Επεξεργασία δεδομένων με MODIS και SeaWiFS για χλωροφύλλη
Από RemoteSensing Wiki
Authors: Watson W. Gregg, Nancy W. Casey
Εισαγωγή
Σύγχρονοι δέκτες όπως ο MODIS και ο SeaWiFS χρησιμοποιούνται ευρέως για την παραγωγή αντιπροσωπευτικών απεικονίσεων του ωκεανού. Σωστές απεικονίσεις επιτυγχάνονται μόνο μετά από συγχώνευση στοιχείων κατά τη διάρκεια πολλών ημερών και μηνών. Σε καθημερινή βάση, σύννεφα, παχιά στρώματα αερολυμάτων, μεγάλες γωνίες πρόσπτωσης πάνω από 75ο είναι αποτρεπτικοί παράγοντες στην ολική κάλυψη. (Εικόνα 1).
Έχει παρουσιαστεί η καθημερινή ωκεάνια κάλυψη να είναι περίπου 16% με SeaWiFS και 13% με MODIS-Aqua σε διακριτική ικανότητα 9 km. Σε περιπτώσεις όπου οι τιμές είναι μηνιαίες τα πεδία συμπληρώνονται με μετρήσεις που λαμβάνονται σε διαφορετικές ημέρες. Χρησιμοποιώντας μεθόδους συγχώνευσης παράγονται ρεαλιστικά πλήρη πεδία ωκεάνιας χλωροφύλλης κάθε μήνα. Έπειτα με δειγματοληψία με πειραματικά μοντέλα αξιολογούνται οι μεροληπτικές τιμές σε τηλεπισκοπικά δεδομένα.
Μέθοδοι
Το κλειδί στην ποσοτική αξιολόγηση των λαθών που σχετίζονται με λανθασμένη δειγματοληψία είναι η λήψη καθημερινών τιμών. Οι μηνιαίες και οι χρόνιες μέσες τιμές δημιουργούνται από υποδείγματα δορυφορικών μετρήσεων σε καθημερινή βάση και συγκρίνονται με τις μηνιαίες ή ετήσιες τιμές. Η διαφορά τους παρέχει μία αξιόπιστη αντιπροσωπευτική τιμή μεροληπτικού σφάλματος στο δείγμα δεδομένου ότι δεν υπάρχουν στοιχεία που να συνδέονται με το δέκτη τη βαθμονόμηση, τη βαθμονόμηση ή τους αλγόριθμους. Οι προσεγγίσεις που έχουν αναπτυχθεί για τη συμπλήρωση των κενών τιμών είναι η γραμμική και η μη γραμμική προεκβολή, αντικειμενική ανάλυση, βέλτιστη παρεμβολή, κλιματολογία και διάφοροι συνδυασμοί τους. Είναι πρόβλημα σύνηθες στις επιτόπιες μετρήσεις. Το NODC χρησιμοποιεί την αντικειμενική ανάλυση για τη λύση του προβλήματος. Επιλέγεται ένα τρισδιάστατο παγκόσμιο βιογεωχημικό μοντέλο για την παραγωγή των τιμών χλωροφύλλης. Αυτή η επιλογή προτιμάται από στατιστικές και κλιματολογικές αναπαραστάσεις επειδή παράγει ημερήσια δεδομένα από δυναμικές διαδικασίες. Επιπλέον με τη συγχώνευση των δορυφορικών δεδομένων χλωροφύλλης στο μοντέλο ελαχιστοποιούνται τα τοπικά μεροληπτικά σφάλματα αντιλαμβανόμενοι τη σημασία της μεροληπτικής δειγματοληψίας. Αυτή η συγχώνευση παράγει ένα «αληθές πεδίο» τιμών για την αξιολόγηση της μεροληπτικής δειγματοληψίας (εικόνα 2).
Έπειτα απλοποιούνται τα πεδία αυτά χρησιμοποιώντας τα χαρακτηριστικά της τροχιάς και ανίχνευσης των ΜODIS-Aqua και SeaWiFS για κάθε ημέρα (εικόνα 3).
Εάν ο δορυφόρος παρατηρεί μια θέση στον ωκεανό για μια δεδομένη ημέρα, εξάγονται οι τιμές συγχώνευσης για εκείνο το σημείο. Εάν λείπει η τιμή από το δορυφόρο δε γίνεται καμία αφομοίωση. Αναλύονται τιμές τριών ετών (2003, 2004, 2005) για την παρατήρηση της μεταβλητότητας των σφαλμάτων. Υπολογίζεται το μέσο στατιστικό σφάλμα στη διάρκεια των τριών ετών. Οι ετήσιες μέσες τιμές είναι ο αριθμητικός μέσος όρος όλων των μηνών –όπου υπάρχουν παρατηρήσεις.
