Συγκριτική ανάλυση τεσσάρων μοντέλου υπολογισμού Χλωροφύλλης – α σε επιπέδου – 2 ύδατα με τη χρήση εικόνων MODIS

Από RemoteSensing Wiki

Αναθεώρηση της 22:59, 16 Φεβρουαρίου 2018

Συγκριτική ανάλυση τεσσάρων μοντέλου υπολογισμού Χλωροφύλλης – α σε επιπέδου – 2 ύδατα με τη χρήση εικόνων MODIS

Πρωτότυπος τίτλος: Comparative Analysis of Four Models to Estimate Chlorophyll-a concentration in case-2 waters using MODerate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) imagery

Συγγραφείς: Anas El – Alem, Karem Chokmani, Isabelle Laurion and Sallah E. El - Adlouni

Δημοσιεύθηκε: Remote Sensing, 2012, 4, 2373-2400

Eικόνα 1:Οι υπο – μελέτη λίμνες

Η βιώσιμη διαχείριση των υδάτινων πόρων απέκτησε πραγματικό ενδιαφέρον για τη διεθνή κοινότητα πριν από μερικές δεκαετίες. Αν και ο Καναδάς κατέχει το 9% της ανανεώσιμης προσφοράς γλυκού νερού για το 0,5% του παγκόσμιου πληθυσμού, αυτός ο πολύτιμος πόρος πρέπει να αντιμετωπιστεί υπεύθυνα. Σε παγκόσμιο επίπεδο, η προέλευση της φθοράς οφείλεται εν μέρει στην υποβάθμιση της ποιότητας των υδάτων που προκαλείται από την ανάπτυξη επιβλαβών φυκιών των αλγών (HABs), όπως οι κυανοβακτηριακές ανθοφορίες. Η αυξανόμενη ανάπτυξη τέτοιων HABs αντανακλά την προηγμένη κατάσταση του ευτροφισμού του υδάτινου οικοσυστήματος που προκαλείται από αστικές, γεωργικές και βιομηχανικές εξελίξεις.

Μόλις εγκατασταθούν σε λίμνες, δηλαδή σε ύδατα επιπέδου 2 (επιπέδου 1 είναι οι ωκεανοί), οι κυανοβακτηριακοί πληθυσμοί είναι εξαιρετικά δύσκολο να ελεγχθούν. Ο συνηθέστερος τρόπος ανίχνευσης της παρουσίας ανθοφορίας είναι η δειγματοληψία in situ, δηλαδή στο πεδίο. Ωστόσο, ούτε η χωρική κατανομή ούτε η χρονική συχνότητα τέτοιων προγραμμάτων παρακολούθησης επαρκούν για την ανίχνευση της έκτασης, της έντασης και της διάρκειας των HABs σε υδάτινα σώματα και για μια χώρα όπως ο Καναδάς που καλύπτει μια πολύ μεγάλη περιοχή με μεγάλο αριθμό λιμνών. Η επί τόπου δειγματοληψία και οι αναλύσεις δειγμάτων είναι επίπονες και τα αποτελέσματα που λαμβάνονται συχνά είναι δύσκολο να ερμηνευθούν λόγω της ετερογενούς χωρικής κατανομής και της αιφνίδιας ανόδου και πτώσης των αλγών.

Eικόνα 2:Τα σημεία δειγματοληψίας για την κάθε λίμνη

Η τηλεπισκόπηση, με την συνοπτική προβολή, την συνεπή επανάληψη και την ικανότητά της να παρέχει πληροφορίες σε ένα ευρύ φάσμα μηκών κύματος, αντιπροσωπεύει μια ελκυστική εναλλακτική μέθοδο για την παρακολούθηση των ανθών. Δορυφορικοί αισθητήρες που παρέχουν δεδομένα σε ορατά και κοντά σε υπέρυθρα (NIR) μήκη κύματος μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την εκτίμηση της συγκέντρωσης χλωροφύλλης-α (Chl-a) με βάση την υψηλή απορρόφηση του μπλε και του κόκκινου μέρους του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος και την υψηλή ανακλαστικότητα του πράσινου και του κοντινού υπέρυθρου (NIR).

