Από RemoteSensing Wiki

Τίτλος: Εφαρμογές του Sentinel-2 σε κοραλλιογενείς υφάλους: Κάλυψη, χαρακτηριστικά, βαθυμετρία και βενθική χαρτογράφηση σε σύγκριση με τον Landsat 8

Πρωτότυπος τίτλος: Coral reef applications of Sentinel-2: Coverage, characteristics, bathymetry and benthic mapping with comparison to Landsat 8'

Συγγραφείς: JohnD. Hedley, Chris Roelfsema, Vittorio Brando, Claudia Giardino, Tiit Kutser, Stuart Phinn, Peter J. Mumby, Omar Barrilero, Jean Laporte, Benjamin Koetz

Δημοσιεύθηκε: Οκτώβριος 2018

Πηγή: https://doi.org/10.1016/j.rse.2018.07.014

Το πολυφασματικό όργανο (MSI) Sentinel-2A και 2B προσφέρει μια επιλογή δυνητικής αξίας για διάφορους στόχους στην τηλεπισκόπηση των κοραλλιογενών υφάλων. Οι κοραλλιογενείς ύφαλοι αντιπροσωπεύουν μια μοναδική πρόκληση για την τηλεπισκόπηση, καθώς είναι εξαιρετικά ετερογενείς σε κλίμακα μέτρου και εμφανίζονται σε μεταβλητά βάθη και συνθήκες διαύγειας του νερού. Ωστόσο, οι πρωτοβουλίες διατήρησης, όπως οι στόχοι βιώσιμης ανάπτυξης των Ηνωμένων Εθνών, αυξάνουν την ανάγκη για πληροφορίες περιβαλλοντικής παρακολούθησης μεγάλης κλίμακας που μπορεί να παρέχει η τηλεπισκόπηση. Στην προσπάθεια αντιμετώπισης αυτής της πρόκλησης έχει αξιοποιηθεί μια σειρά δορυφορικών οργάνων, από τον Landsat έως αισθητήρες υψηλής χωρικής ανάλυσης όπως ο WorldView-2, για την επίτευξη στόχων όπως: χαρτογράφηση τύπων πυθμένα, βαθυμετρία, ανίχνευση αλλαγών και ανίχνευση φαινομένων λεύκανσης κοραλλιών. Οι δορυφόροι Sentinel-2A και 2B προσφέρουν ένα νέο παράδειγμα διαθέσιμων οργάνων, με επαναληπτικό πέρασμα 5 ημερών, πολυφασματική χωρική ανάλυση 10 m και ελεύθερα διαθέσιμα δεδομένα. Οι αναλύσεις προσομοίωσης πριν από την εκτόξευση από αρκετούς από τους συγγραφείς υπέδειξαν ότι το Sentinel-2 θα είχε καλή απόδοση για εφαρμογές σε υφάλους, και στην παρούσα εργασία δίνεται συνέχεια στη μελέτη αυτή επανεξετάζοντας τις δυνατότητες με βάση το σημαντικό αρχείο πραγματικών δεδομένων που είναι τώρα διαθέσιμα.

Εικόνα 1. (a) Παγκόσμια κάλυψη υφάλων από το Sentinel-2A κατά τη διάρκεια της 12μηνης περιόδου έως τον Σεπτέμβριο του 2017: το κόκκινο χρώμα υποδεικνύει τα πλακίδια που περιέχουν υφάλους, το σκούρο μπλε χρώμα είναι η περιοχή που έχει καταγραφεί. (β-δ) Παράδειγμα λεπτομερούς κάλυψης υφάλων στα εδάφη του Ηνωμένου Βασιλείου: οι μαύρες κουκκίδες είναι ύφαλοι, το κόκκινο υποδεικνύει πλακίδια που περιλαμβάνουν υφάλους στα εδάφη του Ηνωμένου Βασιλείου, το σκούρο μπλε είναι η αποκτηθείσα περιοχή. (β) δείχνει την παράλειψη των Βερμούδων, (γ) των νήσων Τσάγκος, (δ) των νήσων Πίτκαιρν. (Για την ερμηνεία των αναφορών στα χρώματα στο υπόμνημα αυτού του σχήματος, ο αναγνώστης παραπέμπεται στη διαδικτυακή έκδοση του παρόντος άρθρου).

Αρχικά, προσδιορίστηκε σε ποιο βαθμό οι ύφαλοι του κόσμου καλύπτονται από το Sentinel-2, δεδομένου ότι οι απαιτήσεις της αποστολής δεν περιλαμβάνουν εξ ορισμού όλους τους υφάλους. Δεύτερον, επανεξετάζουμε τον τρόπο με τον οποίο μια επαναληπτική επίσκεψη 5 ημερών μεταφράζεται σε ένα αξιοποιήσιμο ποσοστό λήψης καθαρών εικόνων, δεδομένου ότι τα σύννεφα και η επιφανειακή λάμψη είναι συνήθεις συγχυτικοί παράγοντες. Ο χρησιμοποιήσιμος ρυθμός λήψης είναι ο πραγματικός καθοριστικός παράγοντας των στόχων στους οποίους μπορούν να εφαρμοστούν τα δεδομένα. Τέλος, εφαρμόστηκαν αλγόριθμοι επεξεργασίας σε δεδομένα Sentinel-2 από διάφορες τοποθεσίες πάνω από τον Great Barrier Reef, συμπεριλαμβανομένης της αντιστροφής της βαθυμετρίας με βάση τη φυσική και της χαρτογράφησης του βυθού με προσανατολισμό στο αντικείμενο. Ο Landsat 8 OLI είναι ο πιο συγκρίσιμος σημερινός αισθητήρας με τον Sentinel-2 MSI, οπότε διερευνώνται οι άμεσες συγκρίσεις και οι δυνατότητες σύνθεσης δεδομένων.

