Φασματική Αναγνώριση Κοραλλίων

Από RemoteSensing Wiki

---

Αναθεώρηση της 22:01, 14 Φεβρουαρίου 2017

Φασματική αναγνώριση κοραλλιών

Original Title: Spectral reflectance of coral reef bottom-types worldwide and implications for coral reef remote sensing

Συγγραφείς: Eric J. Hochberga,*, Marlin J. Atkinsona, Serge Andrefouetb a University of Hawaii, School of Ocean and Earth Science and Technology, Hawaii Institute of Marine Biology, P.O. Box 1346, Kaneohe, HI 96744, USA b University of South Florida, College of Marine Science, Institute for Marine Remote Sensing, St. Petersburg, FL, USA

Πηγή: Elsevier Science Inc.

Περίληψη Οι κοραλλιογενείς βενθικές κοινότητες σε υφάλους είναι μωσαϊκά των μεμονωμένων υπο-ειδών που διακρίνονται από ταξινομική σύνθεση και λειτουργικό ρόλο στο οικοσύστημα. Η γνώση της δομή τους είναι απαραίτητη για την κατανόηση πολλών διαδικασιών στον ύφαλο. Η ανάπτυξη τεχνικών για τον εντοπισμό και τη χαρτογράφηση των υπο-τύπων του υφάλου με τη χρήση της τηλεπισκόπησης, διακρίνει 12 τύπους βυθού στον Ατλαντικό, Ειρηνικό και τον Ινδικό Ωκεανό. Κάθε τύπος παρουσιάζει τυπικά χαρακτηριστικά φασματικής ανάκλασης, που είναι σταθερά σε όλες τις βιογεωγραφικές περιοχές. Η συνάρτηση αναλυτικής ταξινόμησης για τα 12 είδη βυθού επιτυγχάνει μια μέση ακρίβεια 83%, 76% και 71% για το πλήρες φάσμα των δεδομένων (301-μήκος κύματος), μήκους κύματος 52 και υπο-μήκους κύματος 14, αντίστοιχα. Τα διακριτικά φασματικά χαρακτηριστικά για τους 12 τύπους βυθού είναι σαφώς καθορισμένα σε στενή (10-20 nm) περιοχή μήκους κύματος και είναι πανταχού παρούσα σε όλο τον κόσμο. Θεωρούμε ότι τα χαρακτηριστικά φασματικής ανακλαστικότητας προκύπτουν κυρίως ως αποτέλεσμα των διαδικασιών φασματικής απορρόφησης. Η μοντελοποίηση της μεταφοράς ακτινοβολίας δείχνει ότι συνήθως οι υδάτινοι κοραλλιογενείς ύφαλοι, ως σκούρα υποστρώματα, όπως τα κοράλλια, έχουν βάθος όριο ανίχνευσης περίπου 10-20 m. Τα αποτελέσματά μας παρέχουν τη βάση για το σχεδιασμό ενός αισθητήρα για την αξιολόγηση της συνολικής κατάστασης των κοραλλιογενών υφάλων. Εισαγωγή Μπορεί να θεωρηθεί ότι όλες οι κοραλλιογενείς κοινότητες είναι απλά συνδυασμοί ενός ολοκληρωμένου συνόλου διαφορετικών τύπων βυθού. Η ποσοτικοποίηση της δομής των βενθικών κοινοτήτων είναι κεντρική για την κατανόηση της λειτουργίας του οικοσυστήματος στον κοραλλιογενή ύφαλο. Οι αναφορές για την υποβάθμιση των υφάλων σε όλο τον κόσμο τροφοδοτούν το ενδιαφέρον-και τη συζήτηση σχετικά με τις αιτίες των-χρονικών μετατοβολών της δομής των κοινοτήτων των υφάλων σε μεγαλύτερη χρονική κλίμακα. Η ψηφιακή τηλεπισκόπηση είναι η πλέον αποδοτική μέθοδος για το σκοπό αυτό και η μόνη ικανή να παρέχει δεδομένα σε παγκόσμια κλίμακα. Στόχος είναι η ανάπτυξη