Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Kolor morza z poziomu satelitarnego Adam Krężel Instytut Oceanografii Zakład Oceanografii Fizycznej.

Podobne prezentacje


Prezentacja na temat: "Kolor morza z poziomu satelitarnego Adam Krężel Instytut Oceanografii Zakład Oceanografii Fizycznej."— Zapis prezentacji:

1 Kolor morza z poziomu satelitarnego Adam Krężel Instytut Oceanografii Zakład Oceanografii Fizycznej

2 13 stycznia 20142

3 Historia Początki: AVCS (Advanced Vidicon Camera System na satelitach ESSA-3, 5, 7 i 9 w latach ) S (SKYLAB 1973) MSS i TM na Landsatach CZCS na satelicie NIMBUS-7 Od początku lat dziewięćdziesiątych XX wieku szybki rozwój spowodowany pozytywnymi wynikami analizy danych rejestrowanych przez CZCS oraz wzrostem zapotrzebowania na informację o skutkach globalnych zmian klimatu na produkcję pierwotną. Na orbicie okołoziemskiej umieszczane są kolejne urządzenia: japońskie –MESRR (Multispectral Electronic Self-Scanning Radiometer) na satelitach MOS-1 (1987) i MOS-1B (1990) oraz –VNIR (Visible and Near Infrared Radiometer) na satelicie JERS-1 (1991), amerykańskie: –SeaWiFS (Sea-Scanning Wide Field-of-view Sensor) na satelicie OrbView 2, –MODIS (Moderate resolution Imaging Spectrometer) na satelitach Terra i Aqua ESA –MERIS (Medium Resolution Imaging Spectrometer) na satelicie Envisat indyjskie, koreańskie, chińskie itd. 13 stycznia 2014 Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 6 3

4 Podstawy fizyczne (1) Widzialna część widma promieniowania elektromagnetycznego ( µm) przydatna do badań morza Bardzo zły stosunek sygnału do szumu Tylko co najwyżej 15% sygnału zawiera informację o morzu 13 stycznia 2014 Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 6 4

5 Fizyczne podstawy satelitarnej teledetekcji morza w widzialnym przedziale widma Źródłem naturalnego promieniowania elektromagnetycznego, które dociera do czujnika satelitarnego obserwującego powierzchnię Ziemi w widzialnym przedziale widma jest Słońce Mamy zatem na "wejściu" spektralną gęstość stałej słonecznej, która związana jest z sygnałem rejestrowanym przez satelitę (radiacja L) równaniem przenoszenia: 13 stycznia 2014 Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 6 5

6 Równanie przenoszenia a - promieniowanie wychodzące spod powierzchni morza w obrębie IFOV i kierujące się po jej przejściu ku czujnikowi na satelicie; tworzy ono radiację L w niosącą informację o właściwościach morza; b,c - bezpośrednie i rozproszone w atmosferze promieniowanie słoneczne odbite od powierzchni morza w kierunku czujnika w obrębie IFOV; razem tworzą radiację odbitą L r nazywaną też odblaskiem; d,e - bezpośrednie i rozproszone promieniowanie słoneczne rozproszone w atmosferze w kierunku czujnika; daje wkład do tzw. atmosferycznej radiacji drogowej L d ; f - promieniowanie rozproszone w atmosferze i trafiające do czujnika po odbiciu od powierzchni morza poza jego polem widzenia i ponownym rozproszeniu w jego kierunku g - promieniowanie wychodzące spod powierzchni wody i rozproszone w kierunku czujnika w obrębie jego pola widzenia; wkład do radiacji drogowej L d. IFOV a L s L d L r L w d b g f MORZE ATMOSFERA L s = L d + TL w + TL r c e 13 stycznia 2014 Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 6 6

7 Przeciętny procentowy udział podstawowych składników sygnału rejestrowanego przez satelitę w widzialnym przedziale widma D ł ugo ść fali, λWkład do sygna ł u L s, [%] czysta woda m ę tna woda [nm]TL w LdLd TL r TL w LdLd TL r stycznia 2014 Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 6 7