Τα ευρήματα επιβεβαιώνουν ότι ο Sentinel-2 έχει εξαιρετική απόδοση για την επίτευξη πολλών βασικών επιστημονικών στόχων και στόχων παρακολούθησης των κοραλλιογενών υφάλων. Λαμβάνοντας υπόψη τα σύννεφα και την ηλιακή λάμψη, ο ρυθμός συλλογής χρήσιμων εικόνων για ένα μεγάλο μέρος των υφάλων είναι πιθανόν να είναι περίπου 20 καθαρές εικόνες κατά μέσο όρο ετησίως, δίνοντας νέες δυνατότητες για την αξιολόγηση διαταραχών και επιπτώσεων μικρής χρονικής κλίμακας. Η χωρική ανάλυση των 10 μέτρων αποτελεί βασικό όριο για την οριοθέτηση βενθικών χαρακτηριστικών ενδιαφέροντος, όπως οι κοραλλιογενείς δομές, και υπάρχουν ενδείξεις από δεδομένα εικόνων και πεδίου ότι η λεύκανση είναι ανιχνεύσιμη. Τα δεδομένα του Sentinel-2 μπορούν να αξιοποιηθούν άμεσα με τις υπάρχουσες μεθόδους, ώστε να παρέχουν ένα νέο επίπεδο πληροφοριών για την παρακολούθηση των υφάλων σε σύγκριση με τις πληροφορίες που ήταν προηγουμένως διαθέσιμες μέσω τηλεπισκόπησης.

Εικόνα 2. Παραδείγματα σύγκρισης χωρικών αναλύσεων σε υφάλους στην περιοχή SSCMR, συγκεκριμένα στο βόρειο τμήμα του υφάλου Hall-Thompson. (α, β) σύνθετο RGB από τις αρχικές εικόνες με χρήση των καναλιών 2, 3 και 4 και των δύο αισθητήρων, (γ, δ) βαθυμετρικός χάρτης, (ε, στ) σύνθετο RGB ανάκλασης πυθμένα με βάση τα κανάλια 1, 2 και 3.

Εικόνα 3. (a, b) Χάρτες γεωμορφολογικής ζώνης και (γ, δ) βενθικής ταξινόμησης της περιοχής SSCMR που προέκυψαν από αντικειμενοστραφή ανάλυση των δεδομένων Sentinel-2. Οι πίνακες (β, δ) δείχνουν μεγεθυμένη περιοχή των (α, γ).

Εικόνα 4.(a) Η λεύκανση όπως φαίνεται στις εικόνες του Sentinel-2A στον ύφαλο της Αδελαΐδας τον Φεβρουάριο του 2017, σε σύγκριση με τον Ιούνιο του 2016. Οι δύο κάτω εικόνες δείχνουν μια περιοχή με μεγέθυνση, όπως αναπαρίσταται από ένα λευκό ορθογώνιο στο επάνω αριστερό πλαίσιο. (β) Κάτω ανάκλαση στα ~560 nm, που προέκυψε όπως περιγράφεται στην ενότητα 2.8, από μια χρονοσειρά εικόνων Sentinel-2A πάνω από μία από τις περιοχές που υπέστησαν λεύκανση. Η ανωμαλία φωτισμού ήταν παρούσα σε δύο διαδοχικές εικόνες (κόκκινος κύκλος). Η θνησιμότητα των κοραλλιών στην περιοχή επαληθεύτηκε με έρευνες πεδίου πριν και μετά τον Φεβρουάριο του 2017, τα δεδομένα αυτά θα παρουσιαστούν αλλού (Roelfsema, αδημοσίευτα δεδομένα).

Σε συνδυασμό με τον Landsat 8 και το ιστορικό αρχείο Landsat, τα δεδομένα που συλλέγονται σήμερα θα είναι ανεκτίμητα για τις επόμενες δεκαετίες ή και αιώνες.Σε αυτό το πλαίσιο, το κύριο μειονέκτημα της αποστολής Sentinel-2 είναι ότι περίπου το 12% των υφάλων του πλανήτη βρίσκονται σήμερα εκτός του σχεδίου λήψης και δεν απεικονίζονται. Παραδόξως, για μια ευρωπαϊκή πρωτοβουλία, οι κοραλλιογενείς ύφαλοι στα ευρωπαϊκά εδάφη είναι από τους χειρότερα απεικονιζόμενους παγκοσμίως. Αυτές οι παραλείψεις -περίπου μόνο το 1/200 της περιοχής που απεικονίζεται σήμερα- περιορίζουν την παγκόσμια εμβέλεια, η οποία διαφορετικά θα αποτελούσε ένα από τα μεγαλύτερα πλεονεκτήματα του Sentinel-2.