Ανάλυση τηλεπισκοπικών δεδομένων για την ανίχνευση χαρτογράφηση και ανάλυση του φυτοπλαγκτόν σε παράκτιες περιοχές και στους ωκεανούς
Από RemoteSensing Wiki
Τίτλος άρθρου: Ανάλυση τηλεπισκοπικών δεδομένων για την ανίχνευση χαρτογράφηση και ανάλυση του φυτοπλαγκτόν σε παράκτιες περιοχές και στους ωκεανούς.
Η ανάγκη για μία περισσότερο αποτελεσματική διαχείριση/ παρακολούθηση των ανοιχτών ωκεανών και των παράκτιων περιοχών, οδήγησε σε αξιοσημείωτες προόδους στον τομέα της δορυφορικής τεχνολογίας του χρώματος των ωκεανών και στην εύρεση αλγορίθμων. Οι δορυφορικοί αισθητήρες χρωμάτων των ωκεανών χρησιμοποιούνται ευρέως για την ανίχνευση, χαρτογράφηση και την παρακολούθηση της άνθισης του φυτοπλαγκτόν, εφόσον η παρακολούθηση από τη γη παρέχει μία συνοπτική εικόνα, τόσο χωρικά όσο και χρονικά. Η άνθιση των φυκιών είναι δείκτης ευρωστίας του θαλάσσιου οικοσυστήματος. Επομένως, η παρακολούθηση του είναι βασικό συστατικό της αποδοτικής διαχείρισης των παράκτιων πόρων και των πόρων του ωκεανού. Από τα τέλη της δεκαετίας του 1970, μία ευρεία ποικιλία λειτουργικών δορυφορικών αισθητήρων και αλγορίθμων αναπτύχθηκε. Επίσης, χρησιμοποιήθηκε μία σειρά από δορυφορικούς πολυφασματικούς αισθητήρες ανίχνευσης του χρώματος των ωκεανών που χρησιμοποιήθηκαν, όπως οι CZCS, SeaWiFS, MODIS και MERIS.
Πάνω από 500 είδη θαλάσσιου φυτοπλαγκτόν έχουν περιγραφεί σε όλο τον κόσμο. Συνήθως, το μέγεθος τους κυμαίνεται σε λιγότερο από 1μm μέχρι και πάνω από 100 μm και ένα κύτταρο φυτοπλαγκτόν, γνωστό και ως “φύκι” είναι ένα φυτοπλαγκτόν φωτοσύνθεσης οργανισμού. Οι αυξήσεις στους αριθμούς των κυττάρων του φυτοπλαγκτόν μπορεί να προκύψουν από τις ευνοϊκές περιβαλλοντικές συνθήκες, οι οποίες περιλαμβάνουν διαστρωμάτωση με στήλη νερού, αύξηση της διαθεσιμότητας σε φως, ευνοϊκή θερμοκρασία νερού και υψηλά επίπεδα θρεπτικών συστατικών. Η παγκόσμια κατανομή της χλωροφύλλης, η άμεση διαμεσολάβηση για βιομάζα από φυτοπλαγκτόν, δείχνουν ότι οι πλούσιες περιοχές σε χλωροφύλλη βρίσκονται κατά μήκος των ακτών και των υφαλοκρηπίδων κυρίως λόγω των πολλών θρεπτικών συστατικών που εντοπίζονται σε αυτές τις περιοχές. Μέτρια επίπεδα χλωροφύλλης βρέθηκαν στις περιοχές του Ατλαντικού και του Ειρηνικού ωκεανού, λόγω του βάθους αλλά και των παγωμένων νερών. Επίσης, μέτριες συγκεντρώσεις παρατηρούνται και στις υπο-τροπικές ζώνες, όπου δροσερά, πλούσια σε θρεπτικά στοιχεία υπο- ανταρκτικά νερά αναμειγνύονται με ζεστά φτωχά σε θρεπτικά στοιχεία υπο-τροπικά νερά. Ωστόσο, οι περισσότερες περιοχές σε ανοιχτούς ωκεανούς, με βάση τους δορυφόρους, εμφανίζονται με χαμηλά επίπεδα χλωροφύλλης, λόγω του ότι βρίσκονται μακριά από τη γη. Οι παρατηρήσεις του χρώματος των ωκεανών είναι περιορισμένες