Καταγραφή της μεταβλητότητας της διαύγειας του παράκτιου νερού με τον Landsat 8

Από RemoteSensing Wiki

Αναθεώρηση της 22:37, 4 Φεβρουαρίου 2020

Καταγραφή της μεταβλητότητας της διαύγειας του παράκτιου νερού με τον Landsat 8

Πρωτότυπος τίτλος: Capturing coastal water clarity variability with Landsat 8 Συγγραφείς: Kelly M.A. Luisa a*, Jennie E. Rheuban b*, Maria T. Kavanaugh c*, David M. Glover b*, Jianwei Wei a*, Zhongping Lee a*, Scott C. Doney b*,d*

a* School for the Environment, University of Massachusetts Boston, Boston, MA, USA

b* Department of Marine Chemistry and Geochemistry, Woods Hole Oceanographic Institution, Woods Hole, MA 02543, USA

c* College of Earth, Ocean, and Atmospheric Sciences, Oregon State University, Corvallis, OR 97330, USA

d* Department of Environmental Sciences, University of Virginia, Charlottesville, VA 22904, USA

Δημοσιεύθηκε: Marine Pollution Bulletin, Αύγουστος 2019

Σύνδεσμος πρότυπου κειμένου: [1]

Λέξεις-Κλειδιά: Ποιότητα νερού, Βάθος δίσκου Secchi, Landsat 8

Εικόνα 1: Εικόνα Landsat 8 με τις τέσσερις περιοχές μετρήσεων

Εικόνα 2: L8 ZSD χάρτης για το Buzzards Bay

Εικόνα 3: L8 ZSD χάρτης για το Cape Cod Bay

Εικόνα 4: L8 ZSD χάρτης για το Upper Narragansett Bay

Αντικείμενο Εφαρμογής

Σε αυτή την μελέτη χρησιμοποιήθηκαν τα βάθη των δίσκων Secchi (ZSD) τεσσάρων παράκτιων υδάτινων οικοσυστημάτων για την επαλήθευση των ZSD που αποκτήθηκαν από τις εικόνες του Landsat 8 (L8) με σκοπό την δημιουργία χαρτών υψηλής χωρικής ανάλυσης ZSD και συνεπώς την βελτιωμένη παρακολούθηση της ποιότητας των παράκτιων υδάτων.

Εισαγωγή

Τα παράκτια οικοσυστήματα απαιτούν συστηματικές παρατηρήσεις για την καταγραφή των χωρο-χρονικών μεταβολών της διαύγειας των υδάτων τους. Oι επιτόπιες μετρήσεις της διαύγειας του νερού παρέχουν λεπτομερείς και ακριβής μετρήσεις αλλά πολλές φορές η κάλυψή τους περιορίζεται στο χώρο και στον χρόνο λόγω κόστους και υλικοτεχνικών υποδομών. Η τηλεπισκόπηση μπορεί να καλύψει αυτά τα χωρικά και χρονικά κενά που προκύπτουν. Ο Landsat 8, έχει χωρική ανάλυση 30m, η οποία επιτρέπει συνοπτικές παρατηρήσεις σε μικρές λίμνες, κολπίσκους και λιμάνια. Η εφαρμογή των Landsat απεικονίσεων στα εσωτερικά, στα ποτάμια και στα παράκτια ύδατα οδήγησε στην ανάπτυξη αλγορίθμων ποιότητας νερού με στόχο την απόκτηση ποσοτικών βιογεωχημικών πληροφοριών, όπως η χλωροφύλλη, η χρωματισμένη διαλυμένη οργανική ύλη, οι αιωρούμενες σωματιδιακές ουσίες και η διαύγεια του νερού. Η διαύγεια των υδάτων είναι ένα καλός δείκτης για την συνολική ποιότητα των υδάτων και μπορεί να προσδιοριστεί εύκολα από τον δίσκο του Secchi διαμέτρου 30 cm. Κάποιος μπορεί να μετρήσει την διαύγεια των υδάτων βυθίζοντας τον δίσκο του Secchi μέσα στο νερό μέχρι το σημείο που δεν θα τον βλέπει πια από την επιφάνεια. Αυτό το σημείο ονομάζεται βάθος του δίσκου του Secchi (ZSD). To ZSD καθορίζεται από την ποσότητα του φυτοπλαγκτόν, τη διαλυμένη οργανική ύλη και τα ανόργανα σωματίδια στη στήλη του ύδατος. Για την κατανόηση του ZSD με μεθόδους τηλεπισκόπησης προτάθηκε ένα νέο μοντέλο που συσχετίζει τον ZSD με τον συντελεστή διάχυτης εξασθένησης. Το μοντέλο αυτό βαθμονομήθηκε από επιτόπιες μετρήσεις του ZSD σε ωκεάνια, παράκτια και εσωτερικά ύδατα και εφαρμόστηκε στα τέσσερα υδατικά παράκτια οικοσυστήματα της Εικόνας 1. Οι μεταβολές στην εποχικότητα και τη βαθυμετρία, καθιστούν αυτές τις περιοχές ιδανικές θέσεις για την αξιολόγηση της ακρίβειας του αλγορίθμου L8 ZSD. Αυτή η μελέτη αποδεικνύει την χρησιμότητα της εφαρμογής του νέου αυτού αλγορίθμου για την διαύγεια του νερού και τονίζει την ικανότητα των εικόνων L8 να διευρύνουν την κατανόησή μας για τις διαχρονικές διακυμάνσεις της διαύγειας του θαλάσσιου νερού.