8 Korekcja atmosferyczna Transmisja, jeśli uwzględni się podstawowe składniki procesu osłabiania promieniowania, ma postać: Dokładność wyznaczania wymienionych składników równania konieczna aby określić L w poprzez L s z błędem nie przekraczającym 1%: –korekcja geometryczna - 1°; –stała słoneczna E(λ) - 1%; –ozon g·m -2 ; –para wodna - 1 g·cm -2 (dla 750 nm); –τ A - 14% dla 440 nm, 1% dla 750 nm; –τ R - ciśnienie powietrza z dokł. 1% (10 hP) 13 stycznia 2014 Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 6 8

9 Przyjmuje się założenie: Jest ono słuszne jeśli indykatrysa rozpraszania na aerozolach i stosunek grubości optycznych w obu kanałach spektralnych są niezmienne w obrębie badanego obszaru. Jeśli w dodatku indykatrysa rozpraszania jest niezależna od długości fali wtedy S(λ 1,λ 2 ) można określić wzorem Korekcja atmosferyczna metoda czystej wody (clearwater subtraction technique) 13 stycznia 2014 Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 6 9

10 13 stycznia 2014 Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 6 10 Figure Schematic of the principle of multispectral atmospheric correction of ocean colour (Robinson 2004)

11 Kolor morza (1) Radiacja opuszczająca powierzchnię morza L w sama w sobie nie jest najlepszym wskaźnikiem właściwości fizycznych wody gdyż w dużym stopniu zależy ona także od swojego źródła, czyli padającego promieniowania słonecznego. Aby wyeliminować wpływ tego ostatniego bada się raczej tzw. współczynnik dyfuzyjnego odbicia oświetlenia R=E u /E d czyli stosunek oświetlenia oddolnego E u do odgórnego E d. W przypadku gładkiej powierzchni wody, współczynnik R związany jest z radiacją L w wyrażeniem: gdzie n – współczynnik załamania wody, ρ - fresnelowski współczynnik odbicia, θ' - kąt padania promieniowania, które wychodzi przez powierzchnię wody w kierunku θ (tzn. w kierunku satelity) Mając wartość L w zmierzoną przez radiometr na satelicie oraz obliczając E d możemy wyznaczyć współczynnik odbicia R. Biorąc pod uwagę, że Q i E d słabo zależą od długości fali możemy je wyeliminować wyznaczając stosunek R w dwóch kanałach spektralnych: 13 stycznia 2014 Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 6 11

12 Kolor morza (2) Współczynnik R zależy od wzajemnej relacji procesów absorpcji i rozpraszania wstecz. Ustalono (Morel & Prieur 1977), że zależność: gdzie b b - współczynnik rozpraszania wstecz, jest dobrym przybliżeniem tych relacji jeśli stosunek b b /a jest mały (<0.3). Gordon i in. (1975) proponują zapis tej zależności w nieco innej formie: 13 stycznia 2014 Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 6 12

13 Kolor morza (3) Najbardziej istotne cechy tego widma to dwa maksima absorpcji charakterystyczne dla chlorofilu (ok. 440 i 675 nm) i "spłaszczenie" zmienności rozpraszania od długości fali światła. 13 stycznia 2014 Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 6 13 Jeśli do wody zostanie "dodany" fitoplankton to obraz z rys. obok zostanie silnie zmodyfikowany. Poszczególne organizmy zaczną stanowić centra rozpraszające powodując zmianę współczynnika b b, a chlorofil zawarty w ich komórkach zmieni widmo absorpcji.

14 13 stycznia 2014 Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 6 14

15 Kolor morza (4) - chlorofil 13 stycznia 2014 Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 6 15

16 Kolor morza (5) Inny, istotny z punktu widzenia wpływu na jej właściwości optyczne, składnik wody to rozpuszczona materia organiczna w postaci tzw. substancji żółtych. Jej obecność powoduje silną absorpcję krótkofalowej (niebiesko- fioletowej) części widma. Ich obecność powoduje, że minimum absorpcji przesuwa się do środka widzialnego przedziału widma powodując żółtawe zabarwienie wody. Trzecim składnikiem wody morskiej mającym istotny wpływ na jej kolor są zawiesiny nieorganiczne. Są to cząstki wnoszone do morza przez rzeki i atmosferę, powstające na skutek erozji brzegów i dna, ścieki antropogeniczne etc. Powodują one znaczny wzrost rozpraszania (a także absorpcji) opisywanego z dobrym przybliżeniem przez teorię Mie, które słabo zależy od długości fali światła 13 stycznia 2014 Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 6 16