στο πρώτο οπτικό βάθος, με συνέπεια τα βαθιά μέγιστα της χλωροφύλλης (Deep Chlorophyll Maxima ή DCM) να μη συλλαμβάνονται πάντοτε από τους δορυφόρους. Σε κάποιες περιπτώσεις που η ανάπτυξη του φυτοπλαγκτόν πραγματοποιείται βαθιά στη στήλη του νερού ή με υπερβολικά λίγη χλωροφύλλη μένουν ανεντόπιστα εφόσον δεν παρατηρούνται στις δορυφορικές εικόνες, αλλά είναι γνωστό ότι υπάρχουν. Η ανάπτυξη των φυκιών, η οποία ανιχνεύεται από δορυφορικούς αισθητήρες που συχνά καλύπτουν μεγάλο μέρος περιοχών, αλλά οι ετερόκλητες κατανομές καθιστούν δύσκολη τη μοντελοποίηση τους. Η οπτικοποίηση των δορυφορικών εικόνων είναι η κύρια τεχνική που χρησιμοποιείται για να προσδιορίσει την παρουσία τους, ιδιαίτερα όταν η ανάπτυξη του φυτοπλαγκτόν συμβαίνει ως ένα ομαλό γεγονός σε μία συγκεκριμένη περιοχή του ωκεανού. Στην Εικόνα 1a παρατηρείται η παγκόσμια κατανομή της χλωροφύλλης από την περίοδο 1η Ιανουαρίου 2002 έως 31 Ιανουαρίου 2008 με χρήση δεδομένων που συλλέχθηκαν από το MODIS- aqua. Οι τιμές της χλωροφύλλης κυμαίνονται από 0,01 (μωβ χρώμα)- 60 (κόκκινο χρώμα) [mg*m^(-3)]. Στην Εικόνα 1b παρουσιάζεται η άνθιση ενός είδους φυτοπλαγκτόν (Coccolithophore) στη θάλασσα Μπάρεντς τον Αύγουστο το 2011, από δεδομένα του MODIS-aqua.
Η Εικόνα 1c είναι μία “τεντωμένη” εικόνα, στην οποία παρατηρούνται εκφράσεις της επιφάνειας άνθισης (σε κόκκινο κύκλο) στα ανοιχτά της δυτικής ακτής της Αυστραλίας (ESAMERIS, μειωμένη ανάλυση RGB). Στην τελευταία Εικόνα 1d, απεικονίζεται με πλήρη ανάλυση το αληθινό χρώμα που δείχνει την άνθιση ενός φυτοπλαγκτόν την άνοιξη (πράσινος στροβιλισμός) στο Νότιο Ατλαντικό Ωκεανό, 600 χιλιόμετρα ανατολικά από τα νησιά Φώκλαντ το 2011 (ESAMERIS). Κατά τα τελευταία 13 χρόνια έχει υπάρξει μία αύξηση σε επιστημονικά δημοσιεύματα σχετικά με τη μελέτη της άνθισης των φυκιών που χρησιμοποιούν δορυφορικά δεδομένα του χρώματος των ωκεανών. Οι παραπάνω μελέτες επικεντρώθηκαν στην ανάπτυξη των φυκιών, κυρίως λόγω της άμεσης διασύνδεσης της γης με την υφαλοκρηπίδα και της επίδρασης της παράκτιας ανάπτυξης του φυτοπλαγκτόν στις ανθρωπογενείς δραστηριότητες. Γενικότερα, επετεύχθη σημαντική τεχνολογική πρόοδος στο σχεδιασμό στους δορυφορικούς αισθητήρες των χρωμάτων των ωκεανών δεύτερης και τρίτης γενιάς, με αποτέλεσμα την πιο ακριβή ανάλυση του φυτοπλαγκτόν στα παράκτια ύδατα (Εικόνα 2). Η πρώτη εικόνα χρονολογείται τον Οκτώβριο του 1979 και είναι μία εικόνα του δορυφορικού αισθητήρα CZCS σε περιοχή της Αυστραλίας. Η δεύτερη εικόνα είναι από την ίδια περιοχή, όπως παρατηρήθηκε από το δορυφορικό αισθητήρα MODIS-aqua τον Οκτώβριου του 2011. Στη συγκεκριμένη εικόνα, τα σύννεφα και η γη απεικονίζονται με γκρι χρώμα, ενώ ο βυθισμένος ύφαλος με άσπρο.
