Συγκριτική ανάλυση τεσσάρων μοντέλου υπολογισμού Χλωροφύλλης – α σε επιπέδου – 2 ύδατα με τη χρήση εικόνων MODIS
Από RemoteSensing Wiki
Συγκριτική ανάλυση τεσσάρων μοντέλου υπολογισμού Χλωροφύλλης – α σε επιπέδου – 2 ύδατα με τη χρήση εικόνων MODIS
Πρωτότυπος τίτλος: Comparative Analysis of Four Models to Estimate Chlorophyll-a concentration in case-2 waters using MODerate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) imagery
Συγγραφείς: Anas El – Alem, Karem Chokmani, Isabelle Laurion and Sallah E. El - Adlouni
Δημοσιεύθηκε: Remote Sensing, 2012, 4, 2373-2400
Η βιώσιμη διαχείριση των υδάτινων πόρων απέκτησε πραγματικό ενδιαφέρον για τη διεθνή κοινότητα πριν από μερικές δεκαετίες. Αν και ο Καναδάς κατέχει το 9% της ανανεώσιμης προσφοράς γλυκού νερού για το 0,5% του παγκόσμιου πληθυσμού, αυτός ο πολύτιμος πόρος πρέπει να αντιμετωπιστεί υπεύθυνα. Σε παγκόσμιο επίπεδο, η προέλευση της φθοράς οφείλεται εν μέρει στην υποβάθμιση της ποιότητας των υδάτων που προκαλείται από την ανάπτυξη επιβλαβών φυκιών των αλγών (HABs), όπως οι κυανοβακτηριακές ανθοφορίες. Η αυξανόμενη ανάπτυξη τέτοιων HABs αντανακλά την προηγμένη κατάσταση του ευτροφισμού του υδάτινου οικοσυστήματος που προκαλείται από αστικές, γεωργικές και βιομηχανικές εξελίξεις.
Μόλις εγκατασταθούν σε λίμνες, δηλαδή σε ύδατα επιπέδου 2 (επιπέδου 1 είναι οι ωκεανοί), οι κυανοβακτηριακοί πληθυσμοί είναι εξαιρετικά δύσκολο να ελεγχθούν. Ο συνηθέστερος τρόπος ανίχνευσης της παρουσίας ανθοφορίας είναι η δειγματοληψία in situ, δηλαδή στο πεδίο. Ωστόσο, ούτε η χωρική κατανομή ούτε η χρονική συχνότητα τέτοιων προγραμμάτων παρακολούθησης επαρκούν για την ανίχνευση της έκτασης, της έντασης και της διάρκειας των HABs σε υδάτινα σώματα και για μια χώρα όπως ο Καναδάς που καλύπτει μια πολύ μεγάλη περιοχή με μεγάλο αριθμό λιμνών. Η επί τόπου δειγματοληψία και οι αναλύσεις δειγμάτων είναι επίπονες και τα αποτελέσματα που λαμβάνονται συχνά είναι δύσκολο να ερμηνευθούν λόγω της ετερογενούς χωρικής κατανομής και της αιφνίδιας ανόδου και πτώσης των αλγών.
Η τηλεπισκόπηση, με την συνοπτική προβολή, την συνεπή επανάληψη και την ικανότητά της να παρέχει πληροφορίες σε ένα ευρύ φάσμα μηκών κύματος, αντιπροσωπεύει μια ελκυστική εναλλακτική μέθοδο για την παρακολούθηση των ανθών. Δορυφορικοί αισθητήρες που παρέχουν δεδομένα σε ορατά και κοντά σε υπέρυθρα (NIR) μήκη κύματος μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την εκτίμηση της συγκέντρωσης χλωροφύλλης-α (Chl-a) με βάση την υψηλή απορρόφηση του μπλε και του κόκκινου μέρους του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος και την υψηλή ανακλαστικότητα του πράσινου και του κοντινού υπέρυθρου (NIR).