Μοντέλο συγχώνευσης
Το μοντέλο NOMB είναι μία τρισδιάστατη απεικόνιση των παγκόσμιων βιογεωχημικών διαδικασιών περιλαμβάνοντας τη δυναμική κυκλοφορία, βιολογικές διαδικασίες και τη μετάδοση ακτινοβολίας. Η κάλυψη του πάγου είναι απαραίτητη για την τροποποίηση της τοπικής δυναμικής παρουσία του πάγου. Το μοντέλο περιλαμβάνει βάθη μεγαλύτερα από 200 m άρα οι παράκτιες περιοχές αποκλείονται. Η εποχική μεταβλητότητα του NOBM συσχετίζεται θετικά με το SeaWiFS και στις 12 ωκεανογραφικές λεκάνες. Η ετήσια μέση τιμή της χλωροφύλλη παρουσιάζει ένα μεροληπτικό σφάλμα −8% με το SeaWiFS, +1.1% με το Aqua, και −17.1% με επιτόπου μετρήσεις από NODC. Συγκρίνοντας το μοντέλο NODC με μετρήσεις στην περιοχή παρουσιάζει ένα μεροληπτικό σφάλμα 1,4% και ένα μέσο τετραγωνικό σφάλμα 61,8%. Το μοντέλο συγχώνευσης χρησιμοποιεί τη μέθοδο CRAM σε συνδυασμό με ΝΟΜΒ και τηλεπισκοπικά δεδομένα. Επιπλέον περιλαμβάνει στοιχεία ατμοσφαιρικής πίεσης, θερμοκρασία της θαλάσσιας επιφανείας, συγκέντρωση σιδήρου και παγοκάλυψη αλλά και νεφοκάλυψη και αερολύματα.
Δεδομένα
Η ανάλυση έγινε το 2003 μιας και από τότε ήταν διαθέσιμα και το MODIS-Aqua και το SeaWiFS. Αποκλείστηκαν περιοχές με πάγο μιας και εκεί ο ήλιος παρουσιάζει γωνία πρόσπτωσης μεγαλύτερη των 75ο.
Στατιστική Αξιολόγηση
Οι στατιστικές συγκρίσεις υπογραμμίζουν τις διαφορές μηνιαίων και ετήσιων μέσων τιμών σε παγκόσμια κλίμακα και σε τοπική. Υπολογίζονται επί τοις εκατό από τον τύπο:
Όπου C(sat):είναι η μέση τιμή δείγματος από το δέκτη
C(assim): είναι η μέση τιμή της χλωροφύλλης από το μοντέλο συγχώνευσης
Αποτελέσματα
Για το MODIS υπολογίστηκε ένα ετήσιο μεροληπτικό σφάλμα 7,7%. (εικόνα 4).
Αυτές οι υπερεκτιμήσεις από το MODIS εμφανίζονται εξ ολοκλήρου σε υψηλά γεωγραφικά πλάτη, π.χ. Ανταρκτική, Βόρειος Ειρηνικός, και Βόρειος Ατλαντικός όπου τα μέσα σφάλματα είναι >10%. Οι μηνιαίες μέσες μεροληψίες δείχνουν ότι τα μέγιστα υπερβαίνουν στην Ανταρκτική και στο Βόρειο Ατλαντικό το 50% φτάνοντας το 84% το 2004. Ο χρόνος που παρουσιάζονται είναι οι τοπικοί χειμώνες. Τα μέγιστα μεροληπτικά σφάλματα στο βόρειο Ειρηνικό είναι μικρότερες, 10%, και εμφανίζονται το τοπικό καλοκαίρι. Παρουσιάζεται ιδιαίτερη μεταβλητότητα στα μεροληπτικά σφάλματα στη δειγματοληψία MODIS, ειδικά στην περιοχή του Βόρειου Ινδικού όπου κυμαίνονται από σχεδόν −30% (Ιούλιο 2003), σε 20% (Αύγουστο 2004) και μετά σε −26% (μέσα Ιουλίου 2005) (εικόνα 5).
Οι υπερεκτιμήσεις στην Ανταρκτική παρουσιάζονται κατά μήκος της νότιας άκρης. (Εικόνα 6)
Τα σφάλματα φτάνουν άνω του 50% τοπικά. Πολύ μεγάλες υπερεκτιμήσεις είναι εμφανείς στο βόρειο τμήμα του Ατλαντικού το Μάρτιο του 2004. (Εικόνα 7)
Εδώ το μεροληπτικό φάσμα αγγίζει ποσοστά του 100%. Όσον αφορά το SeaWiFS παρουσιάζεται ίδια συμπεριφορά με το MODIS. Εδώ το μεροληπτικό σφάλμα είναι μικρότερο 5,6% προερχόμενο από μικρότερες διαφορές στην Ανταρκτική. Αν συνδυαστούν και οι δύο δέκτες οι τιμές είναι σαφώς μικρότερες από του MODIS και μεγαλύτερες από του SeaWiFS. Σε σχέση με την εποχική μεταβλητότητα τα μεροληπτικά σφάλματα δεν κατανέμονται ισόποσα κατά τη διάρκεια του χρόνου. Οι κυριότερες διαφορές παρουσιάζονται κυρίως μεταξύ Μαΐου και Αυγούστου. Η νεφοκάλυψη είναι σοβαρό πρόβλημα για την τηλεπισκόπηση. Τα σφάλματα εξαιτίας των νεφών είναι μεγαλύτερα στον Ειρηνικό ακολουθούμενα από το Βόρειο Ατλαντικό. (πίνακας 1).
Αυτά τα αποτελέσματα δείχνουν ότι τα μεροληπτικά σφάλματα πρέπει να λαμβάνονται υπόψη σε εφαρμογές παγκόσμιας και τοπικής κλίμακας για τον υπολογισμό της χλωροφύλλης καθώς και η εποχική μεταβλητότητα και οι τοπικές τάσεις.
