Παρακολούθηση επιπέδων των κυανοβακτήριων ανθών χρησιμοποιώντας τον οπτικό δείκτη κυανοβακτίας (VCI) και το δείκτη αιωρούμενης άλγης (FAI)

Από RemoteSensing Wiki

Παρακολούθηση των επιπέδων των κυανοβακτήριων ανθών χρησιμοποιώντας τον οπτικό δείκτης κυανοβακτίας (VCI) και το δείκτη αιωρούμενης άλγης (FAI)

Πρωτότυπος τίτλος: Monitoring levels of cyanobacterial blooms using the visual cyanobacteria index (VCI) and floating algae index (FAI)”

Συγγραφείς: Yoichi Oyamaa, Takehiko Fukushima, Bunkei Matsushita, Hana Matsuzaki, Koichi Kamiyaa, Hisao Kobinata

Δημοσιεύθηκε: International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation, 2015, 38, 335–348

Eικόνα 1:Σημεία παρατήρησης και δειγματοληψίας στις λίμνες Hachiro, Nishiura και Kitaura της Ιαπωνίας.

Η κυανοβακτηριακή άνθηση είναι ένα αυξανόμενο περιβαλλοντικό πρόβλημα στα εσωτερικά ύδατα. Σε αυτή τη μελέτη, προτείνονται μετρήσεις για την παρακολούθηση των επιπέδων των κυανοβακτηριακών ανθών από τις εικόνες Landsat / ETM +. Ο οπτικός δείκτης κυανοβακτίας (VCI) είναι ένας απλός δείκτης για την επιτόπια οπτική ερμηνεία των επιπέδων των κυανοβακτηριακών ανθισμάτων, με την ταξινόμησή τους σε έξι κατηγορίες που βασίζονται σε συσσωμάτωση (π.χ., υπόγεια άνθη, επιφανειακά κοπριά). Ο δείκτης αιωρούμενης άλγης (FAI) και η ανακλαστικότητα της τηλεπισκόπησης στον τομέα του κόκκινου μήκους κύματος, που μπορούν να ληφθούν από τις εικόνες Landsat / ETM +, συσχετίστηκαν με το VCI για την εκτίμηση των επιπέδων άνθησης των κυανοβακτηρίων από τις εικόνες Landsat / ETM +.

Ως περιοχές μελέτης για τη διερεύνηση των συγκεντρώσεων των χρωστικών και των φασματικών χαρακτηριστικών σε κυανοβακτηριακές ανθοφορίες σε κάθε επίπεδο VCI, καθώς και η δυνατότητα εφαρμογής του VCI σε εικόνες Landsat ήταν τρεις ιαπωνικές λίμνες (Εικόνα 1). Οι δύο πρώτες ήταν οι λίμνες Nishiura και Kitaura. Η λίμνη Nishiura είναι ένα κύριο μέρος του ομίλου Lake Kasumigaura, με επιφάνεια 171 km2 και μέσο βάθος 3,4 μ. Η λίμνη Kitaura έχει έκταση 34 χλμ. Και μέσο βάθος 4,5 μ. Οι τεράστιες κυανοβακτικές ανωμαλίες εμφανίστηκαν στις λίμνες αυτές από τις αρχές της δεκαετίας του 1970 μέχρι τα τέλη της δεκαετίας του 1990 και στη συνέχεια επανεμφανίστηκε το 2011. Η τρίτη λίμνη ήταν η λίμνη Hachiro, που βρίσκεται στο βόρειο τμήμα της Ιαπωνίας. Αυτή η λίμνη ήταν η δεύτερη μεγαλύτερη λίμνη στην Ιαπωνία (222 km2 σε έκταση) μέχρι το 1957, όταν η έκταση της περιοχής μειώθηκε σε περίπου ένα πέμπτο (49 km2) λόγω αποκατάστασης.