Για αυτή τη μελέτη που εκπονήθηκε στο πλαίσιο της εργασίας αυτής, λόγω του μεγάλου αριθμού ημερών με κάλυψη σύννεφων πάνω από τις επιλεγμένες λίμνες και του σχετικά χαμηλού αριθμού επιτόπιων μετρήσεων, επιλέξαμε να χρησιμοποιούνται δεδομένα MODIS (επανάληψη χρόνου 1 ημέρας) προκειμένου να συγκεντρωθούν αρκετά δεδομένα για τη βαθμονόμηση και την επικύρωση του τελικού μοντέλου. Σκοπός, είναι η αξιολόγηση της απόδοσης των τριών βιο-οπτικών μοντέλων που χρησιμοποιούνται πιο συχνά στη βιβλιογραφία (Kahru, Gitelson και FAI (Floating Algae Index)) και μιας νέας προσέγγισης που ονομάζεται APPEL (APProach by ELimination) Chl-a σε μια σειρά από λίμνες στο νότιο τμήμα της επαρχίας του Κεμπέκ. Οι λίμνες αυτές είναι ο Μισισκουί Μπέι της λίμνης Champlain, η λίμνη Brome, η λίμνη William και η λίμνη Nairne, με επιφάνειες 45, 41, 4 και 2 km2, αντίστοιχα (Εικόνα 1). Οι λίμνες αυτές αποτελούν μέρος ενός προγράμματος για την παρακολούθηση υδάτινων σωμάτων με υποτροπιάζουσες κυανοβακτηριακές ανθοφορίες που διεξήγαγε το Υπουργείο Ανάπτυξης για τη Διατήρηση του Περιβάλλοντος και των Πάρκων. Τα δεδομένα συλλέχθηκαν σε μια περίοδο 9 ετών (2000 έως 2008) σε διάφορες θέσεις στις τέσσερις λίμνες (Εικόνα 2) και περιλάμβαναν κυανοτοξίνες (ισοδύναμη ολική μικροκυττίνη-LR και ανατοξίνη-α), χρωστικές άλγες (Chl-a, α), αφθονία φυτοπλαγκτού και φυσικοχημικά χαρακτηριστικά του νερού στη λίμνη (ολικός φωσφόρος, ολικό άζωτο, ρΗ, θολότητα, βάθος Secchi, θερμοκρασία επιφάνειας).
Οι αλγόριθμοι που χρησιμοποιήθηκαν όπως προαναφέρθηκε είναι το μοντέλο Kahru, ο δείκτης FAI, το μοντέλο Gitelson και η μέθοδος APPEL (Approach by Elimination). Οι πρώτες 3 μέθοδοι είναι εμπειρικές ενώ η 4η αναπτύχθηκε από το εργαστήριο τηλεπισκόπησης του Εθνικού Κέντρου Επιστημονικής Έρευνας (INRS).
1) Μοντέλο Kahru
Το ημι-αναλυτικό μοντέλο του Kahru χρησιμοποιεί το κόκκινο και κοντινό υπέρυθρο τμήμα του φάσματος. Ο Kahru πρότεινε τη σύνθεση των καναλιών 1,3 και 4του MODIS διότι είναι τα πιο ευαίσθητα στις αλληλεπιδράσεις με τη χλωροφύλλη. Στο έγχρωμο σύνθετο που προκύπτει διακρίνονται εύκολα τα άνθη και επίσης προτάθηκε ο υπολογισμός της θολερότητας των υδάτων που προκαλείται από τη βιομάζα των αλγών αφαιρώντας το κανάλι 2 από το κανάλι 1. Ο δείκτης θολερότητας είναι χρησιμοποιείται για την εκτίμηση της χλωροφύλλης – α στα νερά.
2) Δείκτης FAI (Floating Algae Index)
Ο δείκτης FAI ορίζεται ως η διαφορά των τιμών ανακλαστικότητας στο κοντινό υπέρυθρο προς τη διορθωμένη ανακλαστικότητα στο ίδιο φάσμα με βάση το κόκκινο και το βραχυκυματικό υπέρυθρο (εικόνα 3). Η διορθωμένη ανακλαστικότητα περιλαμβάνει τις τιμές που προκύπτουν από τη γραμμική παρεμβολή κόκκινου και βραχυκυματικού υπέρυθρου και για τον MODIS είναι λ(red) = 645 nm, λ(NIR) = 859 nm και λ(SWIR)=1.240 nm.
3) Μοντέλο Gitelson
Οι αρχές του μοντέλου Gitelson βασίζονται στη σχέση μεταξύ της ανακλαστικότητας με τις σταθερές συνολικής απορρόφησης και σκέδασης.
Η σταθερά γ εξαρτάται από την ακτινοβολία που εκπέμπεται από το νερό, το bb είναι η σταθερά για τη σκέδαση και το atot(λ) είναι το άθροισμα των σταθερών απορρόφησης των κελιών των φυτοπλαγκτόν. Για της ανάγκες της εργασίας το μοντέλο τροποποιήθηκε. Ενώ προτείνεται η χρήση των καναλιών 1 και 2, στα δεδομένα του MODIS αντιμετωπίστηκαν προβλήματα στην εφαρμογή του, γιατί το κανάλι 2 σύμφωνα με το μοντέλο απορροφά βέλτιστα τη χλωροφύλλη, όμως στον MODIS αυτό γίνεται στο κανάλι 1. Συνεπώς χρησιμοποιήθηκαν το κανάλι 1,ως βέλτιστο και τα κανάλια 3 και 4 σαν συμπληρωματικά του 2.