Μεθοδολογία-Ανάλυση

1. Επιτόπιες μετρήσεις ZSD

Οι επιτόπιες μετρήσεις του ZSD συλλέχθηκαν από προγράμματα παρακολούθησης της ποιότητας του νερού στο Boston Harbor, Buzzards Bay, Cape Cod Bay και τον κόλπο Narragansett. Το ZSD καταγράφηκε ως το βάθος που ο δίσκος Secchi δεν είναι πλέον ορατός από κάποιο άτομο που βρίσκεται στην επιφάνεια. Οι επιτόπιες μετρήσεις του ZSD αρχίσαν τον Απρίλιο του 2013 μέχρι τον Δεκέμβριο του 2017 για να αντιστοιχούν με τις μετρήσεις του L8 (Landsat 8).

2. Δορυφορικά δεδομένα

Για την μελέτη αυτή ανακτήθηκαν συνολικά 58 εικόνες καθαρού ουρανού L8 από τον Απρίλιο του 2013 μέχρι τον Δεκέμβριο 2017 από το Earth Explorer. Οι εικόνες του επιπέδου 1 υποβλήθηκαν σε επεξεργασία με το SeaDAS για τη δημιουργία τηλεσκοπικής ανακλαστικότητας (Rrs, sr-1). Για την ατμοσφαιρική διόρθωση, χρησιμοποιήθηκε ο αλγόριθμός NIR-SWIR. Τα προϊόντα Rrs υποβλήθηκαν σε περαιτέρω επεξεργασία με τον Quasi-Analytical αλγόριθμο για να προκύψουν οι συντελεστές συνολικής απορρόφησης a και οπισωσκέδασης bb με βάση τους οποίους προέκυψε ο συντελεστής διάχυτης απόσβεσης Kd (m-1).

3. Αλγόριθμος L8 ZSD

To ZSD στην μελέτη αυτή εκφράζεται από την παρακάτω σχέση:

Όπου όπου Kd αντιπροσωπεύει τον ελάχιστο συντελεστή διάχυτης εξασθένησης ενός υδατικού οικοσυστήματος στην ορατή περιοχή (400-700 nm) και Rrs την αντίστοιχη τηλεσκοπική ανακλαστικότητα στο ίδιο μήκος κύματος. Ο Kd μπορεί εύκολα να προσδιοριστεί με την εισαγωγή διαφορετικών ζωνών του Rrs στο ορατό. Επειδή ο L8 έχει μόνο τέσσερις φασματικές ζώνες (443, 482, 561 και 670 nm) στο ορατό φάσμα, για να γεμίσει το φασματικό κενό μεταξύ 482 nm και 561 nm αναπτύχθηκε μια εμπειρική σχέση για την εκτίμηση του συντελεστή διάχυτης εξασθένησης στα 530 nm (Kd (530)) με σκοπό την βελτίωση του προσδιορισμού του ελαχίστου Kd στο ορατό φάσμα.

4. Επαλήθευση

Οι τιμές ZSD του δορυφόρου L8 επαληθεύθηκαν από τις επιτόπιες μετρήσεις των τιμών ZSD για τις ίδιες μέρες από το 2013 έως το 2017.

Αποτελέσματα

1. Σύγκριση επιτόπιων μετρήσεων ZSD και L8 ZSD για την ίδια ημέρα

Οι παρατηρούμενες τιμές διαφέρουν σημαντικά τόσο για την χλωροφύλλη (0,38-68,9 mg/m3) όσο και για την θολερότητα (0,1-77,4 NTU). Αν και η χλωροφύλλη δεν είναι ο μόνος δείκτης διαύγειας του νερού, ήταν το μόνο μακροχρόνια, οπτικά μεταβλητό συστατικό που παρείχε στοιχεία σχετικά με την διαύγεια του νερού. Ωστόσο, παρά τις διαφορές στο υποκείμενο νερό, την εποχή του χρόνου και στις επιτόπιες μετρήσεις των διάφορων παρατηρητών, υπήρξε καλή συμφωνία του ZSD (επιτόπιο έναντι L8 ZSD) μεταξύ των περιοχών του Buzzards Bay, Cape Cod Bay, Narragansett Bay. Οι διαφορές μεταξύ των επιτόπιων και των L8 ZSD πιθανότατα σχετίζονταν με τις μεθόδους ατμοσφαιρικής διόρθωσης, την ακρίβεια του Quasi-Analytical αλγορίθμου και τη χωρική μεταβλητότητα της διαύγειας του νερού.