τεχνικών τηλεπισκόπησης για τον εντοπισμό, διάκριση και ποσοτικοποίηση της χωρικής κατανομής των διαφορετικών τύπων βυθού των υφάλων. Σε κάθε περίπτωση για την εκτίμηση της δομής ενός υφάλου είναι απαραίτητο το σύστημα τηλεπισκόπησης να έχει τη δυνατότητα να διακρίνει φασματικά μεταξύ των διαφορετικών τύπων βυθού των υφάλων. Δεδομένης όμως της τριακονταετούς ιστορίας τηλεπισκόπησης υφάλων σήμερα υπάρχουν παγκοσμίως εντυπωσιακά λίγα και αποσπασματικά δεδομένα για τη φασματική ανάκλαση (R) τύπων βυθών υφάλων. Στόχοι μας είναι (1) να προσδιοριστεί η φασματική ανάκλαση για τους διαφορετικούς τύπους βυθών υφάλων ανά τον κόσμο και (2) να καθορισθεί η φασματική διακριτότητα των τύπων βυθού. Χρησιμοποιήσαμε ένα φορητό φασματογράφο για τη μέτρηση 13.100 επιτόπιων R σε 11 τοποθεσίες που βρίσκονται σε 4 μεγάλες βιογεωγραφικές περιοχές υφάλων σε όλο τον κόσμο και σε βάθη από 0 ως 15 m. Αντιστοιχίσαμε κάθε μετρούμενο R σε ένα συνδυασμό στοιχειωδών τύπων βυθού υφάλων, που ορίζονται πρωτογενώς από μία συνάρτηση στο σύστημα του υφάλου, αλλά και από την ταξινομία και το εμφανές χρώμα του υφάλου. Βρήκαμε ότι κάθε τύπος βυθού εμφανίζει διακριτά χαρακτηριστικά του R που υπάρχουν σε καλά ορισμένα και στενά εύρη του μήκους κύματος και τα οποία είναι συντηρητικά στις διαφορετικές βιογεωγραφικές περιοχές. Η ανάλυση ταξινόμησης αποδεικνύει ότι οι τύποι βυθού είναι στατιστικά διακριτοί και αναγνωρίσιμοι στη βάση του φάσματος ανάκλασης του. Θεωρούμε ότι οι ιδιότητες του R προκύπτουν ως αποτέλεσμα των διαδικασιών φασματικής απορρόφησης. Σε υφάλους με τυπικά καθαρά νερά τα σκούρα υποστρώματα, όπως τα κοράλλια, έχουν ένα όριο βάθους εντοπισμού 10 - 20 m. Τα αποτελέσματα μας παρέχουν τη βάση για ποσοτική τηλεπισκόπηση της δομής της κοινότητας χρησιμοποιώντας σταθερά κριτήρια για υφάλους παγκοσμίως. Μέθοδος Η κατηγοριοποίηση των τύπων βυθού ακολούθησε το παρακάτω σχήμα. Το κοράλλια, τα άλγη και η άμμος είναι πρωταρχικού ενδιαφέροντος για την εκτίμηση της κατάστασης του υφάλου και για αυτό είναι με έντονα γράμματα. Οι υπόλοιποι τύποι βυθού παρέχουν πληροφορίες για διάφορες διαδικασίες εντός του υφάλου. Η παγκόσμια κατανομή των τοποθεσιών μέτρησης του R περιελάμβανε 11 τοποθεσίες (St.Croix, Puerto Rico, Florida Keys, Oahu, Maui, Rangiroa, Moorea, Palau, Bali, Mayotte και το Waikiki Aquarium), που ανήκουν στις ευρύτερες βιογεωγραφικές περιοχές της Καραϊβικής, των νησιών της Χαβάη, του Κεντρικού Ειρηνικού και του Ινδο-δυτικού Ειρηνικού, όπως φαίνεται στο σχήμα, όπου οι γκρι κουκίδες αντιπροσωπεύουν τοποθεσίες μέτρησης και οι σκιάσεις τις βιογεωγραφικές περιοχές. Από τα αποτελέσματα των μετρήσεων προέκυψε, όπως φαίνεται στο σχήμα που ακολουθεί, ότι κάθε τύπος βυθού παρουσιάζει τα δικά του