Η άνθιση του φυτοπλαγκτόν επηρεάζει το χρώμα του νερού, αυξάνοντας τη σκέδαση του φωτός, με φασματικά εντοπισμένο νερό, αφήνοντας ελάχιστη ακτινοβολία χλωροφύλλης, η οποία απορροφάται από ειδικά είδη φυκιών. Στην τηλεπισκόπιση του χρώματος των ωκεανών, το παθητικό δορυφορικό σύστημα μέτρησης του ορατού φωτός, το οποίο αναδύεται από την επιφάνεια των ωκεανών, έχει διαθέσει πάνω από σχεδόν 2 δεκαετίες σε πραγματικό χρόνο, για συνοπτικές και επαναλαμβανόμενες μετρήσεις της βιομάζας του φυτοπλαγκτόν, με αποτέλεσμα οι εκτιμήσεις πλέον να εξελίσσονται από ποιοτικές σε ποσοτικές. Η συσσώρευση της επιστημονικής γνώσης στις χρονικές και χωρικές δυναμικές του φυτοπλαγκτόν στους παγκόσμιους ωκεανούς, από παρατηρήσεις στη γη, επικουρείται σε μεγάλο βαθμό από γρήγορες προόδους στις τεχνολογίες των θαλάσσιων επιστημών και έχει πολλές τοπικές και παγκόσμιες εφαρμογές. Πρόσφατες αξιολογήσεις της δορυφορικής τηλεπισκόπισης του χρώματος των ωκεανών, έχουν επισημάνει την επιστημονική πρόοδο στον τομέα αυτό, τα κοινωνικά οφέλη, όπως και τις πολύτιμες εφαρμογές στην παράκτια διαχείριση των οικοσυστημάτων, συμπεριλαμβανόμενης και της αλιείας και της ανίχνευσης φυκιών. Οι εικόνες της τηλεπισκόπισης των χρωμάτων των ωκεανών, προσέφεραν και συνεχίζουν να προσφέρουν μία ανεκτίμητη πηγή συχνών και συνοπτικών πληροφοριών. Συνδυάζοντας τα δορυφορικά δεδομένα από τους αισθητήρες χρώματος των ωκεανών SeaWiFS, MERIS και MODIS, μπορούμε να πούμε ότι αντιστοιχούν σε 1,5 δεκαετία εικονογράφησης, από το 1997 έως σήμερα, του χρώματος των ωκεανών για τις ανοιχτές και παράκτιες περιοχές των ωκεανών, με μία σύντομη διαφοροποίηση και παροχή δεδομένων για 7 χρόνια (1979-1986) από τον CZCS. Το αποτέλεσμα ήταν μία πρωτοφανής παγκόσμια σειρά εικόνων που σχετίζονται με τις μελέτες άνθισης των φυκιών. Τα δεδομένα αυτά επιτρέπουν την παραγωγή οικολογικών γραμμών, η οποία μπορεί, στη συνέχεια να χρησιμοποιηθεί για να ανιχνεύσει και να προβλέψει τις αλλαγές της δυναμικής του συστήματος των ωκεανών. Επιπλέον, τα δεδομένα αρχειοθετούνται για να χρησιμοποιηθούν εκ των υστέρων και για να αξιολογήσουν τις συνθήκες που επικρατούν όσον αφορά την άνθιση για τον εντοπισμό των βιολογικών και φυσικών παραμέτρων. Νέες αποστολές συχνά καθυστερούν ή ακυρώνονται, γεγονός που οδηγεί σε καταστροφικές συνέπειες και πιθανόν να δημιουργήσει κενά στα δορυφορικά δεδομένα, όπως το χάσμα των 10 ετών μεταξύ των δεδομένων CZCS και SeaWiFS. Αυτή η έλλειψη των δεδομένων θίγουν τη δυνατότητα να απαντήσει σε πολλά περιβαλλοντικά ζητήματα.
Οι υπερφασματικοί αισθητήρες χρώματος των ωκεανών έχουν μεγαλύτερα μήκη κύματος, τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για μία πιο λεπτομερή ανάλυση τηλεπισκοπικού σήματος, είτε για ανακτήσεις χλωροφύλλης είτε για τον προσδιορισμού του φυτοπλαγκτόν. Η γεωστατική απεικόνιση είναι η νέα γενιά των αισθητήρων των χρωμάτων των ωκεανών. Παρέχοντας, για παράδειγμα, εικόνες χρωμάτων ωκεανών για μία ενιαία περιοχή αρκετές φορές την ημέρα, τα δεδομένα από τους γεωστατικούς δορυφόρους μπορούν να βοηθήσουν στην επίλυση των επιπτώσεων της παλίρροιας και του ανέμου, τα οποία είναι πιο δύσκολα να συλληφθούν με δορυφορικούς αισθητήρες.
Είναι λογικό να προβλέπεται ότι υπερφασματικοί δορυφορικοί αισθητήρες με πλήρες σύνολο φασματικών καναλιών θα επιτρέψουν την ανάπτυξη αποτελεσματικών αλγορίθμων για τα χρώματα των ωκεανών και την παρακολούθηση, συνεπώς και διαχείριση, του φυτοπλαγκτόν σε ανοιχτές αλλά και παράκτιες περιοχές.
