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

26 marca 2017

Zastosowanie technik satelitarnych ..., wykład 6 Historia Początki: AVCS (Advanced Vidicon Camera System na satelitach ESSA-3, 5, 7 i 9 w latach 1966-1973) S190-192 (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. Zastosowanie technik satelitarnych ..., wykład 6 26 marca 2017

Zastosowanie technik satelitarnych ..., wykład 6 Podstawy fizyczne (1) Widzialna część widma promieniowania elektromagnetycznego (0.4-0.7 µm) przydatna do badań morza Bardzo zły stosunek sygnału do szumu Tylko co najwyżej 15% sygnału zawiera informację o morzu Zastosowanie technik satelitarnych ..., wykład 6 26 marca 2017

Zastosowanie technik satelitarnych ..., wykład 6 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: 26 marca 2017 Zastosowanie technik satelitarnych ..., wykład 6

Równanie przenoszenia IFOV a L s d r w b g f MORZE ATMOSFERA Ls = Ld + TLw + TLr c e a - promieniowanie wychodzące spod powierzchni morza w obrębie IFOV i kierujące się po jej przejściu ku czujnikowi na satelicie; tworzy ono radiację Lw 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 Lr nazywaną też odblaskiem; d,e - bezpośrednie i rozproszone promieniowanie słoneczne rozproszone w atmosferze w kierunku czujnika; daje wkład do tzw. atmosferycznej radiacji drogowej Ld; 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 Ld. Zastosowanie technik satelitarnych ..., wykład 6 26 marca 2017

Zastosowanie technik satelitarnych ..., wykład 6 Przeciętny procentowy udział podstawowych składników sygnału rejestrowanego przez satelitę w widzialnym przedziale widma Długość fali, λ Wkład do sygnału Ls, [%] czysta woda mętna woda [nm] TLw Ld TLr 440 520 550 670 750 14.4 17.5 14.5 2.2 1.1 84.4 81.2 84.2 96.3 97.0 1.2 1.3 1.5 1.9 18.1 32.3 34.9 16.4 80.8 66.6 64.1 82.4 97.4 1.0 26 marca 2017 Zastosowanie technik satelitarnych ..., wykład 6

Korekcja atmosferyczna Transmisja, jeśli uwzględni się podstawowe składniki procesu osłabiania promieniowania, ma postać: Dokładność wyznaczania wymienionych składników równania konieczna aby określić Lw poprzez Ls z błędem nie przekraczającym 1%: korekcja geometryczna - 1°; stała słoneczna E(λ) - 1%; ozon - 0.5 g·m-2; para wodna - 1 g·cm-2 (dla 750 nm); τA - 14% dla 440 nm, 1% dla 750 nm; τR - ciśnienie powietrza z dokł. 1% (10 hP) Zastosowanie technik satelitarnych ..., wykład 6 26 marca 2017

Korekcja atmosferyczna 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(λ1,λ2) można określić wzorem metoda czystej wody (clearwater subtraction technique) Zastosowanie technik satelitarnych ..., wykład 6 26 marca 2017

Zastosowanie technik satelitarnych ..., wykład 6 Figure 6.14. Schematic of the principle of multispectral atmospheric correction of ocean colour (Robinson 2004) Zastosowanie technik satelitarnych ..., wykład 6 26 marca 2017

Zastosowanie technik satelitarnych ..., wykład 6 Kolor morza (1) Radiacja opuszczająca powierzchnię morza Lw 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=Eu/Ed czyli stosunek oświetlenia oddolnego Eu do odgórnego Ed. W przypadku gładkiej powierzchni wody, współczynnik R związany jest z radiacją Lw 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 Lw zmierzoną przez radiometr na satelicie oraz obliczając Ed możemy wyznaczyć współczynnik odbicia R. Biorąc pod uwagę, że Q i Ed słabo zależą od długości fali możemy je wyeliminować wyznaczając stosunek R w dwóch kanałach spektralnych: Zastosowanie technik satelitarnych ..., wykład 6 26 marca 2017