17 Optyczna klasyfikacja wód 4. ZAWIESINA UWOLNIONA z dna, wzdłuż brzegu i na płyciznach 5. CZĄSTKI TERYGENICZNE spływ rzeczny i lodowcowy 6. ROZPUSZCZONA MATERIA ORGANICZNA lądowe substancje żółte 7. PRODUKTY ANTROPOGENICZNE zawiesina i materia rozpuszczona TYP 1 (CASE 1) ŻYWE KOMÓRKI GLONÓW różne stężenie 2. PRODUKTY OBUMIERANIA wydalane przez zooplankton i naturalny rozkład 3. ROZPUSZCZONA MATERIA ORGANICZNA uwalniana przez glony i ich rozkład (substancje żółte) TYP 2 (CASE 2) Podstawowe czynniki wpływające na właściwości optyczne wody morskiej. Wody, w których występują procesy 1, 2 i 3 określane są jako wody typu 1 (Case 1); wody, w których występuje co najmniej 1 proces z pozostałej grupy klasyfikuje się jako typ 2 (Case 2) (Gordon i Morel 1983). 13 stycznia 2014 Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 6 17

18 Optyczna klasyfikacja wód (2) 13 stycznia 2014 Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 6 18

19 Kanały spektralne AVHRRCZCSMOS-IRSOCTSSeaWiFSMODISMERISZastosowanie 408±5 412± ± ±10 Chlorofil, substancje żółte, detrytus 443±10 443±5 443±10 443± ±10 Chlorofil – maksimum absorpcji 485±11 490±10 488±5 490±10 Chlorofil i inne pigmenty 520±10 520±5 520 ±9 520±10 531±5 510 ±10 Zawiesina, pasmo odniesienia ±10 570±5 570±10 555±10 551±5 560 ±10 Chlorofil – minimum absorpcji 615±5 620 ±10 Zawiesina 650±5 645±25 Fluorescencja – kanał odniesienia 670±10 685±5 670±10 667±5 665 ±10 Chlorofil, aerozole – korekcja atmosferyczna 678± ±7.5 Fluorescencja chlorofilu ±10 Fluorescencja – kanał odniesienia, korekcja atmosferyczna ±50 750±5 748± ±7.5 Wegetacja, chmury 765± ±3.75 Identyfikacja lądu i chmur, absorpcja O 2 13 stycznia 2014 Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 6 19

20 Algorytm NASA Stosunkowo niewielka różnorodność wód otwartego oceanu pod względem wymienionych cech w odniesieniu do wód przybrzeżnych powoduje, że algorytmy związku z kolorem dla tych pierwszych (Case 1) są znacznie pewniejsze niż w przypadku wód typu 2. Gordon i Clark jako jedni z pierwszych zauważyli, na podstawie analizy materiału satelitarnego (CZCS) i równoczesnych pomiarów in situ, że związek pomiędzy "kolorem" morza a zawartością chlorofilu w jego wodach dobrze przybliża wyrażenie: algorytm NASANa podstawie doświadczeń zebranych w trakcie przygotowywania pierwszej misji satelitarnej dedykowanej do pomiarów koloru morza i analizy danych zarejestrowanych przez CZCS określono przeciętne współczynniki równania (5.13). Otrzymana postać równania określana jako algorytm NASA: 13 stycznia

21 Algorytmy OC (SeaWiFS) OC2, OC4 W przypadku wód oligo- i mezotroficznych opracowane zostały empiryczne algorytmy wiążące koncentrację chlorofilu a ze stosunkiem współczynników zdalnie określanej reflektancji (reflektancji bezkontaktowej) w różnych kanałach spektralnych noszące nazwy OC2, OC4 (od ocean color). I tak np. algorytm OC4 polega na określeniu, który ze stosunków R(443)/R(555), R(490)/R(555) i R(510)/R(555) ma największą wartość. Po dokonaniu takiego wyboru oblicza się wartość jego logarytmu dziesiętnego (R=log10R G ), a następnie koncentrację chlorofilu stosując wyrażenie: 13 stycznia 2014 Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 6 21

22 Algorytmy OC (MODIS) Algorytm OC3M: gdzie : 13 stycznia 2014 Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 6 22