Οκτώ πειραματικές έρευνες διεξήχθησαν στις λίμνες Nishiura και Kitaura από τον Ιούνιο έως τον Αύγουστο του 2012 όταν εμφανίστηκαν κυανοβακτηριακές ανθοφορίες στις λίμνες (στις 19 και 30 Ιουνίου, στις 4, 11 και 19 Ιουλίου και στις 1, 9 και 21 Αυγούστου). Για κάθε έρευνα, διαιρέθηκε ο γενικό όρος "κυανοβακτηριδιακά άνθη" σε τρεις συνθήκες:

1) ανθοφόρα ανθοφορία (επίπεδα VCI 1 και 2, εικόνα 2, α και β)

2) επιφανειακές αφρού (επίπεδα VCI 3-5, εικόνα 2, c έως f)

3) hyperscum (επίπεδο VCI 6, εικόνα 2, g)

Eικόνα 2:Φωτογραφίες από διάφορα επίπεδα κυανοβακτηριακών ανθών στη λίμνη Nishiura στην Ιαπωνία. Οι ανθοί ταξινομήθηκαν σε έξι επίπεδα με βάση την οπτική εμφάνιση: a) Επίπεδο 1, b) επίπεδο 2, c) επίπεδο 3, d) επίπεδο 4 , e) επίπεδο 5, f) επίπεδο 6, g) Η φωτογραφία της καθαρότερης λίμνης στην Ιαπωνία (λίμνη Mashu,> 20 m διαφάνεια) χωρίς κυανοβακτήρια παρουσιάστηκε ως επίπεδο 0. Η φωτογραφία επιπέδου 0 χρησιμοποιήθηκε μόνο για ερωτηματολόγιο σχετικά με τη λίμνη

Δείγματα νερού συλλέχθηκαν τυχαία σε κάθε έναν από τους 11 σταθμούς κατά τη διάρκεια της περιόδου μελέτης (Εικόνα 1). Τα δείγματα συλλέχθηκαν χρησιμοποιώντας ένα δείγμα διαυγούς κυλίνδρου (διάμετρος 15 cm, μήκος 50 cm), το οποίο χαμηλώθηκε αργά στο νερό για να ελαχιστοποιηθεί η διαταραχή των κυανοβακτηριακών ανθών. Ο όγκος δειγματοληψίας διατηρήθηκε σταθερός σε όλους τους σταθμούς (από την επιφάνεια σε βάθος 20 cm) καθώς η συγκέντρωση των κυανοβακτηρίων μπορεί εύκολα να αλλάξει με τον όγκο δειγματοληψίας όταν η συσσωμάτωση είναι βαριά στην επιφάνεια του νερού. Τα επίπεδα της κυανοβακτηριακής έκρηξης καταγράφηκαν ταυτόχρονα χρησιμοποιώντας τις φωτογραφίες του VCI (εικόνα 2). Τα δείγματα νερού επιστράφηκαν στο εργαστήριο για να μετρήσουν τη συγκέντρωση Chl-a χρησιμοποιώντας μια φασματοφωτομετρική μέθοδο και τη συγκέντρωση φυκοκυανίνης χρησιμοποιώντας μια φθορομετρική μέθοδο.

Τρεις εικόνες Landsat / ETM + αποκτήθηκαν από την ιστοσελίδα USGS Earth Explorer μία από τις λίμνες Nishiura και Kitaura (διαδρομή / σειρά: 107/35) στις 21 Αυγούστου 2012 (που συμπίπτουν με την όγδοη έρευνα πεδίου στις δύο λίμνες) και οι άλλες, η λίμνη Hachiro (διαδρομή / σειρά: 108/32) στις 28 Αυγούστου 2012 και 13 Σεπτεμβρίου 2012 (που συμπίπτει με δύο έρευνες πεδίου στη λίμνη από το περιβαλλοντικό γραφείο της λίμνης Hachiro). Τα δορυφορικά δεδομένα, πριν επεξεργαστούν διορθώθηκαν ραδιομετρικά, δηλαδή έγινε η μετατροπή των τιμών ακτινοβολίας σε τιμές ανακλαστικότητας (ToA reflectance). Ο δείκτης FAI επιλέχθηκε για την ανίχνευση κυανοβακτηριακών ανθισμάτων από τις εικόνες Landsat. Το πλεονέκτημα του FAI είναι ότι είναι λιγότερο ευαίσθητο στις αλλαγές στις συνθήκες περιβάλλοντος και παρατήρησης. Παρόλο που ο FAI αναπτύχθηκε αρχικά για εικόνες MODIS, μπορεί να προσαρμοστεί και σε εικόνες άλλου δέκτη, αντιστοιχίζοντας τις παραμέτρους.