4) Μέθοδος APPEL (Approach by Elimination)
Οι αρχές της μεθόδου APPEL είναι παρόμοιες με αυτές του μοντέλου Gitelson. Όλα τα κανάλια του MODIS χρησιμοποιούνται για εντοπισμό χλωροφύλλης, το κάθε ένα εντοπίζει διαφορετικά ποσοστά με βάση το εύρος του φάσματος στο οποίο εντάσσεται. Η μέγιστη ανακλαστικότητα του φυτοπλαγκτόν είναι στο κοντινό υπέρυθρο όπου το νερό έχει την ελάχιστη αντανάκλαση. Η μέθοδος εκφράζεται μαθηματικά (εικόνα 5) και χρησιμοποιεί τη μέγιστη τιμή ανακλαστικότητας για να ελαχιστοποιήσει τις παραμέτρους που μπορεί να προκαλέσουν πρόβλημα στον εντοπισμό και εκτίμηση της άλγης. Για παράδειγμα, για να ελαχιστοποιηθεί η επιρροή των ολικών αιωρούμενων στερεών (TSS), χρησιμοποιείται το κανάλι που τα εντοπίζει βέλτιστα και εφαρμόζεται η τεχνική particle backscattering. Η οποία ελαχιστοποιεί παραμέτρους με βάση τις τιμές ανακλαστικότητας (εικόνα 6) του ζητούμενου αντικειμένου για εντοπισμό.
Οι ζώνες MODIS 3 έως 7, αρχικά σε χωρική ανάλυση 500 μέτρια και για τις ανάγκες τις μελέτης, υποβαθμίστηκαν στα 250 μέτρα. Για να διασφαλιστεί ότι η διαδικασία υποβάθμισης δεν επηρέασε το σήμα των αρχικών ζωνών, έγινε σύγκριση του φασματικό δείκτη των υποβαθμισμένων εικόνων με αυτόν των πρωτοτύπων. Η εικόνα 7 δείχνει τη συσχέτιση μεταξύ του σήματος MODIS που έχει δειχθεί από περιοχές σε λίμνες που συλλέχθηκαν σε τρεις εικόνες από τρία διαφορετικά χρόνια (2001-2003). Ο άξονας y αντιστοιχεί στον φασματικό δείκτη της εικόνας που έχει υποβαθμιστεί και ο άξονας x στον φασματικό δείκτη της αρχικής εικόνας. Η υποβάθμιση έγινε με μια μέθοδο που δεν ενισχύει την ανάλυση του αλλά διαιρεί την επιφάνεια του κάθε εικονοστοιχείου σε τέσσερα (από 500 × 500 m έως 250 × 250 m).
Τα αποτελέσματα δείχνουν μια σημαντική συσχέτιση μεταξύ του αρχικού σήματος και του σήματος υποβάθμισης με το R^2 να κυμαίνεται από 0,94 έως 0,98. Ωστόσο, για μια σωστή αξιολόγηση μοντέλου, η κλίση "a" (η κλίση της εξίσωσης παλινδρόμησης Y = a * X + b) θα πρέπει να χρησιμοποιηθεί ως δείκτης στάθμισης.
Αφού εφαρμόστηκαν όλες οι μεθοδολογίες και εντοπίσθηκε πως δεν υπάρχει πρόβλημα με την μετατροπή των πρωτογενών δεδομένων, έγινε ο έλεγχος εγκυρότητας των αποτελεσμάτων. Για τον έλεγχο χρησιμοποιήθηκαν ο συντελεστής προσδιορισμού (R^2), η σχετική μεροληψία (BIASr), το σχετικό μέσο τετραγωνικό σφάλμα ρίζας (RMSEr) και η σχετική απόδοση Nash-Sutcliffe (Nr). Η τελευταία μέθοδος ελέγχει την αποδοτικότητα του μοντέλου συγκρίνοντας την εγκυρότητα των εκτιμώμενων τιμών με την μέση τιμή των παρατηρούμενων τιμών σε όλο το σύνολο των δεδομένων.
