαίσια της έρευνας έγινα 4 ταξίδια στην θαλάσσια περιοχή προκειμένου να συγκεντρωθούν τα πειραματικά στοιχειά σχετικά με την συγκέντρωση σωματιδίων και την θολότητα του νερού. Η μέτρηση της συγκέντρωσης αιωρούμενων σωματιδίων (TSM) έγινε με μέθοδο ζύγισης δειγμάτων από φύλλα φίλτρων. Η μέτρηση της θολότητας έγινε με χρήση συσκευής με διάφορους αισθητήρα που είχε και την δυνατότητα καταγραφής της χλωροφύλλης. Τα αποτελέσματα έδηξαν μεγάλο εύρος TSM 0,2 έως 8341g m-3 , με τις μεγαλύτερες τιμές να εμφανίζονται το χειμώνα και την άνοιξη. καλοκαίρι και το φθινόπωρο. Επιπλέον από τις μετρήσεις προέκυψε ότι υπάρχει γραμμική σχέση μεταξύ θολότητας με την οπτική σκέδαση του δείγματος για τις τιμές θολερότητας έως 750FTU ενώ για τις τιμές πέρα από αυτό το όριο παρουσιάζεται μη γραμμική σχέση εξάρτησης. Μετρήσεις ανάκλασης έγινα επιτόπου με χρήση αναλυτών φάσματος ASD και SPSR. Αυτοί οι αισθητήρες μετρούν την προσπίπτουσα ακτινοβολία (Es), την ανακλώμενη ακτινοβολία από την επιφάνεια του νερού (Lw), και την ακτινοβολία του ουρανού (Lsky). Με στατιστική ανάλυση των δειγμάτων σε σχέση με δορυφορικές απεικονίσεις SeaWiFS σε 8 κανάλια προέκυψαν σχετικές διαφορές -4.7%, -3.8%, -2,4%, 0,14%, 4,6%, 25,8%, και 10,0% αντιστοίχως. Η διόρθωση της ατμοσφαιρικής ανάκλασης είναι ζωτικής σημασίας για την τηλεπισκόπηση της ανελαστικότητας στην επιφάνεια της θάλασσας. Η τυπική διαδικασία είναι να υπολογιστούν οι παράμετροι σωματιδίων αέρος για να εκτιμηθεί η σκέδαση που προκαλούν στην ακτινοβολία. Η μέθοδος διόρθωσης που περιγράφεται παραπάνω μπορεί να εφαρμοστεί σε δεδομένα SeaWiFS από θολά εως και τα καθαρά νερά με ακριβή αποτελέσματα. Το άλλο πλεονέκτημα της παραπάνω μεθόδου είναι ότι η ανακλαστικότητα εικόνων για τις ζώνες 7 και 8 μπορεί να αξιοποιηθεί. Αυτές οι δύο ζώνες είναι ιδιαίτερα χρήσιμες για το υπολογισμό TSM συγκεντρώσεις σε θολά νερά από τα δορυφορικά δεδομένα.

Συμπεράσματα Η ευαισθησία της τηλεπισκόπησης εξαρτάτε από τα κανάλια που θα επιλεχτούν για το μοντέλο και το εύρος της πυκνότητας των υπό εξέταση αιωρούμενων σωματιδίων. Αναπτύχτηκαν τέσσερις δείκτες που βασίζονται σε διαφορετικούς συνδυασμούς καναλιών έχει αποδειχθεί ότι βελτιώνουν την ευαισθησία. Στο άρθρο προτείνεται μια σύνθετη διαδικασία, η οποία είναι ένας συνδυασμός των τεσσάρων δεικτών, ώστε να μετατρέψει τη μη-γραμμική σχέση, χρησιμοποιώντας το log10 (TSM) σε μια γραμμική σε όλο το εύρος των συγκεντρώσεων TSM. Χρησιμοποιώντας αυτή την διαδικασία, αναπτύχτηκε ένα ισχυρό μοντέλο TSM έχει αναπτυχθεί για την επεξεργασία δορυφορικών δεδομένων για την περιοχή μελέτης της ECS. Η θολερότητα μετρήθηκε και για τις υψηλότερες από 750 FTU τιμές, έγινε βελτιώνει στη γραμμική σχέση με την TSM όποτε χρησιμοποιώντας μια γραμμική εξίσωση μετατρέπεται σε TSM σε gm-3. Ο συντελεστής συσχέτισης για την μετατροπή αυτή είναι 0,954. Δύο σετ σε επιτόπια μέτρηση ανακλαστικότητος (επάνω από το νερό και σε-νερό μεθόδων), συγκρίνονται και τα αποτελέσματα δείχνουν ότι συμφωνούν καλά με μια σχετική διαφορά του 4,5%. Η διόρθωση του SeaWiFS λόγω της ατμοσφαιρικής διάθλασης είναι ζωτικής σημασίας για την ανάκτηση TSM στις παράκτιες περιοχές και αναπτύχτηκε μία πρακτική μέθοδος που πολιτικοποιεί αυτό το φαινόμενο, με μία μέση σχετική διαφορά του 9,46%. Τα μοντέλα μέτρησης TSM που βασίζονται σε εμπειρικές μεθόδους έχουν αποδειχθεί ότι είναι πρακτικά στην επεξεργασία των δορυφορικών δεδομένων τηλεπισκόπησης, αν και τα μοντέλα ημι-χειροκίνητης αναλυτικής προσέγγισης μπορούν να χαρτογραφήσουν την TSM κατανομή πιο αποτελεσματικά. Το μοντέλο CPTSM ενσωματώνει τα θετικά χαρακτηριστικά από τις δύο αυτές προσεγγίσεις μέσα στην διαδικασία proxy. H απόδοση του μοντέλου CPTSM αξιολογείται με τη χρήση in situ μετρήσεις κατά τη διάρκεια των 4 πειραματικών ταξιδιών το 2006 και το 2007. Το μέσο σχετικό σφάλμα είναι 23% και ο συντελεστής συσχέτισης είναι 0.91. Οι συγγραφείς προτείνουν να χρησιμοποιηθεί το μοντέλο CPTSM να παρακολουθεί η συγκεντρωση TSM στην ECS η οποία χαρακτηρίζεται από ένα ευρύ φάσμα συγκέντρωσης εύρος συγκεντρώσεων από TSM νερά σε μεγάλο βαθμό θολά νερά. Το μοντέλο CPTSM μπορεί να επεκταθεί σε άλλους απομακρυσμένους μοντέλα ανιχνεύσεως, όπως αυτές για τον προσδιορισμό η συγκέντρωση της χλωροφύλλης ή CDOM. Ένα κρίσιμο σημείο είναι η δημιουργία των δεικτών που μπορεί να αντιπροσωπεύει μια σειρά από ευαισθησίες της σχέσης μεταξύ των συστατικών του νερού και της ανακλάσεως. Μόλις η δείκτες δημιουργούνται, μια proxy μέθοδος μπορεί να σχεδιαστεί για να μετατρέψετε τη μη-γραμμική σχέση μεταξύ των συστατικών και της ανακλαστικότητας του νερού σε μια γραμμική. Τέλος, μια ισχυρό μοντέλο τηλεπισκόπησης μπορεί να δημιουργηθεί από την παραγόμενη διαδικασία proxy.