ιδιαίτερα χαρακτηριστικά για το R και μάλιστα αυτά ήταν συνεπή σε όλες τις βιογεωγραφικές περιοχές. Για τον προσδιορισμό της φασματικής διακριτότητας των τύπων βυθού πραγματοποιήθηκε μια ανάλυση κατηγοριοποίησης με τη μέθοδο διαχωρισμού (Rencher, 1995), στην οποία τα μισά R κάθε κλάσης χρησιμοποιήθηκαν για την εκπαίδευση μιας γραμμικής συνάρτησης κατηγοριοποίησης και τα υπόλοιπα μισά για τον έλεγχο της ακρίβειας της κατηγοριοποίησης. Στο ακόλουθο σχήμα φαίνονται οι διαφορές των φασμάτων των τύπων βυθού. Κάθε γραμμή αντιστοιχεί σε ένα από τους 12 τύπους βυθού και δείχνει τη συχνότητα εμφάνισης της δεύτερης παραγώγου των τοπικών μεγίστων για όλες τις βιογεωγραφικές περιοχές. Ανοιχτότερα γκρι (προς άσπρο) αντιστοιχούν σε υψηλότερη συχνότητα εμφάνισης (βλέπε χρωματική κλίμακα). Σε κάθε τύπο βυθού τα φασματικά χαρακτηριστικά συγκεντρώνονται σε στενό εύρος μήκους κύματος δηλώνοντας παγκόσμια συνέπεια στο R. Όλοι οι τύποι βυθού δείχνουν φασματικά χαρακτηριστικά κοντά στα 600 και 650 nm, ενώ οι περισσότερες διαφορές μεταξύ τους εμφανίζονται σε μήκη κύματος <=570 nm. Συζήτηση Τα αποτελέσματα αντιπροσωπεύουν ένα άνω όριο για την ακρίβεια της φασματικής κατηγοριοποίησης, επειδή η επιτόπια μέτρηση του R είναι ανεξάρτητη από την απορρόφηση και τη σκέδαση εντός της ατμόσφαιρας και της στήλης νερού. Αυτές οι διαδικασίες αλλοιώνουν το φάσμα του σήματος της επιφάνειας του υφάλου πριν αυτό ληφθεί από τον απομακρυσμένο αισθητήρα και απαιτείται περαιτέρω έρευνα για να αναπτυχθούν μέθοδοι ανάσχεσης των επιπτώσεων τους. Ένας σημαντικός παράγοντας που δεν έχει ακ΄μα διερευνηθεί λεπτομερώς (εκτός από see Maritorena et al., 1994) είναι το βάθος στο οποίο ο βυθός δεν είναι πλέον ανιχνεύσιμος. Θεωρώντας μόνο τη στήλη νερού και το βυθό, αυτό το όριο βάθους ανίχνευσης (zlim) είναι συνάρτηση του R και των οπτικών ιδιοτήτων της στήλης νερού, που με τη σειρά τους είναι συναρτήσεις του μήκους κύματος. Διερευνήθηκε η συμπεριφορά του zlim σε σχέση με τις οπτικές ιδιότητες της στήλης νερού με χρήση του μοντέλου Hydrolight 4.1 (C.D. Mobley and L.K. Sundman, Sequoia Scientific, Redmond,WA, USA). Στο σχήμα που ακολουθεί παρουσιάζεται το λειτουργικό όριο βάθους ανίχνευσης zlim για τρεις περιπτώσεις κατάστασης νερού. Βαθύτερα από το zlim οι αντίστροφοι υπολογισμοί μεταφοράς ακτινοβολίας δεν μπορούν να αναπαραστήσουν τη ανακλαστική υπογραφή του βυθού. Σε δεδομένο μήκος κύματος το zlim είναι συνάρτηση της διαύγειας του νερού και του μεγέθους της ανακλαστικότητας του βυθού. Αυτές οι περιπτώσεις του zlim έχουν υπολογιστεί για το καφέ ερματυπικό κοραλλιογενή βυθό, αλλά αυτά τα αποτελέσματα είναι επεκτάσιμα και σε άλλους τύπους βυθού, επειδή οι περισσότεροι έχουν R περίπου της ίδιας τάξης μεγέθους.