Όπως απεικονίζεται στην εικόνα 8, όλα τα μοντέλα δείχνουν μια καλή συσχέτιση μεταξύ της χλωροφύλλης – α (Chl-a) και του φασματικού δείκτη που προέρχεται από τα δεδομένα MODIS από κάθε μοντέλο, εκτός από το μοντέλο Gitelson, το οποίο δεν είχε τα αντίστοιχα αποτελέσματα. Ωστόσο, τα μοντέλα παράγουν μόνο ένα μικρό σφάλμα σε υψηλές τιμές χλωροφύλλης - α με το μεγαλύτερο μέρος του σφάλματος να προέρχεται από χαμηλές συγκεντρώσεις. Ο Παγκόσμιος Οργανισμός Υγείας (ΠΟΥ) θέσπισε ένα όριο συναγερμού για τη χρήση νερού 10 mg ∙ Chl-a · m-3. Τα υδάτινα σώματα με συγκεντρώσεις Chl-a κάτω από αυτό το όριο δεν θεωρούνται επικίνδυνα για ψυχαγωγικές δραστηριότητες. Έτσι, για να ελαχιστοποιηθεί ένα πιθανό σφάλμα που σχετίζεται με τη διασπορά υψηλών επιτόπιων δεδομένων σε χαμηλή τιμή Chl-a, δείγματα με συγκεντρώσεις in situ κάτω των 10 mg ∙ m-3 αφαιρέθηκαν από το σύνολο δεδομένων για να εξετασθεί η ακρίβεια κάθε μοντέλου.
Όπως αναμενόταν, βελτιώθηκε η ακρίβεια των μοντέλων (εικόνα 9). Επομένως, το μεγαλύτερο μέρος του σφάλματος παρήχθη από χαμηλές τιμές Chl-a. Αυτό δεν προκαλεί έκπληξη, καθώς τα περισσότερα μοντέλα που μελετήθηκαν (APPEL, Kahru και FAI) βασίζονται στο κόκκινο / κοντινό υπέρυθρο (NIR) μέρος του φάσματος όπου το νερό έχει πολύ χαμηλή ανακλαστικότητα. Αυτό σημαίνει ότι το νερό εμφανίζεται διαφανές όταν η βιομάζα είναι χαμηλή και το ανακλώμενο σήμα είναι πολύ αδύναμο, συνεπώς αποκλείται μια καλή συσχέτιση μεταξύ της χλωροφύλλης - α και του φασματικού δείκτη. Για την αξιολόγηση της ακρίβειας των τεσσάρων μοντέλων που μελετήθηκαν, εφαρμόστηκε μια τεχνική διασταυρούμενης επικύρωσης. Αυτή η τεχνική περιλαμβάνει την προσωρινή αφαίρεση μιας δεδομένης τιμής Chl-a από το σύνολο δεδομένων δειγματοληψίας και τη χρήση των υπόλοιπων παρατηρήσεων ως ομάδες βαθμονόμησης για την εκτίμηση αυτής που αφαιρέθηκε. Αυτή η λειτουργία επαναλαμβάνεται για ολόκληρο το σύνολο δεδομένων. Η απόδοση κάθε μοντέλου αξιολογήθηκε χρησιμοποιώντας τους δείκτες εγκυρότητας που παρουσιάστηκαν παραπάνω. Στον πίνακα της εικόνας 9, παρουσιάζονται αναλυτικά τα αποτελέσματα για κάθε μοντέλο.
Όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως, όλα τα μοντέλα εκτός από το μοντέλο Gitelson έδωσαν ικανοποιητικά αποτελέσματα. Οι τιμές κριτηρίων Nash των μοντέλων APPEL, Kahru και FAI ήταν αρκετά παρόμοιες και έδειξαν πολύ καλή αντιστοιχία μεταξύ παρατηρούμενης και εκτιμώμενης Chl-a (δηλαδή, κοντά στο 1), με τα μοντέλα APPEL και Kahru να έχουν ελαφρώς καλύτερη απόδοση από το δείκτη FAI. Η τιμή κριτηρίου Nash του μοντέλου Gitelson ήταν πολύ χαμηλότερη (Nr = 0,34). Τα αποτελέσματα του RMSEr έδειξαν ότι οι εκτιμήσεις Chl-a που υπολογίστηκαν με το μοντέλο APPEL ήταν ακριβέστερες από εκείνες των άλλων μοντέλων (RMSEr της APPEL <Kahru <FAI <Gitelson). Ωστόσο, το σφάλμα στις εκτιμήσεις Chl-a ήταν σχετικά υψηλό για όλα τα μοντέλα, καθώς η καλύτερη απόδοση παρήγαγε RMSEr = 69%. Επιπλέον, τα σχετικά αποτελέσματα BIAS ήταν αρνητικά για όλα τα μοντέλα, υποδεικνύοντας ότι όλα είχαν την τάση να υποτιμούν τη Chl-a. Και πάλι, το μοντέλο APPEL έδειξε την καλύτερη απόδοση (-17%), ενώ τα άλλα μοντέλα κυμάνθηκαν από -23% έως -87%.
Σύνδεσμος πρωτότυπου κειμένου: [1]