Eικόνα 3:(α) Chl-a, και (β) φυκοκυανίνη. Τα τμήματα των συγκεντρώσεων χρωστικής σε κάθε επίπεδο VCI ελήφθησαν από οκτώ επιτόπιες έρευνες κατά τους μήνες Ιούνιο-Αύγουστο του 2012 στις λίμνες Nishiura και Kitaura. Ο κάθετος άξονας εκφράζεται με κλίμακα καταγραφής. Οι σταθερές γραμμές στα πλαίσια αντιπροσωπεύουν τη διάμεση τιμή. Οι άνω και κάτω φράχτες αντιπροσωπεύουν το 1ο και 3ο τεταρτημόριο (Q1 και Q3), αντίστοιχα. Οι κατώτεροι και ανώτεροι μύκητες υπολογίστηκαν από (Q1 - 1,5 × IQR) και (Q3 + 1,5 × IQR), αντίστοιχα, όπου το IQR είναι το διάστημα μεταξύ τεταρτοταγών που αντιπροσωπεύεται από το πλάτος του κουτιού (δηλ. Q3-Q1). Τα δεδομένα πάνω ή κάτω από το μύστακα ορίστηκαν ως τα απομειωμένα και εμφανίζονται ως ανοιχτοί κύκλοι.

Οι τιμές FAI χρησιμοποιήθηκαν για τον προσδιορισμό των κατωφλίων για την ταξινόμηση των κυανοβακτηριακών ανθισμάτων στα έξι επίπεδα VCI. Πρώτον, συγκρίθηκαν οι επιτόπου τιμές FAI για διαφορετικά επίπεδα VCI και καθορίστηκαν οι τιμές κατώφλια. Δεύτερον, αυτά τα όρια FAI εφαρμόστηκαν σε τρεις εικόνες Landsat / ETM +. Τρίτον, εφαρμόστηκε παράθυρο 3 × 3 σε κάθε σταθμό δειγματοληψίας. Για τις λίμνες Nishiura και Kitaura, τα εικονοστοιχεία εξήχθησαν με βάση τα επτά σημεία δειγματοληψίας μας στις 21 Αυγούστου 2012. Για τη λίμνη Hachiro, οι τιμές VCI που παρατηρήθηκαν επί τόπου και οι θέσεις των σημείων παρατήρησης λήφθηκαν από ιστοσελίδα περιβαλλοντικού γραφείου για τη λίμνη Hachiro. Αυτός ο ιστότοπος παρέχει πληροφορίες για τις παρατηρήσεις των κυανοβακτηριακών ανθισμάτων στη λίμνη Hachiro χρησιμοποιώντας το VCI από το 2008 από δύο έρευνες πεδίου τον 28 Αυγούστου 2012 και 13 Σεπτεμβρίου 2012.

Eικόνα 4:Τα επιτόπου μετρηθέντα φάσματα ανάκλασης για τα αντίστοιχα επίπεδα VCI στη λίμνη Nishiura που συλλέχθηκαν στις 3 Αυγούστου 2012:a) Επίπεδο 1, b) επίπεδο 2, c) επίπεδο 3, d) επίπεδο 4 , e) επίπεδο 5 και f) επίπεδο 6. Οι μετρημένες ανακλάσεις επανυπολογίστηκαν στις ανακλάσεις της ζώνης Landsat / ETM +. Η κλίμακα του κατακόρυφου άξονα είναι διαφορετική μεταξύ (a-d) και (e-f).

Οι έρευνες χρονολογούνται ώστε να συμπίπτουν με την απόκτηση εικόνων Landsat / ETM + εντός ± 1,5 ώρας. Οι εκχυλισμένες τιμές FAI του παραθύρου 3 × 3 υπολογίζονται κατά μέσον όρο και ταξινομούνται στα έξι επίπεδα VCI με βάση τα όρια που καθορίζονται από τις επιτόπιες τιμές FAI. Τέλος, τα επίπεδα VCI συγκρίθηκαν με τα in situ δεδομένα και τις εικόνες Landsat / ETM +. Στην εικόνα 3 παρουσιάζονται τα θηκογράμματα της συγκέντρωσης Chl-a και φυκοκυανίνης σε κυανοβακτηριακά άνθη σε κάθε επίπεδο VCI. Τα στοιχεία ελήφθησαν από την παρατήρηση των λιμνών Nishiura και Kitaura κατά την περίοδο Ιουνίου-Αυγούστου 2012. Η εικόνα 3 δείχνει τα επιτόπια μετρούμενα φάσματα ανάκλασης των κυανοβακτηριακών ανθών στα αντίστοιχα επίπεδα VCI. Τα δεδομένα ήταν που ελήφθησαν από την παρατήρηση της λίμνης Nishiura στις 3 Αυγούστου 2012. Τα φάσματα ανάκλασης επανυπολογίστηκαν στις ζώνες Landsat / ΕΤΜ +1-7, εκτός του καναλιού 6.