Για αυτή τη μελέτη που εκπονήθηκε στο πλαίσιο της εργασίας αυτής, λόγω του μεγάλου αριθμού ημερών με κάλυψη σύννεφων πάνω από τις επιλεγμένες λίμνες και του σχετικά χαμηλού αριθμού επιτόπιων μετρήσεων, επιλέξαμε να χρησιμοποιούνται δεδομένα MODIS (επανάληψη χρόνου 1 ημέρας) προκειμένου να συγκεντρωθούν αρκετά δεδομένα για τη βαθμονόμηση και την επικύρωση του τελικού μοντέλου. Σκοπός, είναι η αξιολόγηση της απόδοσης των τριών βιο-οπτικών μοντέλων που χρησιμοποιούνται πιο συχνά στη βιβλιογραφία (Kahru, Gitelson και FAI (Floating Algae Index)) και μιας νέας προσέγγισης που ονομάζεται APPEL (APProach by ELimination) Chl-a σε μια σειρά από λίμνες στο νότιο τμήμα της επαρχίας του Κεμπέκ. Οι λίμνες αυτές είναι ο Μισισκουί Μπέι της λίμνης Champlain, η λίμνη Brome, η λίμνη William και η λίμνη Nairne, με επιφάνειες 45, 41, 4 και 2 km2, αντίστοιχα (Εικόνα 1). Οι λίμνες αυτές αποτελούν μέρος ενός προγράμματος για την παρακολούθηση υδάτινων σωμάτων με υποτροπιάζουσες κυανοβακτηριακές ανθοφορίες που διεξήγαγε το Υπουργείο Ανάπτυξης για τη Διατήρηση του Περιβάλλοντος και των Πάρκων. Τα δεδομένα συλλέχθηκαν σε μια περίοδο 9 ετών (2000 έως 2008) σε διάφορες θέσεις στις τέσσερις λίμνες (Εικόνα 2) και περιλάμβαναν κυανοτοξίνες (ισοδύναμη ολική μικροκυττίνη-LR και ανατοξίνη-α), χρωστικές άλγες (Chl-a, α), αφθονία φυτοπλαγκτού και φυσικοχημικά χαρακτηριστικά του νερού στη λίμνη (ολικός φωσφόρος, ολικό άζωτο, ρΗ, θολότητα, βάθος Secchi, θερμοκρασία επιφάνειας).

Οι αλγόριθμοι που χρησιμοποιήθηκαν όπως προαναφέρθηκε είναι το μοντέλο Kahru, ο δείκτης FAI, το μοντέλο Gitelson και η μέθοδος APPEL (Approach by Elimination). Οι πρώτες 3 μέθοδοι είναι εμπειρικές ενώ η 4η αναπτύχθηκε από το εργαστήριο τηλεπισκόπησης του Εθνικού Κέντρου Επιστημονικής Έρευνας (INRS).

1) Μοντέλο Kahru

Το ημι-αναλυτικό μοντέλο του Kahru χρησιμοποιεί το κόκκινο και κοντινό υπέρυθρο τμήμα του φάσματος. Ο Kahru πρότεινε τη σύνθεση των καναλιών 1,3 και 4του MODIS διότι είναι τα πιο ευαίσθητα στις αλληλεπιδράσεις με τη χλωροφύλλη. Στο έγχρωμο σύνθετο που προκύπτει διακρίνονται εύκολα τα άνθη και επίσης προτάθηκε ο υπολογισμός της θολερότητας των υδάτων που προκαλείται από τη βιομάζα των αλγών αφαιρώντας το κανάλι 2 από το κανάλι 1. Ο δείκτης θολερότητας είναι χρησιμοποιείται για την εκτίμηση της χλωροφύλλης – α στα νερά.

