Mεθoδoi ωκεάνιας τηλεπισκόπησης, χαρτογράφησης και ανάλυσης ανθίσεων φυτοπλαγκτόν σε παράκτιες και ωκεάνιες περιοχές

Από RemoteSensing Wiki

Εικόνα 1: (a) Η συνολική κατανομή της χλωροφύλλης κατά μέσο όρο μεταξύ Ιανουαρίου 2002 έως Ιανουαρίου 2008 με τη χρήση δεδομένων που συλλέχθηκαν από το δορυφόρο MODIS-Aqua, (b) Ο δορυφόρος NASAMODIS-Aqua απεικονίζει άνθιση κοκκολιθοφόρων στη θάλασσα Μπάρεντς τον Αύγουστο του 2001, (c) Εικόνα ESAMERIS μειωμένης διακριτικής ικανότητας που απεικονίζει επιφανειακές ανθίσεις (κύκλοι με κόκκινο χρώμα) από την αυστραλιανή δυτική ακτή το Μαρτίου 2009 και (d) Εικόνα ESAMERIS πλήρης ανάλυσης (300 μ.) η οποία δείχνει ανοιξιάτικη άνθιση φυτοπλαγκτόν (πράσινοι στρόβιλοι) στο νότιο Ατλαντικό Ωκεανό, 600 χλμ. ανατολικά των νησιών Φώκλαντ, το Δεκεμβρίου του 2011

Πρωτότυπος τίτλος: A review of ocean color remote sensing methods and statistical techniques for the detection, mapping and analysis of phytoplankton blooms in coastal and open oceans

Συγγραφείς: David Blondeau-Patissier, James F.R. Gower, Arnold G. Dekker, Stuart R. Phinn, Vittorio E. Brando

Σύνδεσμος πρωτότυπου κειμένου

Εισαγωγή

Πάνω από 5000 είδη θαλάσσιου φυτοπλαγκτού έχουν περιγραφεί παγκοσμίως. Συνήθως κυμαίνεται από 1 έως 100 μm και είναι γνωστό ως «φύκη». Αύξηση στις τιμές του υποδεικνύει ευνοϊκές περιβαλλοντικές συνθήκες. Περιοχές πλούσιες σε Χλωροφύλλη-α (Chl-a) - βασικό συστατικό της βιομάζας του φυτοπλαγκτού - βρίσκονται κατά μήκος των ακτών που το γεωγραφικό πλάτος είναι στις 45 μοίρες και βορειότερα (εικ. 1a). Μέσες συγκεντρώσεις Chl-a απαντώνται σε περιοχές κοντά στον ισημερινό και στη ζώνη της υποτροπικής σύγκλισης (νότια των 45 μοιρών). Στον ανοιχτό ωκεανό παρατηρούνται χαμηλές τιμές. Ανθίσεις φυτοπλαγκτού ,οι οποίες εντοπίζονται από τους δορυφορικούς αισθητήρες, καλύπτουν συχνά μεγάλη επιφάνεια, αλλά εμφανίζουν ανομοιόμορφες κατανομές που καθιστούν δύσκολη τη μοντελοποίηση τους (εικ. 1b, 1d). Η οπτικοποίηση των δορυφορικών εικόνων (εικ. 1) αποτελεί την κύρια τεχνική για τον εντοπισμό της παρουσίας τους. Η σημαντική τεχνολογική πρόοδος στο σχεδιασμό δορυφορικών ωκεάνιων αισθητήρων (από τη δεύτερη και την τρίτη γενιά και μετά) βελτίωσε κατά πολύ τους αλγόριθμους παράκτιων υδάτων, με αποτέλεσμα την ανάκτηση πολύ πιο αξιόλογων δεδομένων όσον αφορά την Χλωροφύλλη-α. Η ωκεάνια τηλεπισκόπηση έχει δώσει για περισσότερες από δύο δεκαετίες μετρήσεις σε πραγματικό χρόνο της παγκόσμιας βιομάζας φυτοπλαγκτού (εικ. 1).

