Corrección atmosférica de imágenes de color del mar en aguas turbias del Río de la Plata.

Gossn, Juan Ignacio

Registro:

Documento:	Tesis Doctoral
Título:	Corrección atmosférica de imágenes de color del mar en aguas turbias del Río de la Plata.
Título alternativo:	Atmospheric Correction of Ocean Color Images of the Turbid Waters of Río de la Plata Estuary.
Autor:	Gossn, Juan Ignacio
Editor:	Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales
Filiación:	Universidad de Buenos Aires - CONICET. Instituto de Astronomía y Física del Espacio (IAFE)
Publicación en la Web:	2022-03-29
Fecha de defensa:	2020-02-27
Fecha en portada:	2020
Grado Obtenido:	Doctorado
Título Obtenido:	Doctor de la Universidad de Buenos Aires en el área de Ciencias Físicas
Director:	Dogliotti, Ana Inés
Director Asistente:	Grings, Francisco Matías
Consejero:	Mandrini, Cristina Hemilse
Jurado:	Concha, Javier; Saraceno, Martin; Torrusio, Sandra Edith
Idioma:	Español
Palabras clave:	COLOR DEL MAR; CORRECCION ATMOSFERICA; AGUAS TURBIAS; RIO DE LA PLATA; SABIA-MAR; OCEAN AND LAND COLOR INSTRUMENTOCEAN COLOUR; ATMOSPHERIC CORRECTION; TURBID WATERS; RIO DE LA PLATA; SABIA-MAR; OCEAN AND LAND COLOR INSTRUMENT
Formato:	PDF
Handle:	http://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n6930_Gossn
PDF:	https://bibliotecadigital.exactas.uba.ar/download/tesis/tesis_n6930_Gossn.pdf
Registro:	https://bibliotecadigital.exactas.uba.ar/collection/tesis/document/tesis_n6930_Gossn
Ubicación:	Dep.FIS 006930
Derechos de Acceso:	Esta obra puede ser leída, grabada y utilizada con fines de estudio, investigación y docencia. Es necesario el reconocimiento de autoría mediante la cita correspondiente. Gossn, Juan Ignacio. (2020). Corrección atmosférica de imágenes de color del mar en aguas turbias del Río de la Plata.. (Tesis Doctoral. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales.). Recuperado de http://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n6930_Gossn

Resumen:

