From research to applications: monitoring optically complex waters with MERIS/ENVISAT data

Abstract

Järved ja rannikuveed pakuvad olulisi ökosüsteemi teenuseid. Tagamaks veekeskkondade seire ja ökoloogilise seisundi hindamise on Euroopa Liidus loodud mitmeid direktiive ja regionaalseid konventsioone. Kuna vee kvaliteet võib olla muutlik nii sesoonselt kui ruumiliselt võimaldab kaugseire efektiivset seire meetodit, mille abil saab hinnata vee kvaliteedi hetkeolukorda, muutusi võrreldes varasema seisundiga ning seda ka veekogudes, mis ei ole kaetud tavaseireprogrammide raames. Käesolevas töös uuriti esimese spetsiaalselt optilistelt keerukate vete seireks loodud satelliitsensori MERIS/ENVISAT andmete kasutamisvõimalusi viie Põhja Euroopa järve ja kahe Läänemere rannikuala bio-optiliste andmete alusel. Olemasolevate MERIS standardalgoritmide õigsuse hinnang näitas, et need ei anna täpseid tulemusi veekogudes, kus on kõrge lahustunud orgaanilise aine ja klorofüll a hulk. Fütoplanktoni parameetrite (klorofüll a, sinivetikate biomass, fütoplanktoni biomass) hindamiseks kasutati punases ja lähisinfrapunases spektriosas töötavat spektraalset indeksit, mis kalibreeriti kohalikesse oludesse. Kuna indeks on rakendatav MERIS L1b andmetele, lubab see kvantitatiivselt hinnata vee kvaliteedi parameetreid sinivetika õitsengute korral, mille puhul MERIS standardalgoritmid ei tööta. Hindamaks kaugseire andmetest veealust valgusvälja, millest sõltub veealuste organismide elutegevus, loodi kaalufunktsioonidel põhinev kombineeritud kanalisuhte algoritm, mis selgemate vete puhul kasutab kanalite 490/709 suhet ning sogasemate puhul 560/70 ning hindab edukalt valguse difuusset nõrgenemiskoefitsienti, Kd(490), satelliidiandmetest. Secchi sügavuse hindamiseks andis parimaid tulemusi algoritm, mis võttis pikselhaaval sisendiks satellidiandmetest arvutatud diffusse ja summaarse nõrgenemiskoefitsiendi ning peegeldusteguri väärtused üle nähtava laineala. Töös arendatud algoritmid rakendati MERIS arhiivi 2002–2011 andmetele hindamaks erinevate järvede ökoloogilist seisundit nii nagu on nõutud EL veepoliitika raamdirektiivi poolt. Tulemused näitasid, et kaugseire andmeid saab kasutada täiendava infoallikana ökoloogilise seisundi hindamisel. Väljatöötatud algoritmid ja rakendused on kohandatavad 2016. aasta veebruaris tööd alustanud Sentinel-3/OLCI andmetele, mille abil on optiliselt keerukate vete seire kosmosest võimalik vähemalt aastani 2029.

Lakes and coastal areas provide a wide range of essential ecosystem services. Various directives and regional conventions have been established to ensure the monitoring and assessment of the ecological status of the aquatic ecosystems. Since water quality can have rapid changes in temporal and spatial scale, remote sensing can provide a cost-effective approach to assess the current and derive historic water quality information also for waterbodies that have not been part of conventional monitoring programmes. This thesis presents research about applications for MERIS/ENVISAT data in order to monitor optically-complex aquatic environment such as inland and coastal waters on the basis of bio-optical data from five North European lakes and two Baltic Sea coastal sites. The validation of MERIS standard water quality products indicated their unsuitability for waters with high amounts of chlorophyll a and humic substances. To map the phytoplankton parameters (CHL, cyanobacterial biomass, phytoplankton biomass) a spectral index which operates on red and near-infrared bands was used and calibrated to local conditions. So, this index allows derivation of the water quality parameters quantitatively in case of highly scattering cyanobacterial blooms, which is not possible with standard algorithms. To estimate underwater light field via transparency, an empirical combined band ratio algorithm was developed which switches from various band ratios based on the water transparency and determines the diffuse attenuation coefficient Kd(490) with high accuracy. Additionally, Secchi depth can be also estimated reliably via satellite derived inputs of diffuse and total beam attenuation coefficients and reflectance over visible wavelengths. The developed algorithms were applied on the MERIS archive from 2002 to 2011 to estimate the ecological status in lakes as required by the EU Water Framework Directive which showed that remote sensing products could be used as an additional source of information for assessment and reporting purposes. Despite the study in this thesis is based on the MERIS/ENVISAT data, the developed algorithms and methods can be applied on new Sentinel3/OLCI data that will provide EO data over optically complex waters at least until 2029.