2. Διακύμανση της εμβέλειας του ZSD

Οι τιμές του L8 ZSD κατέγραψαν το εύρος και την κατανομή της διαύγειας του νερού που παρατηρείται κατά μήκος των Boston Harbor, Buzzards Bay, Cape Cod Bay, and Narragansett Bay και με βάση αυτό αξιολογήθηκε ο L8 ZSD αλγόριθμος και για τις 58 εικόνες . Στην περίπτωση των Boston Harbor, Buzzards Bay, and Narragansett Bay οι τιμές του L8 ZSD και του ZSD από επιτόπιες μετρήσεις διέφεραν από 1 έως 5m κάτι χαρακτηριστικό των μικρών λιμανιών σε αυτά τα τρία υδάτινα οικοσυστήματα. Στην περίπτωση του Cape Cod Bay το εύρος των τιμών ZSD και στις δύο περιπτώσεις διέφερε από 4-10m με την πλειοψηφία των μετρήσεων να συγκεντρώνονται γύρω στα 5-6m.

3. Xρονική αξιολόγηση του ZSD

Οι επιτόπιες μετρήσεις του ZSD με αυτές του L8 ZSD στο Boston Harbor έδειξαν να έχουν συγκρίσιμες χρονοσειρές καθ’ όλη την περίοδο 2013-2017 και δεν παρουσίαζαν ιδιαίτερες εποχιακές τάσεις, αν και το L8 ZSD εμφανίστηκε σταθερά βαθύτερο από το επιτόπιο ZSD. Για τα Buzzards Bay και Cape Cod Bay την περίοδο 2013-2017 οι τιμές L8 ZSD ήταν χαμηλότερες κατά τους χειμερινούς μήνες (Δεκέμβριος-Φεβρουάριος) και υψηλότερες κατά τους ανοιξιάτικους μήνες (Μάρτιος-Μάιος). Το χαμηλό ZSD πιθανότατα σχετίζεται με τις υψηλές θερμοκρασίες και την αύξηση θρεπτικών συστατικών που αυξάνουν το φυτοπλαγκτόν κάτι που προκαλεί εποχιακή θολερότητα στο νερό.

4. Χωρική αξιολόγηση του ZSD

Με βάση τις επαληθευμένες τιμές και τον αλγόριθμου του L8 ZSD δημιουργήθηκαν χάρτες για τα Buzzards Bay (Εικόνα 2), Cape Cod Bay (Εικόνα 3) και Narragansett Bay (Εικόνα 4) για τις 14 Μαρτίου 2014. Ενώ οι χάρτες ZSD αποτελούν ουσιαστικά ένα στιγμιότυπο των συνθηκών διαύγειας του νερού κατά τη διάρκεια της διαδρομής του L8, απεικονίζουν τα περιφερειακά χωρικά πρότυπα. Στο Buzzards Bay το ZSD φαίνεται να έχει μικρότερες τιμές στις εκβολές που συνορεύουν με τη νοτιοανατολική ηπειρωτική Μασαχουσέτη. Στο Cape Cod Bay παρατηρείται χαμηλό ZSD τόσο στο παράκτιο μέρος όσο και ανοιχτά της περιοχής. Στη δυτική άκρη του Cape Cod Bay, οι μεταβολές του ZSD θα μπορούσαν να συνδεθούν με την αντίθετη προς τη φορά των δεικτών ρολογιού κυκλοφορία του κόλπου της Μασαχουσέτης, τις παλιρροιακές ροές, την περίοδο ανθοφορίας του φυτοπλαγκτόν, την εκκένωση θρεπτικών ουσιών από την ενδοχώρα ή με συνδυασμό των παραπάνω. Τέλος, πολύ μικρές τιμές ZSD (1,5-3,5 μ.) εμφανίζονται να είναι ομοιόμορφα κατανεμημένες σε όλο το Upper Narragansett Bay.

Συμπεράσματα

Η συγκεκριμένη μελέτη τόνισε την εγκυρότητα της εφαρμογής του αλγορίθμου L8 ZSD στα διάφορα παράκτια υδατικά συστήματα συγκρίνοντας για την ίδια ημέρα τις επιτόπιες μετρήσεις του ZSD σε σχέση με αυτές του δορυφόρου L8 ZSD. Για την επαλήθευση και εφαρμογή του αλγορίθμου L8 ZSD χρησιμοποιήθηκαν γεωφυσικές και βιογεωχημικές πληροφορίες από οργανισμούς παρακολούθησης της ποιότητας του νερού. Η εφαρμογή του αλγορίθμου L8 ZSD υποδηλώνει τελικά μια αυστηρότερη αξιολόγηση των μοτίβων καθαρότητας του νερού. Η αντιστοίχηση των μετρήσεων και των χαρτών L8 ZSD με τις τοπικές πληροφορίες παρακολούθησης της ποιότητας των υδάτων θα ενισχύσει τις προσπάθειες των ομάδων παρακολούθησης της ποιότητας των υδάτων και τελικά θα ενημερώσει καλύτερα τους παράκτιους διαχειριστές, τους υπεύθυνους χάραξης πολιτικής και τις κοινότητες σχετικά με τις αλλαγές στην διαύγεια των παράκτιων υδάτων.