Gepubliceerd op 5 mei 2022
Tegenwoordig wordt bij de monitoring van kust- en binnenwateren routinematig gebruik gemaakt van satellietgegevens, maar deze blijven meestal beperkt tot radiometrische metingen die zijn verkregen met multispectrale sensoren (die registreren in een beperkt aantal spectrale banden). De belangrijkste parameters die worden afgeleid zijn de totale concentraties van zwevende deeltjes en chlorofyl-a.
Deze parameters zijn zeer nuttig voor het toezicht op eutrofiëring en sedimenttransport. Gebruikers, waaronder instanties voor oppervlaktewaterbeheer, zijn echter geïnteresseerd in meer gedetailleerde informatie, zoals de oorsprong van sedimenten of de aanwezigheid van bepaalde fytoplanktonsoorten (waaronder pestsoorten). Gebruikers die zeer complexe wateren monitoren, zouden ook graag toegang hebben tot nauwkeuriger producten voor chlorofyl-a-concentraties. Voor sommige bijzonder troebele wateren is het inderdaad moeilijk om een goede raming van de chlorofyl-a-concentratie te verkrijgenen schieten de meeste multispectrale algoritmes tekort.
Hyperspectrale data springen in de bres
In antwoord op de vraag van gebruikers en ter voorbereiding van de volgende generatie hyperspectrale sensoren (b.v. de sensor voor NASA's PACE-missie, die dit jaar zal worden gelanceerd), zijn in het kader van het STEREO III-project HYPERMAQ nieuwe toepassingen van hyperspectrale radiometrie in binnen- en kustwateren onderzocht.
|
Hyperspectrale sensoren kunnen informatie registreren in een veelheid aan zeer smalle en aaneensluitende spectrale banden (vaak meer dan 200) van vaak slechts enkele nm breed in het zichtbare, nabij- en midden-infrarode deel van het elektromagnetische spectrum. Hyperspectrale gegevens verschaffen derhalve meer gedetailleerde informatie over de spectrale eigenschappen (fijne spectrale signatuur) van een scène en maken een nauwkeuriger identificatie en discriminatie van objecten mogelijk dan breedbandsensoren. (Zie Wegwijs in remote sensing) |
De onderzoekers ontwikkelden een verwerkingsketen, speciaal voor toepassingen in troebele kustwateren, voor de verwerking van beelden van de CHRIS-PROBA hyperspectrale sensor en stelden een databank samen van 96 opnames van de HYPERMAQ-studiesites.
PANTHYR-prototype geïnstalleerd op het RT1-platform nabij de haven van Oostende
Om de resultaten te valideren afkomstig van de hyperspectrale en multispectrale satellietsensoren werd een autonoom hyperspectraal radiometersysteem ontwikkeld. Twee PANTHYR-prototypes werden geïnstalleerd op offshore-platforms.
Microalgen opsporen
Naast het valideren van satellietgegevens zijn deze instrumenten zeer nuttig gebleken voor het monitoren van ecosystemen. In de Belgische kustwateren kon de proliferatie worden gevolgd van Phaeocystis globosa, een schadelijke fytoplanktonsoort die zeer grote algenbloei kan veroorzaken als gevolg van een teveel aan nitraat in het water. Het dikke, stinkende schuim dat zich in het water en op de stranden ophoopt, is hinderlijk voor vissers, toeristen en bewoners en verstoort de trofische interacties in het mariene ecosysteem. Met behulp van hyperspectrale gegevens is het mogelijk gebleken deze soort met een ongekende temporele resolutie (uren) te volgen.
Tijdreeks van chlorofyl-a-concentratie en dominantie van P. globosa (kleur van de stippen) berekend op basis van PANTHYR-reflectie in het voorjaar van 2020 voor het RT1-platform, gelegen op 500 m van de haven van Oostende
Van veldmetingen tot toekomstige satellietsensoren
alrijke in-situ-meetcampagnes werden ook uitgevoerd in binnenwateren en lagunes, estuaria en kustwateren in Europa (kustwateren en Spuikom in België en de locaties Verdon en Pauillac in het estuarium van de Gironde in Frankrijk), Zuid-Amerika (Rio de la Plata en het Chascomus-meer in Argentinië) en Azië (locaties Chongxi en Baozhen in het estuarium van de Yangtze in China) om gegevens te verzamelen voor de ontwikkeling en validering van algoritmen.
.
|
|
Tijdens deze campagnes werden optische eigenschappen (verstrooiing, absorptie, troebelheid, reflectie van het water), zwevende deeltjes, pigmentconcentraties, soortensamenstelling van fytoplankton en sedimentsamenstelling gemeten.
Naast de ontwikkeling en validering van algoritmen biedt de HYPERMAQ-dataset ook een beter inzicht in de radiometrische signatuur en ecologie van enkele slecht bekende en complexe milieus, zoals het Spuikom-bekken bij Oostende, België.
RGB-beeld (rood-groen-blauw) van Landsat 8 in quasi-echte kleuren (links) en pixels gemarkeerd als drijvende vegetatie uit een sectie van het Landsat 8-beeld (midden) en het MODIS Aqua-beeld van dezelfde dag (rechts)..
Na validering zouden sommige algoritmen kunnen worden toegepast op de satellietgegevens, waardoor de watermonitoring zou worden verbeterd door een brede ruimtelijke dekking en frequente revisits.
Chlorofyl-a-concentratie in de Rio de la Plata berekend met een hyperspectraal algoritme op een CHRIS-PROBA-beeld. Er is aangetoond dat voor zeer troebele wateren hyperspectrale gegevens de chlorofyl-a-concentratie beter kunnen opsporen.
Zo zou bijvoorbeeld de drijvende vegetatie in het zeer troebele water van de Rio de la Plata in Argentinië kunnen worden gevolgd met behulp van multispectrale satellietsensoren. Bovendien werd dankzij een hyperspectraal algoritme de recuperatie van chlorofyl-a-concentratie aanzienlijk verbeterd. De analyse van de in-situ metingen maakte het ook mogelijk aanbevelingen te doen voor toekomstige hyperspectrale satellietsensoren.
HYPERMAQ-project (Hyperspectral and multi-mission high resolution optical remote sensing of aquatic environments)