2) Δείκτης FAI (Floating Algae Index)

Eικόνα 3:Ο μαθηματικός τύπος υπολογισμού του FAI

Ο δείκτης FAI ορίζεται ως η διαφορά των τιμών ανακλαστικότητας στο κοντινό υπέρυθρο προς τη διορθωμένη ανακλαστικότητα στο ίδιο φάσμα με βάση το κόκκινο και το βραχυκυματικό υπέρυθρο (εικόνα 3). Η διορθωμένη ανακλαστικότητα περιλαμβάνει τις τιμές που προκύπτουν από τη γραμμική παρεμβολή κόκκινου και βραχυκυματικού υπέρυθρου και για τον MODIS είναι λ(red) = 645 nm, λ(NIR) = 859 nm και λ(SWIR)=1.240 nm.

3) Μοντέλο Gitelson

Οι αρχές του μοντέλου Gitelson βασίζονται στη σχέση μεταξύ της ανακλαστικότητας με τις σταθερές συνολικής απορρόφησης και σκέδασης.

Eικόνα 4:Ο μαθηματικός τύπος του μοντέλου Gitelson

Η σταθερά γ εξαρτάται από την ακτινοβολία που εκπέμπεται από το νερό, το bb είναι η σταθερά για τη σκέδαση και το atot(λ) είναι το άθροισμα των σταθερών απορρόφησης των κελιών των φυτοπλαγκτόν. Για της ανάγκες της εργασίας το μοντέλο τροποποιήθηκε. Ενώ προτείνεται η χρήση των καναλιών 1 και 2, στα δεδομένα του MODIS αντιμετωπίστηκαν προβλήματα στην εφαρμογή του, γιατί το κανάλι 2 σύμφωνα με το μοντέλο απορροφά βέλτιστα τη χλωροφύλλη, όμως στον MODIS αυτό γίνεται στο κανάλι 1. Συνεπώς χρησιμοποιήθηκαν το κανάλι 1,ως βέλτιστο και τα κανάλια 3 και 4 σαν συμπληρωματικά του 2.

4) Μέθοδος APPEL (Approach by Elimination)

Eικόνα 5:Ο μαθηματικός τύπος για τη μέθοδο APPEL

Οι αρχές της μεθόδου APPEL είναι παρόμοιες με αυτές του μοντέλου Gitelson. Όλα τα κανάλια του MODIS χρησιμοποιούνται για εντοπισμό χλωροφύλλης, το κάθε ένα εντοπίζει διαφορετικά ποσοστά με βάση το εύρος του φάσματος στο οποίο εντάσσεται. Η μέγιστη ανακλαστικότητα του φυτοπλαγκτόν είναι στο κοντινό υπέρυθρο όπου το νερό έχει την ελάχιστη αντανάκλαση. Η μέθοδος εκφράζεται μαθηματικά (εικόνα 5) και χρησιμοποιεί τη μέγιστη τιμή ανακλαστικότητας για να ελαχιστοποιήσει τις παραμέτρους που μπορεί να προκαλέσουν πρόβλημα στον εντοπισμό και εκτίμηση της άλγης. Για παράδειγμα, για να ελαχιστοποιηθεί η επιρροή των ολικών αιωρούμενων στερεών (TSS), χρησιμοποιείται το κανάλι που τα εντοπίζει βέλτιστα και εφαρμόζεται η τεχνική particle backscattering. Η οποία ελαχιστοποιεί παραμέτρους με βάση τις τιμές ανακλαστικότητας (εικόνα 6) του ζητούμενου αντικειμένου για εντοπισμό.

Eικόνα 6:Απλοποιημένο γράφημα ανακλαστικότητας νερού και φυτοπλαγκτόν

Αφού εφαρμόστηκαν όλες οι μεθοδολογίες, έγινε ο έλεγχος εγκυρότητας των αποτελεσμάτων. Για τον έλεγχο χρησιμοποιήθηκαν ο συντελεστής προσδιορισμού (R2), η σχετική μεροληψία (BIASr), το σχετικό μέσο τετραγωνικό σφάλμα ρίζας (RMSEr) και η σχετική απόδοση Nash-Sutcliffe (Nr). Η τελευταία μέθοδος ελέγχει την αποδοτικότητα του μοντέλου συγκρίνοντας την εγκυρότητα των εκτιμώμενων τιμών με την μέση τιμή των παρατηρούμενων τιμών σε όλο το σύνολο των δεδομένων.

Σύνδεσμος πρωτότυπου κειμένου: [1]