Workshop OCEANSAT 2. LakeWatch Lake Water characterisation with optical remote sensing

Transcript

1 Workshop OCEANSAT 2 LakeWatch Lake Water characterisation with optical remote sensing Claudia Giardino, Mariano Bresciani Vittorio E. Brando, Federica Braga, Alessandro Oggioni

2 Indice della presentazione La motivazione scientifica I laghi: una risorsa da preservare Contesto progettuale Inquadramento di LakeWatch nelle attività di ricerca in corso Il progetto LakeWatch Area di studio Obiettivi Risultati attesi Gruppo di lavoro

3 Motivazione scientifica I laghi rappresentano una risorsa di inestimabile valore: per il ruolo ecologico e naturalistico per i molteplici usi delle loro acque (civile potabile, industriale, irrigazione, navigazione, energia, turistico-ricreativo) Distribuzione delle acque dolci nel mondo (Unesco, 1987) 29% 71% Land Water Lo studio della qualità delle acque dei laghi si interfaccia a questioni amministrativo-istituzionali (Direttiva EC 2000/60) ambientali/sanitarie (fioriture cianobatteri balneabilità, potabilità; Guidelines for Safe Recreational Water Environments, World Health Organization, 2003) scientifiche (nei modelli di scambio del carbonio è assente il ruolo dei laghi, serbatoi naturali di carbonio organico disciolto) 97% 68.9% 3% 0.9% Ice 0.3% Groundwater Humidity soil/atmosphere Surface water (lakes & rivers) Saltwater Freshwater 29.9%

4 Macerazione macrofite Fioritura alghe filamentose (Spirogyra) Fioritura cianobatteri (Anabaena lemmermannii) Risospensione del sedimento

5 Contesto progettuale LakeWatch s inquadra in un consolidato spazio di ricerca di forte carattere applicativo... APPA Trento SALMON: Satellite Remote Sensing for Lake Monitoring EU-FP4, End-users HySens: Evaluation of airborne imaging spectrometers in mapping algal blooming and macrophyte distribution in lakes EU-FP5, Ninfa: An integrated remote sensing system experiment for lake water monitoring ASI, Ricerca MELINOS: Monitoring European lakes by means of an integrated earth observation system ESA 2003-in corso

6 Working group on Inland and Coastal Water Quality Remote Sensing Steering committee 20 partecipanti (comunità scientifica, ESA, NASA) da oltre 15 nazioni End-users Capacity building Demonstration (ChloroGIN Earth for lakes) WG Meetings Ginevra 2007 Barga 2008 Washington 2009 Pubblicazioni Final Report, December 2007 (issues, March 2007, Geneva, Switzerland issues, gaps, solutions) Final Report, 2009 (issues, May 2009, Washington DC, USA in preparation International networking

7 Working group on Inland and Coastal Water Quality Remote Sensing Meeting GEO Washington, May 2009 Selezione di un dataset comune per testare gli algortimi di stima (e.g., Lee et al., 2008) dei prodotti di qualità dell acqua da dati telerilevati MERIS, Trasimeno & Garda MIVIS Trasimeno MIVIS Garda Hyperion Garda

8 LakeWatch: area di studio Orta Laghi Garda e Trasimeno Maggiore Lugano Como Iseo Garda Trasimeno Bolsena Bracciano Lake surface [km ] ~ 500 km Bolsena N E ~ 50 Trasimeno 0 km Lake Garda Bracciano Lake Trasimeno

9 LakeWatch: area di studio Altitude [m a.s.l] Volume [km³] Max depth [m] Mean depth [m] Drainage area [km²] Lake Status [OECD] Garda Oligo-mesotrophic Trasimeno Meso-Eutrophic Garda lago profondo, che condiziona il clima delle sponde e rappresenta una preziosa risorsa per l intera regione soffre di sporadiche fioriture di cianobatteri area di studio di diversi progetti di telerilevamento (da SALMON a MELINOS) Stazione Sperimentale E. Zilioli Trasimeno lago meso-eutrofico eutrofico, poco profondo forti problemi di risospensione dei sedimenti, fioriture stagionali di cianobatteri, interrimento area di studio progetto MELINOS Di entrambi i laghi si dispone di un dataset completo di concentrazione dei parametri di qualità dell acqua (chl-a, ys, disco di Secchi, SPM e sue frazioni organico/inorganico) proprietà ottiche apparenti (Rrs, Q- factor) proprietà ottiche inerenti (assorbimento e back-scattering) serie MERIS Full Resolution (300 m) di oltre 100 immagini per lago, dal 2004 ad oggi e dati iperspettrali. Test area di GEO Richiesta di studio da parte di end- users

10 Nr. of samples: Garda = 493, Trasimeno = Altro Garda vs Trasimeno Nr. of samples: Garda = 178, Trasimeno = Chl-a [mgm -3 ] Secchi disk depth [m] Nr. of samples: Garda = 51, Trasimeno = Altro a CDOM (440) [m -1 ] Frequency, log-scale Frequency, log-scale