El sensoramiento remoto en la región óptica del espectro electromagnético, o color del mar, ha demostrado su capacidad de proveer información sinóptica de las propiedades ópticas y biogeoquímicas de los océanos. Esta se basa en la determinación de la radiancia espectral que proviene de la superficie del agua que es obtenida a partir de la señal que llega al tope de la atmósfera (TOA). La amplitud y la forma del espectro de este producto geofísico primario (generalmente dado como reflectancia) son interpretadas en términos de los productos derivados como concentraciones de sustancias ópticamente activas o propiedades ópticas inherentes (Inherent Optical Properties, IOPs) que pueden ser luego utilizadas en aplicaciones ambientales y modelos biogeoquímicos a escala regional y global. La precisión en la estimación de estos parámetros depende sin embargo de la capacidad de obtener la reflectancia medida justo sobre la superficie del agua, ρw, a partir de la radiancia total medida por el sensor, LT OA. Este procesamiento que se le debe realizar a la señal incluye entre otros, la eliminación de la contribución de la atmósfera, proceso llamado corrección atmosférica (CA). En este contexto, esta tesis tuvo como objetivo la exploración de nuevas alternativas de algoritmos de CA sobre la región abarcada por el Estuario del Río de la Plata (RdP), cuyas aguas extremadamente turbias (principalmente en la región del frente de turbidez, a la altura de la Barra del Indio) constituyen un desafío tanto para los esquemas de CA tradicionales, como para las alternativas desarrolladas para aguas turbias. En el capítulo 3 se describe el algoritmo BLR-AC (CA por Resíduos de Línea de Base), el cual fue calibrado, testeado y validado sobre imágenes OLCI (Ocean and Land Color Instrument) aunque es potencialmente extendible a otros sensores con tripletes de bandas espectralmente cercanas en el rango Rojo-NIR-SWIR (NIR: Near Infrared o infrarrojo cercano. SWIR: Short Wave Infrared o infrarrojo de onda corta). Los resultados muestran desempeños favorables en comparación con otros esquemas (como BAC/BPAC v2.23, C2RCC, C2RCCnewNN, SeaDAS). Se observan correlaciones espaciales comparativamente más bajas entre las reflectancias del agua y las de aerosoles; valores más coincidentes con las mediciones realizadas in situ (ejercicio de match-up), y correspondencias muy buenas entre las reflectancias del agua en el Rojo/NIR estimadas con BLR-AC y con un esquema no operativo sencillo - diseñado ad-hoc para la comparación - basado en la extrapolación de la señal de aerosoles en ventanas fijas de aguas claras a toda la región de interés. Si bien los resultados obtenidos con el esquema BLR-AC son favorables, aún es necesario extender la corrección a bandas del visible a partir de un método de extrapolación y eventuales condiciones de contorno adicionales en la región visible del espectro. En el capítulo 4 se describe el algoritmo SWIR-PCA (Análisis de Componentes Principales de la señal de aerosoles utilizando bandas en el SWIR) desarrollado para aguas ópticamente complejas del Río de la Plata para sensores como SABIA-Mar (Satélite Argentino-Brasileño para Información del Mar) y MODIS (MODerate Resolution Imaging Spectro-radiometer) que poseen bandas en la región espectral del SWIR lejano, es decir, donde es válido el supuesto de agua negra (Gordon 1978, [1]) para cualquier concentración de sedimentos. El esquema está basado en la descomposición en componentes principales de la señal atmosférica en el NIR/SWIR y en la consecuente utilización de las bandas en el SWIR para la determinación de la señal en el NIR. El esquema fue testeado teóricamente a partir de simulaciones de transferencia radiativa de un sistema acoplado agua-atmósfera, mostrando resultados plausibles en la determinación de la reflectancias del agua en las bandas NIR de los sensores considerados (MODIS, SABIA-Mar, entre otros). A su vez, un análisis geoestadístico aplicado a un conjunto de imágenes Aqua/MODIS se realizó para testear el impacto del ruido del sensor sobre el desempeño del algoritmo, mostrando una baja sensibilidad del esquema al ruido del sensor. Si bien los resultados de dicho esquema son plausibles, aún es fundamental testear su desempeño en imágenes de sensores ya en órbita, como Aqua/MODIS y nuevamente extender la corrección a bandas del visible. En el capítulo 5 se describe un procedimiento de detección y remoción de eventos de partículas veloces (EPVs) que impactan en los sensores que orbitan en trayectorias de tipo LEO (Low Earth Orbit) - como por ej., OLCI. Dichos eventos son extremadamente frecuentes en la región de la Anomalía Magnética del Atlántico Sur (SAA, South Atlantic Anomaly) - en particular, afectando las imágenes del Río de la Plata. El desempeño de este algoritmo fue evaluado tanto visualmente como mediante la comparación con resultados preexistentes - evaluados sobre el sensor OLCI previo al lanzamiento. Los resultados indican que las imágenes sobre la región de la SAA contienen 27.8 veces más píxeles contaminados por EPVs que las correspondientes a regiones por fuera de la SAA y que las bandas más afectadas son las de 400 y 1016 nm, donde la fracción de píxeles detectados como contaminados por EPVs sobre la SAA alcanzó el 0.14 % y 0.26 %, respectivamente. Dicha corrección forma parte del preprocesamiento realizado previo a la corrección atmosférica descrita en el capítulo 3 (BLR-AC). En el capítulo 6 se describe una aplicación desarrollada para imágenes de color del mar del Río de la Plata: el algoritmo FAIT (Floating Algal Index for Turbid waters) de detección de vegetación flotante (VF) en aguas turbias. En este capítulo se evaluó la invasión inusual del jacinto de agua (Eichhornia crassipes) ocurrida en el RdP en enero-abril de 2016 desde una perspectiva de múltiples misiones; se discutió el impacto de diferentes resoluciones espaciales en la detección de la VF, y finalmente se analizó y cuantificó su extensión espacial y variabilidad temporal y su relación con el caudal de salida del río. Finalmente, en el capítulo 7 se describe otra aplicación específica a estas imágenes: un posible algoritmo de detección de derrames de hidrocarburos en aguas turbias, junto con diversos índices que permitirían determinar el espesor de la capa superficial del derrame. Para ello se armó una muestra de aguas del RdP a escala de laboratorio a la cual se vertieron diferentes volúmenes de hidrocarburos, y habiendo expuesto dicha muestra a condiciones de iluminación natural, se midieron las reflectancias del agua a diferentes espesores de derrame. Los resultados nos muestran que existen varios índices espectrales que podrían auspiciar de indicadores de presencia de hidrocarburos en aguas turbias, como el cociente de reflectancias roja e infrarroja, la luminosidad, la turbidez o el cociente violeta/rojo. Si bien las diferencias halladas entre las firmas de aguas con hidrocarburos y aguas del RdP a diferentes espesores de hidrocarburos son contundentes, es fundamental ampliar este estudio para contemplar el impacto de otras variables pertinentes, como la concentración de material particulado en suspensión, diferentes tipos de hidrocarburos y diferentes grados de emulsión.