23 Koncentracja chlorofilu 13 stycznia

24 Coccolithophora (MODIS) 13 stycznia 2014 Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 6 24

25 Zakwit fitoplanktonu (AVHRR) Zakwit fitoplanktonu w Bałtyku AVHRR kanał 1 (lewa strona) i temperatura warstwy powierzchniowej (prawa strona) 13 stycznia 2014 Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 6 25

26 Zakwit fitoplanktonu

27 Nodularin vs. indeks zmętnienia Duża korelacja pomiędzy zakwitem Nodularia spumigena i indeksem zmętnienia System satelitarny identyfikacji zakwitu – dobre uzupełnienie dla pomiarów in situ i analiz laboratoryjnych Stosunkowo łatwy szacunek zawartości nodularyny na dużym obszarze Source: Mazur-Marzec H., Krężel A., Kobos J., Pliński M., 2006, 10-year studies into the toxic Nodularia spumigena blooms in the coastal waters of the Gulf of Gdańsk, submitted to Oceanologia 13 stycznia 2014 Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 6 27

28 - model z ujemnym współczynnikiem - model Gordona - model logarytmiczny - model liniowy RabC RabC Rc C abC Rabe dC log () 13 stycznia

29 Misje - historia CzujnikWłaścicielSatelitaStart Ścieżka (km) Rozdziel- czość (m) Liczba kanałów Zakres widmowy (nm) Orbita CZCS NASA (USA) Nimbus-7 (USA) 24/10/ /6/ Polarna CMODIS CNSA (China) SZ-3 (China) 25/3/ /9/ Polarna COCTS CNSA (China) HY-1A (China) 15/5/02 - 1/4/ Polarna CZI CNSA (China) HY-1A (China) 15/5/02 - 1/4/ Polarna GLI NASDA (Japan) ADEOS-II (Japan) 25/1/ /10/ / Polarna MOS DLR (Germany) IRS P3 (India) 21/3/ /5/ Polarna OCTS NASDA (Japan) ADEOS (Japan) 03/9/ /6/ Polarna POLDER CNES (France) ADEOS (Japan) 16/9/ /6/ km Polarna POLDER-2 CNES (France) ADEOS-II (Japan) 01/2/ /10/ Polarna 13 stycznia 2014 Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 6 29

30 Misje – stan aktualny CzujnikWłaścicielSatelitaStart Ścieżka (km) Rozdziel- czość (m) Liczba kanałów Zakres widmowy (nm) Orbita MERIS ESA (Europa) ENVISAT (Europa) 01/03/ / Polarna MMRS CONAE (Argentyna) SAC-C (Argentyna) 21/11/ Polarna MODIS-Aqua NASA (USA) Aqua (EOS-PM1) 04/05/ Polarna MODIS-Terra NASA (USA) Terra (USA) 18/12/ Polarna OCI NEC (Japonia) ROCSAT-1 (Taiwan) 27/01/ Polarna OCM ISRO (Indie) IRS-P4 (Indie) 26/05/ Polarna OSMI KARI (Korea) KOMPSAT (Korea) 20/12/ Polarna PARASOL CNES (Francja) Myriade Series 18/12/ Polarna SeaWiFS NASA (USA) OrbView-2 (USA) 01/08/ Polarna

31 Misje – przyszłość CzujnikWłaścicielSatelitaStart Ścieżka [km] Rozdziel- czość [m] Liczba kanałów Zakres widmowy [nm] Orbita GOCI KARI/KO RDI COMS-1 (Korea) Geostationary GOCI KARI/KO RDI COMS-2 (Korea) Geostationary HES-CW NOAA/NE SDIS GOES-R (USA) Geostationary OCM-II ISRO (India) IRS-P7 (India) km Polar S-GLI JAXA (Japan) GCOM-C (Japan) / Polar VIIRS NASA / IPO NPP / ,800 Polar VIIRS NASA / IPO NPOESS / ,800 Polar 13 stycznia 2014 Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 6 31

32 Projekt GlobColour 13 stycznia 2014 Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 6 32


Pobierz ppt "Kolor morza z poziomu satelitarnego Adam Krężel Instytut Oceanografii Zakład Oceanografii Fizycznej."

Podobne prezentacje


Reklamy Google