Zastosowanie technik satelitarnych ..., wykład 6 Kolor morza (2) Współczynnik R zależy od wzajemnej relacji procesów absorpcji i rozpraszania wstecz. Ustalono (Morel & Prieur 1977), że zależność: gdzie bb - współczynnik rozpraszania wstecz, jest dobrym przybliżeniem tych relacji jeśli stosunek bb/a jest mały (<0.3). Gordon i in. (1975) proponują zapis tej zależności w nieco innej formie: Zastosowanie technik satelitarnych ..., wykład 6 26 marca 2017

Zastosowanie technik satelitarnych ..., wykład 6 Kolor morza (3) Jeśli do wody zostanie "dodany" fitoplankton to obraz z rys. obok zostanie silnie zmodyfikowany. Poszczególne organizmy zaczną stanowić centra rozpraszające powodując zmianę współczynnika bb, a chlorofil zawarty w ich komórkach zmieni widmo absorpcji. 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. 26 marca 2017 Zastosowanie technik satelitarnych ..., wykład 6

Zastosowanie technik satelitarnych ..., wykład 6 26 marca 2017

Kolor morza (4) - chlorofil Zastosowanie technik satelitarnych ..., wykład 6 26 marca 2017

Zastosowanie technik satelitarnych ..., wykład 6 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 26 marca 2017 Zastosowanie technik satelitarnych ..., wykład 6

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) ------------------------------------------------ 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). Zastosowanie technik satelitarnych ..., wykład 6 26 marca 2017

Optyczna klasyfikacja wód (2) Zastosowanie technik satelitarnych ..., wykład 6 26 marca 2017

Zastosowanie technik satelitarnych ..., wykład 6 Kanały spektralne AVHRR CZCS MOS-IRS OCTS SeaWiFS MODIS MERIS Zastosowanie 408±5 412±10 412.5±7.5 412.5±10 Chlorofil, substancje żółte, detrytus 443±10 443±5 442.5±10 Chlorofil – maksimum absorpcji 485±11 490±10 488±5 Chlorofil i inne pigmenty 520±10 520±5 520 ±9 531±5 510 ±10 Zawiesina, pasmo odniesienia 580-680 570±10 570±5 555±10 551±5 560 ±10 Chlorofil – minimum absorpcji 615±5 620 ±10 Zawiesina 650±5 645±25 Fluorescencja – kanał odniesienia 670±10 685±5 667±5 665 ±10 Chlorofil, aerozole – korekcja atmosferyczna 678±5 681.25±7.5 Fluorescencja chlorofilu 708.75±10 Fluorescencja – kanał odniesienia, korekcja atmosferyczna 725-1100 750±50 750±5 748±5 753.75±7.5 Wegetacja, chmury 765±20 760.625 ±3.75 Identyfikacja lądu i chmur, absorpcja O2 Zastosowanie technik satelitarnych ..., wykład 6 26 marca 2017

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: Na 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: 26 marca 2017

Algorytmy OC (SeaWiFS) 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=log10RG), a następnie koncentrację chlorofilu stosując wyrażenie: Zastosowanie technik satelitarnych ..., wykład 6 26 marca 2017

Zastosowanie technik satelitarnych ..., wykład 6 Algorytmy OC (MODIS) Algorytm OC3M: gdzie: Zastosowanie technik satelitarnych ..., wykład 6 26 marca 2017

Koncentracja chlorofilu Zakwit w strefie równikowej Pacyfiku (pomiędzy Nową Gwineą i Galapagos) w 1998 r. w okresie powrotu La Nina, zaraz po silnym wystąpieniu El Nino na przełomie lat 1997 i 1998 26 marca 2017

Coccolithophora (MODIS) Zastosowanie technik satelitarnych ..., wykład 6 26 marca 2017

Zakwit fitoplanktonu (AVHRR) Zakwit fitoplanktonu w Bałtyku 1.08.2003. AVHRR kanał 1 (lewa strona) i temperatura warstwy powierzchniowej (prawa strona) 26 marca 2017 Zastosowanie technik satelitarnych ..., wykład 6

