Optical Remote Sensing of Water Quality in the Wadden Sea

Titelangaben

Arabi, Behnaz:
Optical Remote Sensing of Water Quality in the Wadden Sea.
Enschede, the Netherlands : University of Twente , 2019 . - 206 S.
( Dissertation, 2019 , University of Twente)

Volltext

Link zum Volltext (externe URL):

Abstract

Deterioration of estuarine and coastal water quality has become a worldwide issue of substantial concern as anthropogenetic actions increase and climate change tends to cause main changes to the hydrological cycle. The acquisition of water quality information using radiometric measurements of the water’s optical properties has developed quickly in recent years. Developments in algorithms and results improvement, sensor technology and reliability, and data availability have led to established practices in remotely-sensed observations with potential implications to water resources management. Using remotely sensed observations have played a significant role to develop satellite-derived products for providing vital information on most important water quality variables such as Chlorophyll-a (Chla), Suspended Particulate Matter (SPM), and Coloured Dissolved Organic Matter (CDOM) with the required accuracies for management organizations. This study investigates how these water quality variables can be estimated from remote sensing observations by means of a quantitative approach in complex coastal areas. This is important with respect to the Sustainable Development Goals (SDGs) to better understand the capability of the state of art of remote sensing technology to monitor long-term spatio-temporal variation of water quality in estuarine and coastal waters as a consequence of climate change, global warming, pollution and population increase, transportation changes and human activities.
The thesis presents how remote sensing techniques and observations can be employed to accurately retrieve water quality variables in complex coastal waters at both the water surface and Top Of Atmosphere (TOA) levels in the frame of proposing and evaluating the latest remote sensing methods and techniques established based on radiative transfer modeling, advanced retrieval methods, developed algorithms and optimal instruments and sensors.
This dissertation is composed of six chapters: Chapter 1 is introductory and describes the optical remote sensing of water quality, the challenges and requirements to apply the remote sensing techniques in the coastal waters, the importance of the study area and the proposed methods and algorithms in this study. Chapter 2 deals with application and validation of a new and developed radiative transfer hydro-optical model (i.e., the 2SeaColor model) to accurately retrieving water quality variables at water surface level under various Solar Zenith Angles (SZAs) and water turbidity conditions by using in-situ hyperspectral measurements. Chapter 3 deals with application and validation of a proposed radiative transfer atmospheric-hydro-optical model (i.e., the coupled 2SeaColor- MODerate resolution atmospheric TRANsmission (MODTRAN) model) to simultaneously retrieve water quality variables and atmospheric properties (i.e., visibility and aerosol type) at TOA level by using MEdium Resolution Imaging Spectrometer (MERIS) images. Chapter 4 deals with 15-years water quality monitoring in complex coastal waters of the Dutch Wadden Sea by using time series of diurnal in-situ hyperspectral measurements and multi-sensor satellite images of MERIS, Sentinel-2 Multispectral Instrument (MSI) and Sentinel-3 Ocean and Land Colour Instrument (OLCI) images. Chapter 5 deals with the problem of the sea-bottom effect in the shallow coastal waters and develops a refined hydro-optical model (i.e., the Water-Sea Bottom (WSB) model) to evaluate the sea-bottom effect on remote sensing observations in these areas. Further analysis and investigations in this chapter lead to proposing a new near-infrared bottom effect index (i.e., the NIBEI) to distinguish optically shallow waters from optically deep waters. Chapter 6 discusses the main objectives of this dissertation and explains how these objectives are achieved and provide research recommendations for future studies.