Ανθίσεις φυκών στο πλαίσιο αυτής της ανασκόπησης

Οι διάφοροι ορισμοί των ανθίσεων συχνά βασίζονται σε διαφορετικά και μερικές φορές αυθαίρετα κριτήρια, όπως η βιομάζα, ο ρυθμός ανάπτυξης, ή και τα δύο. Ο Kutser (2009) π.χ. τόνισε ότι ο όρος «ανθίζει» είναι σχετικός επειδή χρησιμοποιείται για να περιγράψει στοιχεία του φυτοπλαγκτού με διαφορετικές συγκεντρώσεις βιομάζας. Ο Richardson (1997) όρισε ώς άνθιση φυτοπλαγκτού ως «την ταχεία ανάπτυξη ενός ή περισσότερων ειδών που οδηγεί σε αύξηση της βιομάζας του είδους». Στο πλαίσιο αυτής της ανασκόπησης, η άνθιση θα οριστεί ως ένα βιολογικό γεγονός που αποτελείται από είδη μικρό-φυκών, το οποίο διατηρείται χρονικά και χωρικά και έχει ως αποτέλεσμα αισθητές αλλαγές στην εκπομπή ακτινοβολίας σε μήκη κύματος που χρησιμοποιούνται για τον εντοπισμό φυκών που βρίσκονται σε άνθιση λόγω αύξησης της βιομάζας.

Αλγόριθμοι ταυτοποίησης ωκεάνιου χρώματος

Η ανάγκη ακριβούς ανάκτησης των συγκεντρώσεων Chl-a στους ωκεανούς και στα παράκτια ύδατα από τηλεπισκοπικά δεδομένα, οδήγησαν στην ανάπτυξη των αντίστοιχων αλγορίθμων (βλ. Blondeau-Patissier et al., 2014, σελ. 126-133). Παρακάτω παρατίθενται ορισμένοι από αυτούς:

• Αλγόριθμοι ταξινόμησης ανακλαστικότητας
• Αλγόριθμοι ανακλαστικότητας με βάση τους λόγους μεταξύ φασματικών καναλιών
• Αλγόριθμοι με βάση τη διαφορά μεταξύ φασματικών καναλιών
• Βιο-οπτικά μοντέλα

Εντοπισμός ειδικών τύπων άνθισης φυκών

Φύκη τα οποία παρουσιάζουν επιφανειακές εκφράσεις, όπως τα κοκκολιθοφόρα,τα κυανοβακτήρια και το Sargassum, παρατηρούνται σε δορυφορικές εικόνες λόγω των μεγάλων περιοχών που καλύπτουν (εικ. 1). Φασματικά χαρακτηριστικά που αντιστοιχούν σε αυτά τα είδη είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθούν για τη χαρτογράφηση τους χρησιμοποιώντας αλγόριθμους ταξινόμησης ανακλαστικότητας και βιο-οπτικά μοντέλα.

Στατιστικές τεχνικές και αφομοίωση δεδομένων για την αποτίμηση της δυναμικής στις ανθίσεις φυκών

Η χαρτογράφηση του εποχιακού, του διετούς ή δεκαετούς κύκλου ανάπτυξης του φυτοπλαγκτού, είναι το κλειδί για την κατανόηση της δυναμικής των ανθίσεων αυτών. Η μοναδική χρήση ενός συνόλου δεδομένων είναι συχνά ανεπαρκής για την ακριβή επίλυση των συστατικών του χρώματος της επιφάνειας των ωκεανών και κρίνεται απαραίτητη η χρήση επιπλέον πηγών από μοντέλα ή δορυφόρους που δεν λαμβάνουν ωκεάνια δεδομένα. Επιπλέον, χρησιμοποιούνται στατιστικές τεχνικές για να ξεκαθαριστούν τα χρονικά ή / και χωρικά πρότυπα αυτών των συμβάντων. Οι τεχνικές αυτές αφορούν κυρίως:

• Στατιστικό διαχωρισμό των θαλάσσιων οικοσυστημάτων (έχουν δυναμικά όρια σε εποχικό και διαχρονικό επίπεδο)
• Χρονοσειρές, προσαρμοσμένα μοντέλα και τεχνικές επεξεργασίας σήματος (βοηθούν στην ανίχνευση τάσεων και αποκαλύπτει συσχετισμούς μεταξύ της δυναμικής της βιομάζας φυτοπλαγκτού και τους περιβαλλοντικούς παράγοντες)
• Κλιματολογίες δορυφορικών δεδομένων και συγχώνευση δεδομένων από πολλαπλές πηγές (προέρχονται από τρείς διαστάσεις (γεωγραφικό πλάτος, μήκος, χρόνος) των δορυφορικών δεδομένων, επιτρέποντας την ανάλυση του χωρικά και χρονικά)

