1 / 32

Kolor morza z poziomu satelitarnego

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

ina
Download Presentation

Kolor morza z poziomu satelitarnego

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript


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

  2. 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

  3. 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

  4. 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: Zastosowanie technik satelitarnych ..., wykład 6

  5. Równanie przenoszenia Ls = Ld+ TLw + TLr L s d L d b c e L r f L w ATMOSFERA MORZE a g IFOV • 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

  6. Przeciętny procentowy udział podstawowych składników sygnału rejestrowanego przez satelitę w widzialnym przedziale widma Zastosowanie technik satelitarnych ..., wykład 6

  7. 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

  8. 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

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

  10. 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 oświetleniaR=Eu/Edczyli 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

  11. 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

  12. 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. Zastosowanie technik satelitarnych ..., wykład 6

  13. Zastosowanie technik satelitarnych ..., wykład 6

  14. Kolor morza (4) - chlorofil Zastosowanie technik satelitarnych ..., wykład 6

  15. 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 Zastosowanie technik satelitarnych ..., wykład 6

  16. Optyczna klasyfikacja wód • TYP 1 (CASE 1) • ------------------------------------------------ • 1. ŻYWE KOMÓRKI GLONÓW • różne stężenie • 2. PRODUKTY OBUMIERANIA • wydalane przez zooplanktoni naturalny rozkład • 3. ROZPUSZCZONA MATERIA ORGANICZNA • uwalniana przez glony i ich rozkład (substancje żółte) • 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 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

  17. Optyczna klasyfikacja wód (2) Zastosowanie technik satelitarnych ..., wykład 6

  18. Kanały spektralne Zastosowanie technik satelitarnych ..., wykład 6

  19. 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:

  20. 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

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

  22. Koncentracja chlorofilu

  23. Coccolithophora (MODIS) Zastosowanie technik satelitarnych ..., wykład 6

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

  25. Zakwit fitoplanktonu

  26. Nodularin vs. indeks zmętnienia • Duża korelacja pomiędzy zakwitem Nodularia spumigenai 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 Zastosowanie technik satelitarnych ..., wykład 6

  27. = + - model liniowy R a b C 1 1 = + log R a b C - model logarytmiczny 2 2 C = + R c - model Gordona 1 + a b C 3 3 - model z ujemnym współczynnikiem - = + - d C ) ( 1 R a b e 1 4 4

  28. Misje - historia Zastosowanie technik satelitarnych ..., wykład 6

  29. Misje – stan aktualny

  30. Misje – przyszłość Zastosowanie technik satelitarnych ..., wykład 6

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

More Related