Eικόνα 5:Πίνακας με τις επί τόπου μετρημένες συγκεντρώσεις χρωστικής, ανακλαστικότητα και αντίστοιχες τιμές FAI για κάθε παρατηρούμενο επίπεδο VCI. Η έρευνα πεδίου διεξήχθη στη λίμνη Nishiura στις 3 Αυγούστου 2012

Eικόνα 6:Αλλαγές στις τιμές FAI και ανάκλασης σε κάθε επίπεδο VCI. Τα δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν συλλέχθηκαν από την έρευνα στην περιοχή της λίμνης Nishiura στις 3 Αυγούστου 2012: α) FAI, b) ανακλαστικότητα στη ζώνη 3, c) ανακλαστικότητα στη ζώνη 4, d) ανακλαστικότητα στη ζώνη 5.

Όπως περιεγράφηκε παραπάνω, οι τιμές FAI που υπολογίστηκαν συγκρίθηκαν με τα διαφορετικά επίπεδα VCI προκειμένου να καθοριστούν τα κατώτατα όρια (εικόνες 5 και 6). Έγινε επίσης σύγκριση των διαφορών στην ανακλαστικότητα στις ζώνες 3, 4 και 5, οι οποίες χρησιμοποιήθηκαν για τον υπολογισμό του FAI (εικόνα 6). Ο FAI και η ανακλαστικότητα στη ζώνη 4 έδειξαν ότι τα μεγέθη αυξήθηκαν με το επίπεδο VCI. Εντούτοις, βρέθηκαν επικαλύψεις μεταξύ των επιπέδων VCI 5 και 6. Ένα t-test έδειξε ότι οι τιμές FAI ήταν σημαντικά διαφορετικές μεταξύ των VCI επιπέδων 2 και 3, 3 και 4, και 4 και 5 (Ρ <0,05). Δεν ήταν, ωστόσο, σημαντικά διαφορετικές μεταξύ των επιπέδων VCI 1 και 2 (P> 0.05, FAI και ζώνη 4, αντίστοιχα) ή μεταξύ των επιπέδων 5 και 6 (P> 0.05, FAI και ζώνη 4 αντίστοιχα). Αντιθέτως, η ανακλαστικότητα στη ζώνη 3 διέφερε σημαντικά από εκείνη στα επίπεδα VCI 5 και 6. Οι αντανακλάσεις στη ζώνη 5 δεν ήταν σημαντικά διαφορετικές από οποιοδήποτε άλλο επίπεδο VCI.

Eικόνα 7:Διάγραμμα ροής ταξινόμησης για τον προσδιορισμό του επιπέδου VCI χρησιμοποιώντας το Landsat / ETM + εικόνες.

Eικόνα 8:Εικόνες Landsat / ETM + στις λίμνες Nishiura, Kitaura και Hachiro κατά τις περιόδους κυριαρχίας των κυανοβακτηρίων. Οι εικόνες των αληθινών χρωμάτων (a, c, και e) μετατράπηκαν στις εικόνες VCI (b, d και f) χρησιμοποιώντας τη διαδικασία ταξινόμησης σύμφωνα με το διάγραμμα ροής της εικόνας 7 (a, b) Λίμνες Nishiura και Kitaura στις 21 Αυγούστου 2012 . (γ, δ) λίμνη Hachiro στις 28 Αυγούστου 2012; (e, f) Λίμνη Hachiro στις 13 Σεπτεμβρίου 2012.