Abstract:

Remote sensing in the optical region of the electromagnetic spectrum, or ocean color, has demonstrated its ability to provide synoptic information of the optical and biogeochemical properties of the oceans. This is based on the determination of the spectral radiance that comes from the surface of the water, which is obtained from the signal that reaches the top of the atmosphere (TOA). The amplitude and spectral shape of this primary geophysical product (usually given as reflectance) are interpreted in terms of derived products such as concentrations of optically active substances or IOPs (Inherent Optical Properties) that can then be used in environmental applications and biogeochemical models at regional and global levels. The precision in estimating these parameters depends, however, on the ability to obtain the reflectance measured just above the surface of the water, ρw, from the total radiance measured by the sensor, LT OA. The processing steps that must be applied to the signal include, among others, the elimination of the contribution of the atmosphere, a process called atmospheric correction (AC). In this context, this thesis is aimed at exploring new alternatives of AC algorithms on the Río de la Plata Estuary (RdP), whose extremely turbid waters (mainly in the region of the turbidity front, at Barra del Indio) are a challenge both for traditional AC schemes, and for alternatives developed for turbid waters. Chapter 3 describes the BLR-AC algorithm (AC based on Baseline Residuals), which was calibrated, tested and validated on OLCI images (Ocean and Land Color Instrument) although it is potentially applicable to other sensors with triples of spectrally close bands in the Red-NIR-SWIR range (NIR: Near Infrared. SWIR: Short Wave Infrared). The results show plausible performances compared to other schemes (such as BAC/BPAC v2.23, C2RCC, C2RCCnewNN, SeaDAS). Comparatively lower spatial correlations are observed between water and aerosol reflectances; better match-ups, and very good correspondences between the water reflectances on the Red/NIR estimated with BLR-AC and with a non-operational simple scheme - designed ad-hoc for comparison - based on the extrapolation of the aerosol signal in fixed clear water windows to the entire region of interest. Although the results obtained with the BLR-AC scheme are plausible, it is still necessary to extend the correction to visible bands with an extrapolation method and possible additional boundary conditions in the visible region of the spectrum. Chapter 4 describes the SWIR-PCA (Principal Component Analysis of the aerosol signal using the SWIR bands) algorithm developed for optically complex waters of the Río de la Plata for sensors such as SABIA-Mar (Argentine-Brazilian Satellite for Sea Information) and MODIS (MODerate Resolution Imaging Spectroradiometer) that have bands in the spectral region of the far SWIR, that is, where the black pixel assumption (Gordon 1978, [1]) holds for any sediment concentration. The scheme is based on the decomposition into principal components of the atmospheric signal in the NIR/SWIR and the use of the bands in the SWIR for the determination of the signal in the NIR. The scheme was theoretically tested by means of simulations of radiative transfer of a water-atmosphere coupled system, showing plausible results in the determination of water reflectances in the NIR bands at the considered sensors (MODIS, SABIA-Mar, among others). In turn, a geostatistical approach applied to a set of Aqua/MODIS images was performed to test the impact of sensor noise on the performance of the algorithm, showing a low sensitivity of the scheme to sensor noise. Although the results of this scheme are plausible, it is still essential to test its performance on images of currently operative sensor, such as Aqua/MODIS and again extend the correction to visible bands. Chapter 5 describes a procedure for detecting and removing Prompt Particle Events (PPEs) that hit on sensors at LEOs (Low Earth Orbits) - e.g. OLCI. Such events are extremely frequent in the South Atlantic Magnetic Anomaly region (SAA) - in particular, affecting the images of the Río de la Plata. The performance of this algorithm was evaluated both visually and by comparison with pre-existing results - evaluated on the OLCI sensor prior to launch. The results indicate that the images on the region of the SAA contain 27.8 times more pixels contaminated by PPEs than those corresponding to regions outside the SAA and that the most affected bands are those of 400 and 1016 nm, where the fraction of pixels where PPEs were detected over the SAA reached 0.14 % and 0.26 %, respectively. This correction is part of the preprocessing steps performed prior to the atmospheric correction described in chapter 3 (BLR-AC). Chapter 6 describes an application developed for ocean color images of the Río de la Plata: the FAIT algorithm (Floating Algal Index for Turbid waters) designed for floating vegetation (FV) detection in turbid waters. To perform this algorithm, the unusual invasion of water hyacinth (Eichhornia crassipes) that occurred over RdP in January-April 2016 was considered from a multi-mission perspective. The impact of different spatial resolutions on the detection of FV was discussed, and finally its spatial extent, temporal variability and its relationship with the river’s flow rate were analyzed and quantified. Finally, in chapter 7 another specific application to these images is described: a possible algorithm for the detection of oil spills in turbid waters, together with various indices that might allow to determine the thickness of the surface layer of the spill. For this purpose, a sample of water from RdP was assembled on a laboratory scale to which different volumes of hydrocarbons were poured, and having exposed this sample to natural illumination conditions, water reflectances were measured at different spill thicknesses. The results show that there are several spectral indices that might be used as indicators of the presence of hydrocarbons in turbid waters, such as the ratio of red and infrared reflectances, luminosity, turbidity or the violet/red ratio. Although the differences found between oil-polluted and oil-free reflectances from RdP are well established, it is essential to expand this study to consider the impact of other relevant variables, such as the concentration of suspended particulate material, different types of hydrocarbons and different emulsification states.

Citación:

---------- APA ----------

Gossn, Juan Ignacio. (2020). Corrección atmosférica de imágenes de color del mar en aguas turbias del Río de la Plata.. (Tesis Doctoral. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales.). Recuperado de https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n6930_Gossn

---------- CHICAGO ----------

Gossn, Juan Ignacio. "Corrección atmosférica de imágenes de color del mar en aguas turbias del Río de la Plata.". Tesis Doctoral, Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, 2020.https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n6930_Gossn

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