Abstract in weiterer Sprache

De achteruitgang van de waterkwaliteit van rivierdelta’s en kustgebieden heeft zich wereldwijd ontwikkeld tot een punt van aanzienlijke zorg, daar de antropogenetische activiteit toeneemt terwijl klimaatverandering grote veranderingen in de waterkringloop dreigt te veroorzaken. Het verzamelen van informatie over de waterkwaliteit via radiometrische metingen van de optische eigenschappen van water heeft zich snel ontwikkeld in de laatste jaren. Ontwikkelingen in algoritmen en verbeteringen in de resultaten, de sensortechnologie en de betrouwbaarheid, en de beschikbaarheid van gegevens hebben geleid tot een gevestigde praktijk in het verrichten van remote sensing waarnemingen, met mogelijke implicaties voor het waterbeheer. Het gebruik van remote sensing waarnemingen heeft een grote rol gespeeld bij het ontwikkelen van uit satellietdata afgeleide producten voor het verschaffen van vitale informatie over de belangrijkste waterkwaliteitsvariabelen zoals Chlorofyl-a (Chla), Zwevend stof (SPM), en Gekleurd opgeloste organische stoffen (CDOM), met een nauwkeurigheid zoals gewenst door bestuursorganisaties. In deze studie wordt onderzocht hoe men deze waterkwaliteitsvariabelen kan afleiden uit remote sensing waarnemingen door middel van een kwantitatieve benadering geschikt voor complexe kustgebieden. Dit is belangrijk in verband met de Water en Duurzame Ontwikkelingsdoelstellingen en voor het verkrijgen van een beter begrip over het vermogen van de huidige stand van de remote sensing technologie om lange-termijn ruimtelijke en temporele variaties in de waterkwaliteit van rivierdelta’s en kustwateren te monitoren in relatie tot klimaatverandering, globale opwarming, de bevolkingsdichtheid en de toename ervan, veranderingen in de scheepsvaart en menselijke activiteit in het algemeen.
De dissertatie laat zien hoe remote sensing technieken en waarnemingen kunnen worden ingezet voor het nauwkeurig bepalen van waterkwaliteitsvariabelen in complexe kustwateren via metingen zowel op zeeniveau als met satellieten vanuit de ruimte. Dit vindt plaats vanuit het perspectief van het voorstellen en evalueren van de nieuwste remote sensing methoden en technieken gebaseerd op stralingstransportmodellen, geavanceerde bepalingsmethoden, ontwikkelde algoritmen en optische instrumenten en sensoren.
Dit proefschrift bestaat uit zes hoofdstukken. Hoofdstuk 1 is een inleiding en beschrijft de optische remote sensing van de waterkwaliteit, de uitdagingen en voorwaarden waaraan moet worden voldaan om de remote sensing technieken toe te kunnen passen in kustwateren, het belang van het gekozen studiegebied en de voorgestelde methoden en algoritmen in deze studie. Hoofdstuk 2 behandelt de toepassing en de validatie van een recent ontwikkeld hydro-optisch stralingstransportmodel (genaamd 2SeaColor) voor het nauwkeurig schatten van waterkwaliteitsvariabelen uit in-situ hyperspectrale metingen op zeeniveau onder diverse zonnestanden en waterturbiditeitscondities. In Hoofdstuk 3 is dit model gekoppeld met het MODTRAN atmosfeermodel voor het simultaan afleiden van waterkwaliteitsvariabelen en atmosfeereigenschappen (horizontaal zicht en aerosoltype) uit MERIS satellietbeelden. Hoofdstuk 4 gaat over het monitoren van de waterkwaliteit in de complexe kustwateren van de Waddenzee door het gebruik van tijdreeksen van dagelijkse in-situ hyperspectrale metingen tezamen met diverse satellietbeelden afkomstig van MERIS, de Sentinel-2 MSI en de Sentinel-3 OLCI instrumenten. Hoofdstuk 5 behandelt het probleem van het zeebodemeffect in ondiepe kustwateren en de ontwikkeling van een verfijnd hydro-optisch model genaamd WSB waarin dit effect is opgenomen en waarmee men het effect van dit fenomeen op remote sensing waarnemingen in deze gebieden kan onderzoeken. Verdere analyses en onderzoeken in dit hoofdstuk leiden tot het voorstellen van een nieuwe nabij-infrarode bodemeffect index (NIBEI) om optisch ondiepe wateren te kunnen onderscheiden van optisch diep water. Hoofdstuk 6 bediscussieert de voornaamste doelstellingen van deze dissertatie en verklaart hoe deze doelstellingen zijn bereikt en geeft aanbevelingen voor toekomstige onderzoekstudies.