Συμπεράσματα και μελλοντικές κατευθύνσεις

Στις μέρες μας υπάρχει εκτεταμένο εύρος αλγορίθμων που βοηθούν τον εντοπισμό ανθίσεων φυκών σε παράκτιες και ωκεάνιες περιοχές. Για απλοϊκές προσεγγίσεις, όπως η χρήση της ανακλαστικότητας, είναι απαραίτητη η γνώση της περιοχής μελέτης και χρειάζεται να πραγματοποιηθεί μια περαιτέρω λεπτομερής ανάλυση της ανακλαστικότητας των εικονοστοιχείων για να διασφαλιστεί η εγκυρότητα των πληροφοριών ανακτήθηκε από τις ανθίσεις. Οι αλγόριθμοι που χρησιμοποιούν λόγους μεταξύ καναλιών είναι χρήσιμοι για τα ωκεάνια ύδατα, όμως η χρήση τους στα σύνθετα παράκτια είναι περιορισμένη. Οι αλγόριθμοι με βάση τη διαφορά μεταξύ φασματικών καναλιών παρέχουν αξιόπιστες πληροφορίες τόσο για τις παράκτιες, όσο και για τις ωκεάνιες περιοχές. Επιπλέον, αξίζει να αναφερθεί ότι έχει σημειωθεί σημαντική πρόοδος στη χρήση και την παραμετροποίηση των βιο-οπτικών μοντέλων στα παράκτια ύδατα. Οι δυνατότητες της παρακολούθηση της άνθισης φυτοπλαγκτού σε πραγματικό χρόνο έχει προοδεύσει για τις ωκεάνιες περιοχές, αλλά παραμένει μια πρόκληση για τις παράκτιες. Η ωκεάνια τηλεπισκόπηση (δορυφόροι SeaWiFS, MERIS and MODIS) έχει παράσχει μία άνευ προηγουμένου παγκόσμια χρονοσειρά δεδομένων. Αυτά τα δεδομένα επιτρέπουν την παραγωγή οικολογικών σημείων αναφοράς, που μπορεί στη συνέχεια να χρησιμοποιηθούν στον εντοπισμό και την πρόβλεψη αλλαγών στη δυναμική των ωκεάνιων συστημάτων. Επιπλέον, είναι δυνατό να χρησιμοποιηθούν εκ των υστέρων για την αξιολόγηση της επικρατούντων συνθηκών άνθισης και για τον προσδιορισμό των βιολογικών και φυσικών παραμέτρων που προκάλεσαν ή τερμάτισαν μια ένα συμβάν άνθισης. Οι υπερφασματικοί αισθητήρες διαθέτουν μεγαλύτερο εύρος όσον αφορά τα μήκη κύματος και μπορούν να χρησιμοποιηθούν για λεπτομερέστερη ανάλυση του δορυφορικού σήματος, για την ανάκτηση χλωροφύλλης και για τον προσδιορισμό των ειδών του φυτοπλαγκτόν. Οι γεωστατικοί δορυφόροι αποτελούν τη νέα γενιά των ωκεάνιων αισθητήρων. Παρέχουν αρκετές εικόνες για μια περιοχή κατά τη διάρκεια μιας ημέρας, τα γεωστατικά δεδομένα βοηθούν στις συνέπειες που προκαλούνται από παλιρροιακά και αιολικά φαινόμενα στα παράκτια ρεύματα. Οι υπερφασματικοί δορυφόροι (μιας και διαθέτουν μεγαλύτερη χωρική και χρονική διακριτική ικανότητα) είναι εφικτό να επιτρέψουν την ανάπτυξη αποτελεσματικών αλγορίθμων και συστημάτων ανίχνευσης για την παρακολούθηση ανθίσεων φυτοπλαγκτόν.