Eικόνα 9:Πίνακας με τη σύγκριση επιτόπιων παρατηρούμενων και δορυφορικών VCI επιπέδων στις λίμνες Nishiura, Kitaura και Hachiro. Τρεις εικόνες Landsat αποκτήθηκαν στις 21, 28 και 13 Σεπτεμβρίου 2012, οι οποίες ήταν οι ίδιες ημερομηνίες των αντίστοιχων επιτόπιων ερευνών

Κατά συνέπεια, προσδιορίστηκαν τα κατώτατα όρια μεταξύ των επιπέδων VCI με τον μέσο όρο της μέγιστης τιμής FAI στο χαμηλότερο επίπεδο VCI και των ελάχιστων τιμών FAI στο υψηλότερο επίπεδο VCI. Τα κατώτατα όρια FAI υπολογίστηκαν ως 0, 0.04 και 0.10 για τα επίπεδα VCI 2 και 3, 3 και 4, και 4 και 5, αντίστοιχα. Καθορίστηκαν επίσης το όριο μεταξύ των επιπέδων VCI 5 και 6 χρησιμοποιώντας την ανακλαστικότητα στη ζώνη 3 με τον ίδιο τρόπο που καθορίστηκαν τα κατώτατα όρια FAI. Τα κατώτατα όρια υπολογίστηκαν ως 0,07. Επιπλέον, έγινε ο συνδυασμός των επιπέδων VCI 1 και 2, επειδή ούτε οι τιμές FAI ούτε η τιμή ανάκλασης σε αυτά τα επίπεδα να είναι σημαντικά διαφορετικές. Το διάγραμμα ροής ταξινόμησης για τον προσδιορισμό του επιπέδου VCI από τις εικόνες Landsat / ETM + παρουσιάζεται στην εικόνα 7.

Το διάγραμμα ροής ταξινόμησης που αναπτύχθηκε χρησιμοποιώντας τα δεδομένα επί τόπιας εφαρμόστηκε σε τρεις εικόνες Landsat / ETM + με κυανοβακτηριδιακές περιόδους. Η εικόνα 8 απεικονίζει τις αληθινές έγχρωμες εικόνες RGB και τις παραγόμενες εικόνες VCI των λιμνών Nishiura, Kitaura και Hachiro. Τα κυανοβακτηριακά άνθη δεν είναι ξεκάθαρα στις εικόνες RGB των Λιμνών Nishiura και Kitaura στις 21 Αυγούστου 2012 ή στη λίμνη Hachiro στις 13 Σεπτεμβρίου 2012 (a και e). Ωστόσο, οι χάρτες ταξινόμησης αποκαλύπτουν την παρουσία κυανοβακτηριακών ανθισμάτων στο VCI επίπεδο 3 (b και f). Αντίθετα, η εικόνα RGB της λίμνης Hachiro στις 28 Αυγούστου 2012 δείχνει σαφώς ότι ανθίζουν τα κυανοβακτήρια στη δεξιά πλευρά της λίμνης (c). Ο χάρτης ταξινόμησης δείχνει επίσης έναν μεγάλο όγκο κυανοβακτηριακών ανθών, μέχρι το επίπεδο VCI 5 (d). Οι μέσες τιμές FAI του παραθύρου 3 × 3 εξήχθησαν σε κάθε επιτόπιο σημείο παρατήρησης από τις τρεις εικόνες Landsat / ETM +. Τα επίπεδα VCI που προέκυψαν από δορυφορικές τιμές FAI συγκρίθηκαν με εκείνα από παρατηρήσεις επί τόπου (εικόνα 9) και υπήρξε καλή ακρίβεια και συμφωνία μεταξύ των επιπέδων VCI.

Καταληκτικά, σε αυτή τη μελέτη, προτείνεται μια μέθοδος για την παρακολούθηση των επιπέδων των κυανοβακτηριακών ανθισμάτων χρησιμοποιώντας εικόνες Landsat / ETM +. Ο δείκτης FAI υπολογίζεται αρχικά από τις εικόνες Landsat / ETM + και στη συνέχεια χρησιμοποιείται για να ταξινομήσει τον όγκο των κυανοβακτηριακών ανθισμάτων σε έξι επίπεδα VCI. Το σύστημα ταξινόμησης VCI είναι κατάλληλο όταν τα κυανοβακτήρια σχηματίζουν επιφάνεια στη λίμνη. Η προσομοίωση με χρήση δεδομένων in-situ ανάκλασης έδειξε ότι ο FAI είναι πιο κατάλληλος για την παρακολούθηση των κυανοβακτηριακών ανθών σε εξαιρετικά υψηλές συγκεντρώσεις Chl-a (> 1000 μg L-1).

Σύνδεσμος πρωτότυπου κειμένου: [1]