Zakwit fitoplanktonu eddies (przykład w zbliżeniu),

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 19. During mass bloom of N. spumigena in the Gulf of Gdańsk point-wise measurements of nodularin concentration in the surface water and mean value of remotely determined turbidity index show unexpectedly good agreement. It means that the satellite system of bloom detection and determination, even at present level of development, can be a good complement for time consuming in situ sampling followed by laboratory analyses. If confirmed in further investigations, results like those presented here will make a comparatively easy estimation of total amount of this toxin at broader area possible. 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 Zastosowanie technik satelitarnych ..., wykład 6 26 marca 2017

R a b C c e = + - log ( ) - model liniowy - model logarytmiczny 1 2 3 4 log ( ) - model liniowy - model logarytmiczny - model Gordona - model z ujemnym współczynnikiem 26 marca 2017

Zastosowanie technik satelitarnych ..., wykład 6 Misje - historia Czujnik Właściciel Satelita Start Ścieżka (km) Rozdziel-czość (m) Liczba kanałów Zakres widmowy (nm) Orbita CZCS NASA (USA) Nimbus-7 (USA) 24/10/78 - 22/6/86 1556 825 6 433-12500 Polarna CMODIS CNSA (China) SZ-3 (China) 25/3/02 - 15/9/02 - 400 34 403-12500 COCTS HY-1A (China) 15/5/02 - 1/4/04 1400 1100 10 402-12500 CZI 500 250 4 420-890 GLI NASDA (Japan) ADEOS-II (Japan) 25/1/03 - 24/10/03 1600 250/1000 36 375-12500 MOS DLR (Germany) IRS P3 (India) 21/3/96 - 31/5/04 200 18 408-1600 OCTS ADEOS (Japan) 03/9/96 - 29/6/97 700 12 POLDER CNES (France) 16/9/96 - 29/6/97 2400 6 km 9 443-910 POLDER-2 01/2/03 - 24/10/03 6000 Zastosowanie technik satelitarnych ..., wykład 6 26 marca 2017

Misje – stan aktualny Czujnik Właściciel Satelita Start Ścieżka (km) Rozdziel-czość (m) Liczba kanałów Zakres widmowy (nm) Orbita MERIS ESA (Europa) ENVISAT (Europa) 01/03/02 1150 300/1200 15 412-1050 Polarna MMRS CONAE (Argentyna) SAC-C (Argentyna) 21/11/00 360 175 5 480-1700 MODIS-Aqua NASA (USA) Aqua (EOS-PM1) 04/05/02 2330 1000 36 405-14385 MODIS-Terra Terra (USA) 18/12/99 OCI NEC (Japonia) ROCSAT-1 (Taiwan) 27/01/99 690 825 6 433-12500 OCM ISRO (Indie) IRS-P4 (Indie) 26/05/99 1420 350 8 402-885 OSMI KARI (Korea) KOMPSAT (Korea) 20/12/99 800 850 400-900 PARASOL CNES (Francja) Myriade Series 18/12/04 2100 6000 9 443-1020 SeaWiFS OrbView-2 (USA) 01/08/97 2806 1100

Zastosowanie technik satelitarnych ..., wykład 6 Misje – przyszłość Czujnik Właściciel Satelita Start Ścieżka [km] Rozdziel-czość [m] Liczba kanałów Zakres widmowy [nm] Orbita GOCI KARI/KORDI COMS-1 (Korea) 2008 2500 500 8 400 - 865 Geostationary COMS-2 (Korea) 2014 HES-CW NOAA/NESDIS GOES-R (USA) 2012 400 30 - 300 14 412 - 900 OCM-II ISRO (India) IRS-P7 (India) 2007 -- 1 - 4 km 400 - 900 Polar S-GLI JAXA (Japan) GCOM-C (Japan) 2011 1150 250/1000 19 375 - 12500 VIIRS NASA / IPO NPP 2009 3000 370 / 740 22 402 - 11,800 NPOESS 26 marca 2017 Zastosowanie technik satelitarnych ..., wykład 6

Projekt GlobColour http://www.globcolour.info/ http://www.ioccg.org http://www.globcolour.info/ http://www.ioccg.org Zastosowanie technik satelitarnych ..., wykład 6 26 marca 2017