11 a NAP (440) [m -1 ] y = x R 2 = y = x R 2 = Garda vs Trasimeno Non algal particles absorption SPM [gm -3 ] Ed(0-) Ed(0+) a* phyo (λ) Phytoplankton absorption Lsky 40 Lw 40 Lu(0+) Lref Eu(0-) Wavelength [nm] 6% Remote sensing reflectance Yellow substances absorption 5% S CDOM [nm -1 ] y = x R 2 = 0.92 y = x R 2 = 0.88 S CDOM Trasimeno Garda Average Stdev Rrs [%, sr -1 ] 4% 3% 2% 1% 0% a CDOM (440) [m -1 ] Wavelength [nm]

12 LakeWatch: obiettivi Obiettivo principale di LakeWatch è la produzione, a partire da dati OCM-2, di dati di livello 3 (trasparenza, chl-a, SPM, ys) per due importanti laghi italiani, caratterizzati da acque otticamente complesse sviluppo di algoritmi bio-ottici ottici per i dati OCM-2 confronto tra OCM-2 e MERIS analisi ecologico-ambientali delle serie temporali dei parametri di qualità dell acqua per le aree di studio divulgazione dei dati OCM-2, sia presso la comunità scientifica (pubblicazioni, GEO) sia verso gli end-users (ARPA Umbria, CRA Sirmione, APPA Trento)

13 LakeWatch: metodi In situ sampling, clustering and regionalization of algorithms Validation OCM-2 LAC Atmospheric correction Remote sensing reflectance Bio-optical model-inversion, ad-hoc calibrated Water quality Maps λ, t λ, t for lake targets Ci, t MERIS FR Adjacency effects Meteo and anthropogenic pressure data Better comprehension of lake status and evolution Inter-sensor comparison Tipologia dei dati OCM-2 richiesti Sviluppo temporale 31 immagini per anno novembre - marzo: 2 scene mese da aprile - ottobre: 3 scene mese Livello di processing 1C LAC e 1B LAC Deliverables D1: Regionalized bio-optical models for Italian lakes D2: Demonstration of project achievements in Garda and Trasimeno lakes D3: Reporting of water quality status in Garda and Trasimeno lakes in relation to the WFD Ws: Participation to the workshops scheduled by the AO at the end of every year

14 LakeWatch: risultati attesi Algoritmi per OCM-2 di stima dei macrodescrittori e validazione Serie temporali di mappe di qualità (trasparenza, chl-a, SPM, ys, fioriture algali) Mappe di anomalia Sinergia coi dati MERIS Coprire gap temporali Analisi ad orari differenti (sia per l osservazione delle dinamiche orarie, sia per ridurre le interferenze radiometriche, es. glint, haze atmosferico)

15 Lago di Garda dp g ( 0 ) = ( g + g u ) u 2 R(0 ) = R a = a + a + a + a w CHL b + SPM 0 CDOM b = bbw + bbchl b b bspm 1 u = bb a + b Giardino C., Brando V. E., Dekker A. G., Strömbeck N., Candiani G., 2007, Assessment of water quality in Lake Garda (Italy) using Hyperion, Remote Sensing of Environment, Vol. 109, N. 2, (30 scene MERIS FR) in situ MERIS 1/8/04 17/2/05 5/9/05 24/3/06 10/10/06 28/4/07 Giardino C., Brando V. E., Dekker A. G., Oggioni A., Bresciani M., 2008, Improving satellite remote sensing products for the largest Italian lakes. Ocean Optics XIX, Barga, Italy, 6-10 October 2008 CD-ROM

16 Lago Trasimeno Mappe di anomalia per la clorofilla; in rosso le zone che superano il limite di riferimento (in questo studio 13 mgm -3 ) Confronto stime da satellite e misure di campo ad alta risoluzione spaziale (FATA) 01/06/ /06/ /06/ /06/ /06/ /06/ /06/ /06/ /06/ /07/ /07/ /07/ /07/ /07/ /07/ /07/ /07/ /07/ /07/ /07/ /08/ /08/ /08/ /08/ /08/ /08/ /08/ /08/ /08/ /09/ /09/ /09/ /09/ /09/ /09/ /09/2008 Concentrazione di chl < + (=13 mgm -3 ) Concentrazione di chl > + (=13 mgm -3 ) N T U FATA MERIS Transect location T S M Giardino C., Bresciani M., Brando V. E., Dekker A. G., 2008, Observations of the largest Italian lakes from MERIS, Proc. of the '2nd MERIS / (A)ATSR User Workshop', Frascati, Italy September 2008 (ESA SP-666, November 2008) Bresciani M., Giardino C., Villa P., Martinelli A., 2009, Satellite Remote sensing supports the implementation of management plans in Lake Trasimeno basin, 33rd International Symposium on Remote Sensing of Environment (ISRSE), 4-80May 2009, Stresa (VB) Italy

17 LakeWatch: il gruppo di lavoro Vittorio E. Brando Collaborazione algoritmi Alessandro Oggioni Analisi di laboratorio Federica Barga In situ AOP/IOP

18 Grazie per l attenzione